西门子模块6ES7222-1HD22-0XA0选型说明
可编程控制器（PLC）以其高可靠性、适应工业过程现场、强大的联网功能等特点，现已广泛应用于生产工艺过程。在目前的很多自控系统中，常选用PLC作为现场的控制设备，用于数据采集、状态控制和输出控制，而在系统上位机（通常为工控机）上利用工控组态软件来完成工业流程及控制参数的显示，以实现监控和管理功能。这种控制系统充分利用了微型机和PLC的各自的特点，实现了优势互补，得到了广泛的应用。
九十年代初，国内绝大多数油田对从井筒内取出的油管采取直接在现场用锅炉车产生高温蒸汽清洗的办法来清洗油管内外壁，这种办法一方面会造成环境污染，另一方面清洗效果也不理想。随着油田生产的规模化、化，大多油田成立了油管修复单位，定点、定员、定设备进行油管的清洗、检测、修复工序。清洗环节国内油田主要采用三种方式：高压旋转水射流、中频加热清洗和高温热洗。
根据江苏油田井下作业处真武油管修复中心的实际情况，设计了以研华Pentium Ⅲ工控机、OMRON CQM1H-CPU21型PLC为硬件核心，以组态王KingView6.01为软件平台的计算机监控系统，对油管进行高温热洗操作。系统总体设计如图1.
下面从硬件和软件两方面对油管高温热洗工艺进行分析。
2.硬件构成
利用现有一台2T锅炉通过旁管对热洗池内清洗液（主要成分为清水，含适量比例的氢氧化钠和金属表面活性剂配剂）进行加热。考虑油管体积、质量较大，人工搬运不便，且热洗间处于高温危险环境，故采用机械滚轮传输、气缸举升和机械式链提升装置，并由磁敏、光电或机械式行程开关对油管进行限位或控制滚轮、气缸的动作。
整个工艺系统设计采用OMRON CQM1H-CPU21型PLC作为控制核心。CPU21本身具有16个数字量I/O点，通过外接输入模块ID212四块和输出模块OC222三块作为I/O口功能扩展，以满足设计需要。PLC通过COM口与工控机相连，与组态王KingView软件结合，实现计算机监控操作功能。硬件构成简图如图2。
3.软件分析
待清洗油管经传输线进入热洗池内管架，与池内清洗液充分接触，进行热交换，油管内外壁原油溶化、剥离，上浮至清洗液表面。油管被链提升装置提出至液面以上，进行次控水。控水完毕后仍经链提升装置提升至通径传输线一。通径传输线一正转，将油管送至内壁冲洗机，进行内壁冲洗。冲洗完毕后通径传输线一反转，油管后退至通径传输线一下料感应器，通径下料翻板动作，将油管翻至通径传输线二。通径下料翻板回位后，控水气缸动作，进行第二次控水。控水完毕后，通径传输线二正转，将油管传输通过外壁冲洗机，进行外壁清洗。完毕后出料，完成一根油管的清洗作业。PLC编程思路如图3。
由于整个系统监控点数多，画面复杂，自行设计监控软件周期较长、难度较大，所以上位机采用国内先进的组态软件—组态王KingView6.01进行编写。组态王是运行于bbbbbbs98/NT/XP的全中文界面的组态软件，采用了多线程、COM组件等新技术，充分利用了bbbbbbs的图形编辑功能，能方便地构成监控画面，具有丰富的设备驱动程序、灵活的组态方式和数据链接功能，用其构造监控系统能大大缩短开发时间，并能保证系统的质量。组态王与PLC之间通信采用的是PPI通讯协议。组态王通过串行口与PLC进行通信，访问PLC相关的寄存器地址，以获得PLC所控制设备的状态或修改相关寄存器的值。在实际编程过程中不需要编写读写PLC寄存器的程序，组态王提供了一种数据定义方法，在定义了I/O变量后，可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分析、数据记录和报警显示。
根据监控的实际要求，设计的软件实现了下述功能：工艺流程进行动画显示，可以直观的看出各条传输线、水泵、电机的运转情况，以及热洗池内油管数量和班产量。此外，针对不同的操作人员，设置不同的系统操作权限及密码，并给予系统操作帮助等等。系统控制界面如图4。
4.结束语
本文作者创新点：设计运用组态王和PLC进行通讯，具有时效性好、速度快、可靠性高、运行稳定、调节灵活等优点。系统人机界面友好而直观，具有一定的灵活性，易于扩充。设计于2001年竣工投产，现已正常运转5年，整个系统运行平稳，安全可靠。特别是PLC和组态王软件技术的结合应用，使得生产中自动化程度大大提高，降低了工人的劳动强度，取得了较好的实际使用效果。
PLC实验系统简介
EL型PLC教学实验系统，集微机控制于一体，即有生动、具体的机构运转，又有抽象的控制模型，教学实验方便，效果好，性能价格比高，适用于工业自动化、电工学、机电一体化的教学及PLC控制系统的仿真、调试。
EL型PLC教学实验系统由实验箱、PLC、编程器三部分构成。其中编程器用于程序的编制与调试。根据所用的编程器不同，EL型PLC教学实验系统流程有两种：
（1）采用手持编程器
分析被控对象→编程、输入程序→连接实验线路，运行PLC程序、观察现象。
（2）采用通用微机作编程器
分析被控对象→编程、输入程序→连接实验线路运行PLC程序→运行实验辅助程序→观察现象。采用微机编程能提供动画界面，使PLC编程、调试更加方便。
PLC实验箱由PLC提供电源，是PLC调试信号的工具。为PLC提供：
1）开关量输入信号DJS1。
2）单脉冲（PO1…PO6）
3）开关量LED灯显示。
4）输入端子bbbbb，输出端子OUTPUT（接PLC输入、输出）。
5）计数脉冲为PLC提供24V幅值的方波。在开关量的输入区。
FX-20P型便携式编程器使用说明
一． FX-20P型便携式编程器的一般情况
FX-20P型便携式编程器的硬件主要包括以下几个部件：
①FX-20P-E型编程器；②FX-20P-RWM型写入器；③FX-20P-CAB型电缆；④FX-20P-ADP型电源适配器；⑤ FX-20P-E-FKIT型接口。
FX-20P-E型编程器的面板上方是一个16*4个字符的液晶显示器。它的下面共有35个键，分成7行5列排列，第1行和第5列为11个功能键，其余的24个键分别为指令键和数字键，各键的具体功能和操作方法在后面的有关章节中再作详细介绍。在编程器右侧面的上方有一个插座，将FX-20P-CAB电缆的一端插入该插座内，电缆另一端插入FX系列PLC的RS-422插座内。FX-20P-E型编程器内附有8K步的RAM，当该编程器处在离线方式编程时，用户程序被存放在该RAM内。编程器内还附有高性能的电容器，编程 器通电一小时后，即使编程器被断电，在该电容器的支持下，RAM内的用户程序可以被保留三天。FX-20P-E型编程器的顶部有一个插座，可以连接FX-20P-RWMP型ROM写入器，它的底部插有系统程序存储器卡匣，当该编程器的系统程序更新时，只要更换系统程序存储器即可
图2(a)所示是使用LM2917对柴油机转速进行模拟式测量的一个电路。LM2917是一款专门用于转速测量和控制的集成电路频率一电压转换芯片。它依照电荷泵的原理工作，与普通的电荷泵电路相比，该芯片集成了具有浮动输入的比较器输入级和可灵活进行再设计的输出级，因而大大减少了芯片投入应用时需要外接的元器件数量。输入级的输入浮动特性使用户可以调整信号输入的阈值，提高电路的抗干扰能力；在其内部还构建了一个瞬度为15mV的滞环，从而可进一步提高电路的抗噪声干扰能力。芯片的输出级由比较器和一个浮动三极管组成，用户可以设计成比仞J输出或限值比较的输出，输出形式可为电压或电流，以满足不同的控制需求。图2(a)所示电路提供比例电压输出。图中的电容C1为电荷泵的充电电容，C2为积分电容。按图中所选参数，输入脉冲与输出电压之间的变换关系为：
图2(b)为图2(a)所示电路的测试结果。图中，下部的曲线为F/V转换的结果，上部的曲线为包含了线性光电隔离器及后续的Adam-4017+模块的采集数据。
除了上述模拟式方法，也尝试了挖掘FLC控制器的潜力，采用Dl输入、按照等精度方法对柴油机转速进行测量。使用定时器实现预取样窗口的宽度控制，以1ms高速定时器充当高频参考量化脉冲。图3所示为实现测量过程的软件流程和波形示意图。
图中，T1为确定预设取样窗口宽度的定时器，T2为hns定时器，Smp为取样标志，N为被测脉冲计数值。
每当读到一个输入脉冲的上升沿，CPU首先查询取样标志，如为O，则置1，启动一次取样过程。取样过程的预定宽度由定时器Tl确定。Tl定时未到时，做两件事：一方面，1ms定时器持续进行定时计数；另一方面，PLC对输入脉冲计数(N=N+1)，直至Tl定时到后遇到新的脉冲上升沿为止。如一次取样结束时，从lms定时器得出的ms累计值为n，输入脉冲的计数值为Ⅳ，则可得信号频率为：
由于PLC在一次程序循环后才集中进行一次I/0刷新，因此很难做到取样窗口与被测脉冲同步。为了尽量减小这一因素带来的影响，采取了两条措施：(1)对脉冲输入信号的跳变采用立即刷新方式进行检测。(2)在整个PLC程序中，分散地插入不止一个输入脉冲检测点。实验证明，这些措施是行之有效的，该测量方案也可以满足试验要求，而且硬件成本很低(仅使用PLC的一个DI输入)。当然，如果采用中断单元，按中断方式工作，取样窗口的起始时间与被测脉冲的同步会变得很简单，测量准确度也会提高，代价是硬件成本增加。
在机车定置试验系统中，对于不同的测量需求，具体分析，区别对待，采取了不同的频率测量方法和设备，有针对性地采取了减小测量误差的措，尽可能地挖掘已有测控设备的潜力，做好技术设计工作。这些努力已得到现场试验证明，效果令人满意。
在工业生产和试验过程中，经常会遇到各种转速的测量和控制问题。多数情况下可以通过电磁或光电等方法，将转速测量转变为频率测量。测量频率的方法有很多，不同的方法各有不同的适用范围。近年来随着电子技术的迅速发展，工业测控设备不断更新，频率测量的方法和设备也有新的进展。在实际应用中，选择不同的技术设计方案，效果可能相差甚远。本文以机车试验床测试系统中的转速测量为例，说明如果能具体分析，对症下药，把方案设计和具体的技术设计工作做好做细，则采用简单的方法、挖掘已有测控设备的潜力，也能取得令人满意的效果。
1 试验系统概况及对转速测量的要求
机车试验床测试系统是为了解决列车的离线试验问题(进行机车维护和出厂试验时均需进行试验)而设计的。以往这类试验是采用在线方式、在列车线路的空闲间隙内穿插进行，变得更加困难，列车提速后，线路更加紧张。要彻底解决这一问题，有必要建造离线的试验床测试系统，对机车进行离线测试。
试验系统的结构如图1所示。待试机
车被驱动到试验床上，机车车轮依次与传动轮摩合。传动轮三个一组，先通过机械式同步，然后分别驱动两台测功机(励磁发电机组)。测功机的输出接到大小可控的水阻阵列上，模拟机车负载，消耗机车功率。试验时，在一定条件下启动机车，调整测功机的负载和转速，可以使机车按照与线路上类似的工况(运行速度和拖动力)运行。试验中任何时刻，两台测功机的转速必须保持一致。
与一般的控制对象相比，对测功机的转速控制要求速度较快，特别是在加入内环电流反馈之后；对转速的显示精度要求也较高，希望在测量转速上限时相对误差不大于0.2％。本系统中设计的电流环调节周期为O.1秒，用于显示和记录的转速测量周期为1秒，试验系统设计的转速测量范围为200～1000转/分。测功机的转速测量性能对于整个系统的运行起着决定性的作用。
另外在试验中需要在车下的控制室内对机车上的重要参数进行监控，包括车上发电机的电压、电动机电流和柴油机的转速。对于柴油机转速，车上通常只提供每转一次的电脉冲信号，转速范围为500～1500转/分。由于这些测量参数只是用于对机车运行状态进行监控，因此对测量精度和测量速度的要求不高，不大于1％的相对误差和l～3秒的测量周期即可。
考虑到对测功机的测量和控制速度要求较高及提高 测控系统的抗干扰能力，试验系统采用OMRON的CJ1-M型PLC控制器作为下位机，执行绝大部分测量和控制任务；机车上的数据则通过以Adam-4017+八通道模拟量输入模块为核心构成的便携式车上数据采集装置进行采集，采集的结果经RS-485总线传送到上位监控机。
本文只讨论测功机和柴油机的转速测量问题。
2 机车测试系统中的转速测量
2.1 测功机的转速测量
可编程控制器CJl系列中有一个特殊单元是高速计数单元CT021。每块CT021具有两个高速计数器，每个计数器的容量为二进制32位，可接受频率高达50kHz的输入脉冲，以实现快速运动的jingque控制。两个输入通道分别用于两台测功机的转速测量。
CT021采用计数法测量输入信号的频率。选用分辨率为1024的光电编码器实现转速一电信号频率转换。在转速下限(200转/分)时，实际输出的脉冲频率为1024×200／60s=3400／s，即3400Hz。为实现周期为O.1秒的快速调节，应配以周期为0.1秒的高速采样，此时每周期可采脉冲为340个，相对误差不超过±O.3％，可以满足转速控制要求。
在转速上限时．计数法的测量精度会有改善，但需核对计数单元对于输入脉冲频率的上限限制。转速为1000转份时，输入脉冲频率为1024×1000／60s，即17.07kHz，不会超过50kHz硬件脉冲频率上限的限制。
尽管上述单相脉冲输入方式已经可以满足系统测速要求，为保有一定的余量，系统实际采用差相输入方式，使输入脉冲的频率提高一倍，测量误差再减小一半。
做完上述核对工作、确定测量所需硬件之后，软件上要做的工作相对较简单，只要按照厂家提供的技术资料在程序中对CT021的工作方式进行正确地初始化设置，上电后程序就会在每个循环中将计数结果存放到指定的内存地址中。可以将这些数据转移到数据存储区，供实现转速调节的指令使用。
CT021还提供多种功能，例如可以实现双向计数、具有两个控制输入和两个控制输出及30个软输出等，对它们可以灵活配置，以满足使用现场可能出现的特殊要求。值得一提的是，CT021提供的功能之一是可以自动将连续若干次(高可达64字)的速率测量结果记录在一个地址连续的存储区中，并随时自动刷新，这样既可以在每个0.1秒循环周期内得到当时的采样值供调节指令使用，也可以轻而易举地得到连续多个周期的总计数结果，即较长时间间隔内的采样值，供显示和记录之用。取样时间扩大了，量化误差相应减小，较好地满足了对显示精度的要求。
2.2 机车上的柴油机转速测量
机车上的柴油机转速为500~1500转/分，被测脉冲的频率仅为500／60s(8.3Hz)~1500／60s(25Hz)，采用计数法进行频率测量显然不合适。由于对测量精度的要求不是很高，可以采用模拟方法。
