西门子模块6ES7231-0HF22-0XA0型号含义
引言
进入二十一世纪以来，整个石油天然气行业都面临着巨大的挑战，伴随着中国、印度发展所带动的石油天然气资源需求快速增长却是已探明储量和质量的下降。据据2007年BP能源的统计，截至2006年底，全球石油探明储量12082亿桶，同比下降0.1%，可供开采41年。在这种形势下，美Chevron石油公司的CEODavid J.O’Reilley指出了“轻易获取石油资源的时代已经一去不返了，现在我们需要新的技术和投资以保证未来石油的持续供应”。这类原先在工业生产应用上一直处于相对保守的石油天然气公司，不得不开始通过引入创新的科技与产品，以尽可能的扩大已有油田的产能、tigao生产或配送效率，或者发展深海勘探。其中，直接的方式就是tigao从勘探到生产各领域的自动化系统性能，将新技术与已有设备的集成实现成本的降低。本文讨论石油天然气行业自动化系统所面对的技术挑战，及基于新一代工业测控平台——PAC可编程自动化控制器的解决方案。
为石油天然气测控应用选择合适的平台－PAC
可编程逻辑控制器PLC能够满足石油天然气行业的很多传统测控需求，当面对复杂开采和生产过程优化等应用所需的的测量以及控制算法时，PLC受其处理能力和运行架构的限制就显的力不从心。而基于PC或者定制专用设备的控制方式，往往无法适应油田等恶劣环境对相应安全等级的要求。对传统工具的另一个巨大的挑战是，工程师在系统开发中缺乏统一高效的软件平台实现不同硬件对象的应用功能，以及与企业数据库等信息系统连接，实现更高效的管理。随着项目要求的不断复杂，企业难以拥有能够熟系所有功能的开发人员，而这些不同对象间的集成与维护成本也变得越来越高。
PAC可编程自动化控制器的诞生，为上述挑战提供了很好的解决方法。在一个开放灵活的软件架构（如 NILabVIEW）下PAC结合了PLC的可靠性以及PC的多功能性(如图1)。用户可以用统一的开发方式实现的的测量与控制、信号处理、数据记录以及网络通信等各类应用。
图1 NI PAC平台架构
目前，PAC平台凭借这些优势已经在石油天然气行业得到了较广泛的应用，例如， Noble公司在受控方向钻探系统中使用NIPAC控制器，很好的解决了传统PLC因运行复杂控制算法能力不足而需要操作员人工介入与基于专用控制器成本较高、集成度与可靠性低的矛盾。综合起来，PAC平台在石油天然气行业的应用，可以带来以下优势：
扩展传统自动化系统的性能
在石油天然气行业中，自动化系统常见任务是油田的各种设施的工作状态、油品相关数据（通常包括温度，压力，liuliang，振动，超声等）的测量，采取相应的分析和控制策略。受地理特性影响，系统分布范围广，设备间需要具备抗恶劣环境的通信和远程管理能力。相比传统的PLC或DCS系统，PAC平台结合了半导体技术、通信技术的发展成果，从而能够带来的测量(高精度与速度，与多种常用传感器的直接连接)，的控制(PID，模糊逻辑或自定制的复杂控制算法，更快的处理速度)以及强大的数据管理与通信功能。石油天然气领域的各大厂商将PAC平台的这些特性应用到其自动化系统中，直接带来了生产效率和可靠性的tigao。
在传输过程中，从经济角度考虑，石油公司都使用单一的管道来混合输送液态烃和油气，这种情况下，液态趋向于在倾斜管道部分大量累积造成段塞，导致产量降低，气态被相应压缩，当到达出口时产生的气涌可能破坏末端的系统设备。不久前，Shell全球解决方案公司推出了一套新的控制策略，希望能加入已有控制系统以达到更好的系统可靠性，鉴于该额外控制算法的复杂度，凭借现有的PLC和DCS工具来完成实非易事。为此他们尝试使用NIPAC平台, 借助LabVIEW的图形化开发方式及其控制与系统仿真工具包，很快的完成了算法的验证实现，将应用程序直接下载到NIFieldPointPAC系统上运行，实现了对liuliang、压力等的实时采集和控制决策，以及与已有系统间的通信和任务的远程操作，确保了当控制模式改变时正确而又快速的抑制段塞。
降低系统复杂度
使用传统PLC时，工程师必须熟悉逻辑编程工具和HMI开发包，如果需要运动控制，机器视觉等相对独立的的I/O设备时，往往依靠各厂家提供的不同工具软件，集合不同领域经验的开发者共同完成。这种开发方式，不仅增加了开发的周期，更是加大了自动化集成的复杂度。工程师需要的是PAC这么一个开放统一的软硬件平台。在软件平台上，可以用统一的方式完成各种复杂的I/O与控制应用，通过其内置的工业通信协议或者OPC方式实现与各种不同类型的PLC或者工业自动化设备通信。配合PAC强大的网络通信和企业数据库互联功能，能源公司的自动化控制系统能够与企业级的管理信息系统互联，管理者能够了解生产配送过程的每一个细节，实现更高效透明的管理，满足行业每年以30%-70%增长的数字化需求。
PEMEX——全球第五大原油生产商，管理着墨西哥每天价值30亿美金约150桶的原油输送和分配系统，并通过各油田的电子测量设备来获取油量信息数据。之前，各分站使用基于不同设备和内网协议的独立管理系统，以电话或Email的方式与主系统协同。为加强对各分站的管理，tigao系统整体协调性，PEMEX选择NILabVIEW平台构建一个集成、低成本的监控系统。开发人员很方便的完成基于OPC的设备通信，实时数据记录与报警，企业数据库的连接以及各供应和分配站的报告生成。NIPAC硬件系统的高精度测量与通信功能与其已有系统的直接连接，成本被降到了低。
在增加灵活性的保证可靠性
由于石油天然气行业处理的大多是易燃或有害物质，设备通常需要满足高温、高压或易腐蚀等苛刻的操作条件下的运行要求，其对先进技术的功能和开放性需求建立在可靠性、安全性的保证上。PLC或者专用控制单元，由于基于专用架构，通常仅具有制造商而不是使用方所认为必要的性能。对于PAC平台其基于通用的嵌入式技术与实时操作系统的可靠性和功能性也强于非通用的操作系统。对于NIPAC平台更可选用FPGA架构，实现基于硬件等级控制和处理功能，达到高等级的确定性控制。
OrmenLange天然气田于1997年在挪威西海岸边被发现，在海底气源与岸上处理工厂管道架设之前需要对海床预处理平整工作，为此Nexans公司研发了主用的“蜘蛛”机器人。而勘采现场的条件极其恶劣，这对完成该项目所使用的工具提出了极大的挑战。NICompactRIOPAC控制器位于IP62封装之中，完成对机器人的颠簸补偿、绞盘和功率等实时控制，并与LabVIEW主应用程序进行通信，控制信号通过光纤传递到1km海下的机器人执行设备。通过其上的传感器、摄像头的采集信号，在控制室利用多个不同的LabVIEW软件界面屏幕来展现挖掘的实时过程。这套控制系统，长期暴露在恶劣的海上环境中，经受着极低的温度、含盐的海上空气和高湿度的考验。
与展望
根据06年《欧洲的石油・天然气领域之自动化／控制解决方案》的调查结论，行业内新使用的各种自动化控制系统由于其具备的的特性在过去几年内，相对传统系统解决方按获得了更好的增长。PAC的软硬件平台，在保证系统可靠性的基础上，提供更高的测量和控制能力，更强的网络性能了传统的自动化设备功能，其开放灵活的特点大幅降低了系统集成的复杂度，从而帮助石油天然气行业应对资源日趋稀缺大背景下的各种挑战
系统硬件组成
汽车方向盘生产设备主要由模具、模架、高压发泡机系统组成。模具分上模、下模两套；模架用以夹持上、下模，并完成方向盘生产所必须的所有动作；高压发泡机系统用以完成iso（异氰酸脂）和pol（聚醚多元醇）两种化工原料高压混合在方向盘骨架上形成一层自结皮泡沫。
汽车方向盘模架生产的工艺过程如图1所示：
图1 汽车方向盘模架生产工艺过程
准备好做方向盘的原材料方向盘骨架和聚氨酯，先开下模、开上模再在模腔里喷脱模剂，再放预先准备好的方向盘原始骨架，接着合上上下模，再把高压发泡里的发泡料浇注到合上的上下模空间里，在特定的环境里熟化一段时间达到预期效果再开上下模架，利用模架里的顶针顶出制品。由于在模架里还是有些毛边，出来的制品在经过一定的修边准形既可入库。
方向盘控制系统计成一个控制柜控制2台液压模架，共有34个输入，18个输出。输入信号有上、下模平台开合到位行程开关、上模平台安全销插入、退出行程开关、制品顶出接近开关信号、开合模按钮、自动、手动、换模工作方式选择开关等，输出信号有控制有无油压的电磁溢流阀、上、下模平台开合模电磁阀、制品顶出电磁阀、安全锁销电磁阀、定时器、声光报警器、信号灯等。根据生产工艺和机械控制要求，确定选用西门子s7-200系列plc：cpu226（24i/16o）及其扩展模块em223（16i/16o），输入输出均留有扩展余地，将来plc外部输出触点损坏，仅修改一下程序即可，无需拆卸plc。
此系统控制中的电磁阀是有一号模架与二号模架控制。一号模架为主模块有s7-200系列plc-cpu226（24i/16o）控制一号电磁阀,其输入输出端子功能如表1所示。二号模架为扩展模块有s7-200系列plc-em223（16i/16o）控制二号电磁阀,其输入输出端子功能如表2所示。
表1 cpu226各输入与输出端子功能表
表2 em223各输入与输出端子功能表
安全问题是至关重要的，机械上除安装平衡阀以使上下模平台任意位置均可停住，上模打开后安全锁销插入，防止上模落下外，电气硬件设计中采取以下措施：
合模设置双手按钮，防止操作工合模过程中发现骨架没放好等原因将手伸进模腔造成事故；
自动方式开模时不设置成点动方式，即设计成按开模按钮直到下模开到位后方可松手，防止点动开模钮后，工人即离开操作台到模架附近上模打开时的易伤人事故；
检测“制品”是否“顶出”的接近开关，用于检测油缸活塞
3显示扩展
PLC控制系统显示界面比较单调，一般是通过观察控制柜上的指示灯或PLC的LED灯来了解控制器状态，但对于温控系统这样的显示是不够的，需要采用数码管显示或PC显示。
采用数码管显示时，可以选用ZLG7289A芯片，它与控制器采用3线串行接口，只需要占用SLC500的3个输出点，可以驱动8个LED数码显示管，同过级联可以扩展数码显示管的数量，实现多段实时温度显示。SLC500与ZLG7289A的连接如图5所示。
图5 ZLG7289A与SLC500及显示器的接口
图5中CS为片选输入端，此脚为低电平时，可向芯片发送指令；CLK是时钟输入端；DATA是串行数据输入端，串行数据在时钟CLK的上升沿有效。8个段驱动信号SEG接每个显示器的段，8个位驱动信号DIG0～DIG7分别接显示器的共阴极公共地。
SLC500有RS232通信口，可以通过专用电缆与PC机相连。通过Rsview32软件的组态，PC机可以动态显示PLC传送的温度采集数据，还可以通过联网对多台PLC进行网络监控。
4 PLC与PC通信设计
4.1 PLC数据包的信息格式
SLC500与上位机进行数据交换是以二进制字节数据进行，它包含四种主要命：读命令，代码：01H；响应读命令，代码：41H；写命令，代码：08H；响应写命令，代码：48H。故PLC数据包的信息格式如图6所示：
图6 PLC数据包的信息格式
DST：一个字节，信息接收方的节点号或文件号；
SRC：一个字节，信息发出方的节点号；
CMD：一个字节，命令类型如01H，41H，08H或48H；
STS：一个字节，通信状态，表示通信有无错误或错误类型，0为无错误；
TNS：二个字节，信息包的业务批号，可作为本信息的识别编号；
Addata：地址/字节数/数据，具体内容由不同的命令类型决定。
PLC与PC机的数据通信采用自由端口通信模式，参数设置成为波特率9600bps，每个字符8位数据，无奇偶校验。采用主从式通信协议，PC机为主机，只有PC机有权主动发送报文，PLC则采用报文接受数据。用RSLogix500软件对SLC500的串口进行如下设置：
1）set the module for full duplex BSC（DF1 full duplex）
2）set the module for bbbbbded response
3）set detect for automatic
4）disable duplicate packet detect
5）set the baud rate for 9600.
4.2PC机程序
PC机采用VB编程，主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、温度数据库管理、参数设置以及与PLC通信等方面的设计。通信参数设置程序如下：
With MSComm 1 // 通信参数设置
CommPort＝1 // 通信口COM1
Settings＝“9600，年n，8，1”// 波特率9600 bps，无奇偶校验，8位数据，1位停止
bbbbbLen＝2 //一次读取2个字节
bbbbbMode＝comLnputModeBinary // 二进制数据格式
PortOpen＝Ture // 打开通信端口
End With
PC机采用中断方式接受SLC500传来的实时温度。即串口收到数据，VB通信控件会触发OnComm事件，在OnComm事件程序中接受数据并处理。一个温度数据为16位两个字节，SLC500传送温度数据时，按报文传送格式高低字节正好VB程序要对接收的数据进行处理，并按照SLC500温度采集的精度（1/8度）转换成温度值用于显示。
5 结束语
本系统设计使用了PLC的热电阻温度采集模块，在上位机的控制下，对工业现场的温度进行实时的采集和监控。本文作者的创新点是，采用了罗克韦尔的SLC500控制器来实现整个系统的设计，并编程实现了SLC500控制器与计算机串口的实时通信。由于PLC可以适应环境恶劣的工业现场，故其使用范围十分的广泛。
整经的目的是把卷绕在筒子上的经纱，按照工艺设计要求的根数、长度、幅度等平行地卷绕在经轴或织轴上，供浆纱或穿经工序使用。整经机有匀张力、大卷装、制动灵敏的特点。
一般整经机的电气控制要求在于：
1. 支持21寸和30寸盘头的自动识别和参数切换；
2. 盘头装卸机构自动化，夹紧装置由电机驱动，保证定转矩销紧；
3. 主电机由交流变频器――传感器组成闭环调速系统控制，以保证整经线速度的恒定；
4. 具有米/转数到自停功能；速度、米/转数等参数和密码可设定；
5. 配置加油装置，张力罗拉装置及跌落式断纱自停装置纱架型式、规格（头数）及张力器型式可按用户要求选配。
欧姆龙整体解决方案及其优势：
考虑到客户的成本，我们提供了微型PLC CPM2AH＋变频器3G3MV＋文本显示器NT11的高性价比控制方案。PLC与变频器通过RS485方式实现Modbus串行通讯；CPM2AH通过编程实现带小数点的数据运算，通过高速计数口进行脉冲计数，使控制精度有明显的tigao，织轴卷绕张力从定性控制发展到定量控制，从而自动控制内外圈张力，实现理想的内紧外松。操用简单方便的文本显示器NT11用以完成参数设置、状态显示和密码保护功能。
把安装在罗拉和电机转轴上的接近传感器接入 PLC高速计数口，分别对米数和转数进行计数，并根据以上信息计算罗拉的转速，再通过计算比较调整变频器的输出频率，保持整经速度的恒定。
PLC 的 RS-232C口接 NT11，外设口通过 CPM1A-CIF12 转为 RS485 接入3G3MV，通过 Modbus串行通讯方式，在程序中以 TXD 和 RXD 指令发送和接收变频器信息。这种方式可以支持更多台变频器的通讯。
两类盘头有各自的数学关系式，盘头类型通过传感器自动识别。
NT11 和 MPT002等其他文本显示器比较，显示面积更大，文字更清晰，带有数字键，且按键较大，很受客户认可。