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事件顺序记录(SOE)1ms在PCS7中的实现

(公司名称: 上海 上海西门子工业自动化有限公司)  
 摘要:在工业过程控制领域,诸多过程控制对实时性的要求很高,如发电、造纸等,在系统联调或生产运行过程中一旦出现设备跳闸或系统停机,需要控制系统具备追溯性,事件顺序记录(SOE)成为必不可少的功能,尤其是分辨率要求达到1ms的情况下如何用PCS7系统来实现,本文将就此问题结合应用详细阐述。
关键词:事件顺序记录(SOE)、分辨率1ms、PCS7过程控制系统

一、          项目简介
在大部分电厂主机、造纸等重要工业领域中,一旦在系统联调或生产运行过程中发生停机停车,需要通过DCS平台来查找事故原因,而这些项目的工艺过程复杂、实时性高,一般的报警记录及历史趋势已无法用来做出准确的事故分析,事件顺序记录(Sequence Of Event)成为DCS的必需功能,且分辨率一般要求达到1ms。

我公司承接的内蒙古准格尔工业园区自备电厂脱硫DCS项目就明确提出了此要求。脱硫装置在电厂中属于辅助系统,但由于装置本身也是一套庞大复杂的系统,它的运行稳定情况往往会影响到锅炉主机的正常运行,所以在脱硫系统中,重要电气设备(如增压风机他、浆液循环泵、石灰石制粉机等)的跳闸信号,采用1ms的事件记录。

按以往的PCS7系统配置,采用冗余CPU加上ET200M分布式I/O可在操作站实现10ms的时间标签分辨率,难以满足上述分辨率,因此在项目中,我们利用了PCS7强大的兼容性,除了采用西门子A&D的产品外,结合了SIEMENS PTD和I&S集团的相关产品,实现了上述要求。

二、          系统构成
项目网络结构图如下。


除了项目中本来用到的PCS7软硬件外需如下部件用于实现SOE。

序号

名称

订货号

数量

备注

1

AS414-3

6ES7654-2BA32-0XX0

1

2

CP443-1

6GK7443-1EX11-0XE0

1

3

MCP

6MD1010-0BA00 /cc

1

4

SICAM DI

6MD1021-0AA00

2

32通道,数量根据需要

5

Front Connector, 48pin

6ES7492-1AL00-0AA0

2

6

SOE Function Block

6AT4813-0CB05-0YA0

1

7

SICAM plusTOOLS

6MD5142-0AA00-5AA1

1

8

SICLOCK TM

2XV9450-1AR22

1

根据需要选用

9

SICLOCK GPSDEC

2XV9450-1AR00

1

AS414-3,首先要采用一台非冗余的S7 400 的AS站,槽位最好选18槽的,以便可以插更多的SICAM DI卡(开关量输入卡)。MCP时钟同步卡,用于接收外部时钟信号,同时同步SICAM DI卡及CPU。可通过端子与DCF77接收器相连。SICAM DI开关量输入卡,用于数字量采集,分辨率为1ms,内部存储器可存储200条事件记录。同时,采用48针前端连接器用于连接信号电缆。
SICLOCK TM中央时钟,见图2。接收GPSDEC来的卫星时钟解码信号(DCF without ZZB),提供多路多种形式的精确时钟,我们用它为MCP提供时间源,同时可通过其本身自带的以太网口接入DCS系统的SYSTEM BUS,为其他AS、OS提供时钟。当外部GPS信号故障时,其本身也可提供高精度的时钟。


SICLOCK GPSDEC ,GPS解码器,见图3。这个产品是可选的,当SOE的时间标签要完全和GPS卫星时间一致时选择。GPSDEC订货包其中包括GPS信号天线、电源和解码器,以及相关辅件。


除了上述硬件外,还需要SICAM plusTOOLS组态软件(需授权),用于组态MCP卡和SICAM DI卡;还有SOE FUNCTION BLOCK功能软件,用于CFC组态,生成报警信息,编译到WinCC报警信息库。

三、          功能实现
有了以上的产品后,我们单独为SOE系统设立了一面机柜,把所有这些相关设备集成在一起,基本没有特殊的要求,只要考虑好安装位置、供电、散热和进出线的方便即可。按照下图,连接以上设备。同时在PCS7平台之上加装SICAM plusTOOLS软件和SOE FUNCTION BLOCK功能软件。


1.             GPS DEC安装调试
天线包含在SICLOCK GPSDEC订货组件中,天线要安装在室外开阔的地方(如平坦的房顶、建筑物的正面等),确保充分接收到卫星信号,同时还要考虑到防雷击。注意:不管是水平安装还是垂直安装,天线头始终要保持垂直,如图5所示。


可通过PC串口 对GPSDEC进行参数设置。运行安装软盘中自解压文件“GPSDEC_ConfigurationTool_SelfExtracted.exe”,生成文件夹“GPSDEC”,运行其中的“gpsdec.exe”,即可对GPSDEC进行参数设置,如下图所示。


2.             SICLOCK TM的安装调试
按下表,在其液晶面板上做如下参数设置。

参数号

参数菜单

参数名称

参数值

备注

203

2A(Time & Date)

Set time→GMT offset

00:00

202

2B(DayLight ST)

switch

none

230

4A(Input mode)

Input type

DCF

231

4B(Input E1)

E1 active/pass.

TTY active

240

5A(Output A1/A2)

A1 type

pulse

241

5A(Output A1/A2)

A1 type→A1 pulse type

DCF

242

5A(Output A1/A2)

A1 type→→A1 inversion

on

247

5A(Output A1/A2)

A1 type→→→A1 interface

level

320

5E(Level)

Output Level

7.0

在本项目中,除了SOE系统外,还有其他AS站以及操作员站、工程师站,为了能以SICLOCK TM时间为基准,把它们的时钟都同步起来,我们可以利用SICLOCK TM的以太网同步功能,通过双绞线连接其X6(RJ-45)接口或X5(ITP)接口到PCS7的系统总线,可以通过设置让所有站都同步起来。
SICLOCK TM还要做如下设置。

参数号

参数菜单

参数名称

参数值

备注

338

6A(LAN general)

LAN enable

on

339

6A(LAN general)

LAN enable→LAN phys.layer

Twisted pair

340

6A(LAN general)

LAN enable→→twisted pair)

RJ45

350

6B(LAN 1-5)

addr.1 protocol

Layer 2-S5

351

6B(LAN 1-5)

addr.1 protocol→addr. 1 transmit

every 10 sec.

352

6B(LAN 1-5)

addr.1 protocol→→addr. 1 def.

broadcast

通电后,十秒钟左右,SICLOCK TM完成启动,我们可以在1A菜单中查看主要数据。如下图所示。


相关参数可以在1A、1B、1C、1D、1E、1F菜单中查看到,不一一赘述。

3.             组态
完成以上硬件连接和设置,即可打开SIMATIC MANAGER进行硬件组态。按照图11中SOE站,分别插入PS、CPU、MCP、SICAM DI和CP443-1。注意MCP要选择“MCP TS-400”下的“MCP TS”。如下图所示。


这里值得注意的是:MCP卡在第一次使用时必须进行firmware下载,通过以太网无法下载,必须通过MPI/DP口,且必须严格遵循以下顺序:①下载项目硬件组态到CPU来建立CPU和MCP之间的连接(下文会讲到)。②下载MCP firmware。③切换CPU开关到“STOP”再到“RUN”。这其中,下载MCP firmware步骤又分为:①复位MCP卡面板上的“reset”键,快速地按三次,每次间隔1秒钟,当“LOAD”指示灯等以0.5Hz频率闪烁时,表示“等待开始下载”,②在硬件组态MCP属性里,点击“Download firmware”按钮,③在下载firmware的过程中,“LOAD”指示灯以2Hz频率闪烁,表示“正在接收数据”,④下载完成后,“LOAD”指示灯以5Hz频率闪烁。
然后再打开Netpro,在CPU和MCP间建立一个“S7 connection”,接口选择“PLC internal”。
除了以上硬件组态外,还要组态工程师站和操作员站,在此就不再赘述。这样即完成了硬件组态。
完成了硬件组态,然后进行软件组态。打开一个CFC Chart,从“SOE_DRV”目录中拖入FB657 MCP_ACT,输入参数设置如下:


LADDR:8189。8189为MCP的硬件起始地址。CPU_ID和MCP_ID为16#1和16#30001,来自MCP硬件组态时系统分配的ID,可以从MCP的硬件属性中获得。
然后,再从“SOE_DRV”目录中拖入FB656 DI32_DRV,分别连接MCP_ACT的输出管脚“GS”、“SET_TIME”到DI32_DRV的输入管脚“GS”、“SET_TIME”。
打开DI32_DRV属性对话框,点击“Message…”按钮,弹出如下对话框。


在对话框中可以更改报警文本的OS area和Event中的报警信息内容。
完成以上组态后,编译上传到WinCC,在WinCC画面中添加一个报警控件“WinCC Alarm Control”,在属性对话框Message lists选项卡中,筛选“Area”的文本内容为“SOESOESOE”(和上文中的设置匹配)。如下图所示。


完成以上硬件部分和软件部分的组态后,完成各个站的编译下载并运行。注意,由于SICLOCK TM在系统总线上做主时钟,所以在ES和OS站的WinCC同步设置中都要选择“Synchronization via System Bus”,且都为“Slave”。

四、          功能测试
在ES和OS站上运行WinCC Runtime,观察MCP卡、SOE站CPU的时间、其他AS站CPU的时间以及ES和OS站的时间,应该看到它们和SICLOCK TM的时间是同步的,不同的是MCP卡、SOE站CPU的时间、其他AS站CPU的时间为GMT 0时区的时间,和SICLOCK TM一致,而ES和OS站为北京时间。修改任何一处时间,都会很快被SICLOCK TM校正。

测试分辨率达到1ms,我们拿SICAM DI卡上的第二和第一通道做试验,按二到一的顺序依次快速(间隔小于等于1ms)地加上24VDC信号,模拟出两个间隔小于等于1ms的DI信号,我们可以在WinCC上的报警框中看到下图所示。


我们可以看到组态好的报警画面中有两条报警事件,分别是“Signal_2 Status:[  0]”和“Signal_1 Status:[  0]”,根据CFC中组态DI32_DRV块时定义的报警事件内容可知,它们分别对应SICAM DI卡的第二和第一通道,它们的报警时间分别为“14:42:37.776”和“14:42:37.777”,时间分辨率达到1ms。

五、          应用体会
总体来说,目前在PCS7中,SOE 1ms分辨率的实现比其他一些厂家的DCS系统繁琐,但在应用过程中只要弄清原理,严格按照要求和应有的步骤设计、接线、组态、调试,SOE 1ms分辨率的功能还是很容易实现的。

通过在内蒙古准格尔工业园区自备电厂脱硫DCS项目中的应用,SOE 1ms的功能也得到了进一步的验证,为最终用户的生产和事故分析带来了很多方便,这也再一次让我们体会到了PCS7及西门子自动化系统产品的博大精深。