一、 項目簡介
在大部分電廠主機、造紙等重要工業領域中，一旦在系統聯調或生產運行過程中發生停機停車，需要通過DCS平臺來查找事故原因，而這些項目的工藝過程復雜、實時性高，一般的報警記錄及歷史趨勢已無法用來做出準確的事故分析，事件順序記錄（Sequence Of Event）成為DCS的必需功能，且分辨率一般要求達到1ms。
我公司承接的內蒙古準格爾工業園區自備電廠脫硫DCS項目就明確提出了此要求。脫硫裝置在電廠中屬于輔助系統，但由于裝置本身也是一套龐大復雜的系統，它的運行穩定情況往往會影響到鍋爐主機的正常運行，所以在脫硫系統中，重要電氣設備（如增壓風機他、漿液循環泵、石灰石制粉機等）的跳閘信號，采用1ms的事件記錄。
按以往的PCS7系統配置，采用冗余CPU加上ET200M分布式I/O可在操作站實現10ms的時間標簽分辨率，難以滿足上述分辨率，因此在項目中，我們利用了PCS7強大的兼容性，除了采用西門子A&D的產品外，結合了SIEMENS PTD和I&S集團的相關產品，實現了上述要求。
二、 系統構成
項目網絡結構圖如下。
圖1 項目網絡結構圖
除了項目中本來用到的PCS7軟硬件外需如下部件用于實現SOE。
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序號 |
名稱 |
訂貨號 |
數量 |
備注 |
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1 |
AS414-3 |
6ES7654-2BA32-0XX0 |
1 |
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2 |
CP443-1 |
6GK7443-1EX11-0XE0 |
1 |
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3 |
MCP |
6MD1010-0BA00 /cc |
1 |
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4 |
SICAM DI |
6MD1021-0AA00 |
2 |
32通道，數量根據需要 |
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5 |
Front Connector, 48pin |
6ES7492-1AL00-0AA0 |
2 |
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6 |
SOE Function Block |
6AT4813-0CB05-0YA0 |
1 |
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7 |
SICAM plusTOOLS |
6MD5142-0AA00-5AA1 |
1 |
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8 |
SICLOCK TM |
2XV9450-1AR22 |
1 |
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9 |
SICLOCK GPSDEC |
2XV9450-1AR00 |
1 |
根據需要選用 |
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表1 訂貨清單
AS414-3，首先要采用一臺非冗余的S7 400 的AS站，槽位最好選18槽的，以便可以插更多的SICAM DI卡（開關量輸入卡）。MCP時鐘同步卡，用于接收外部時鐘信號，同時同步SICAM DI卡及CPU。可通過端子與DCF77接收器相連。SICAM DI開關量輸入卡，用于數字量采集，分辨率為1ms，內部存儲器可存儲200條事件記錄。同時，采用48針前端連接器用于連接信號電纜。
SICLOCK TM中央時鐘，見圖2。接收GPSDEC來的衛星時鐘解碼信號（DCF without ZZB），提供多路多種形式的精確時鐘，我們用它為MCP提供時間源，同時可通過其本身自帶的以太網口接入DCS系統的SYSTEM BUS，為其他AS、OS提供時鐘。當外部GPS信號故障時，其本身也可提供高精度的時鐘。
圖2 SICLOCK TM中央時鐘
SICLOCK GPSDEC ，GPS解碼器，見圖3。這個產品是可選的，當SOE的時間標簽要完全和GPS衛星時間一致時選擇。GPSDEC訂貨包其中包括GPS信號天線、電源和解碼器，以及相關輔件。
圖3 GPS解碼器組件
除了上述硬件外，還需要SICAM plusTOOLS組態軟件（需授權），用于組態MCP卡和SICAM DI卡；還有SOE FUNCTION BLOCK功能軟件，用于CFC組態，生成報警信息，編譯到WinCC報警信息庫。
三、 功能實現
有了以上的產品后，我們單獨為SOE系統設立了一面機柜，把所有這些相關設備集成在一起，基本沒有特殊的要求，只要考慮好安裝位置、供電、散熱和進出線的方便即可。按照下圖，連接以上設備。同時在PCS7平臺之上加裝SICAM plusTOOLS軟件和SOE FUNCTION BLOCK功能軟件。
圖4 系統連接
1. GPS DEC安裝調試
天線包含在SICLOCK GPSDEC訂貨組件中，天線要安裝在室外開闊的地方（如平坦的房頂、建筑物的正面等），確保充分接收到衛星信號，同時還要考慮到防雷擊。注意：不管是水平安裝還是垂直安裝，天線頭始終要保持垂直，如圖5所示。
圖5 GPS DEC天線安裝圖
可通過PC串口 對GPSDEC進行參數設置。運行安裝軟盤中自解壓文件“GPSDEC_ConfigurationTool_SelfExtracted.exe”，生成文件夾“GPSDEC”，運行其中的“gpsdec.exe”，即可對GPSDEC進行參數設置，如下圖所示。
圖6 GPSDEC設置
2. SICLOCK TM的安裝調試
按下表，在其液晶面板上做如下參數設置。
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參數號 |
參數菜單 |
參數名稱 |
參數值 |
備注 |
|
203 |
2A(Time & Date) |
Set time→GMT offset |
00:00 |
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202 |
2B(DayLight ST) |
switch |
none |
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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 |
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表2 SICLOCK TM參數設置
在本項目中，除了SOE系統外，還有其他AS站以及操作員站、工程師站，為了能以SICLOCK TM時間為基準，把它們的時鐘都同步起來，我們可以利用SICLOCK TM的以太網同步功能，通過雙絞線連接其X6(RJ-45)接口或X5(ITP)接口到PCS7的系統總線，可以通過設置讓所有站都同步起來。
SICLOCK TM還要做如下設置。
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參數號 |
參數菜單 |
參數名稱 |
參數值 |
備注 |
|
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 |
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350 |
6B(LAN 1-5) |
addr.1 protocol |
Layer 2-S5 |
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351 |
6B(LAN 1-5) |
addr.1 protocol→addr. 1 transmit |
every 10 sec. |
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|
352 |
6B(LAN 1-5) |
addr.1 protocol→→addr. 1 def. |
broadcast |
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表3 SICLOCK TM參數設置－LAN
通電后，十秒鐘左右，SICLOCK TM完成啟動，我們可以在1A菜單中查看主要數據。如下圖所示。
圖7 SICLOCK TM 菜單1A
相關參數可以在1A、1B、1C、1D、1E、1F菜單中查看到，不一一贅述。
3. 組態
完成以上硬件連接和設置，即可打開SIMATIC MANAGER進行硬件組態。按照圖11中SOE站，分別插入PS、CPU、MCP、SICAM DI和CP443-1。注意MCP要選擇“MCP TS-400”下的“MCP TS”。如下圖所示。
圖8 硬件組態
這里值得注意的是：MCP卡在第一次使用時必須進行firmware下載，通過以太網無法下載，必須通過MPI/DP口，且必須嚴格遵循以下順序：①下載項目硬件組態到CPU來建立CPU和MCP之間的連接（下文會講到）。②下載MCP firmware。③切換CPU開關到“STOP”再到“RUN”。這其中，下載MCP firmware步驟又分為：①復位MCP卡面板上的“reset”鍵，快速地按三次，每次間隔1秒鐘，當“LOAD”指示燈等以0.5Hz頻率閃爍時，表示“等待開始下載”，②在硬件組態MCP屬性里，點擊“Download firmware”按鈕，③在下載firmware的過程中，“LOAD”指示燈以2Hz頻率閃爍，表示“正在接收數據”，④下載完成后，“LOAD”指示燈以5Hz頻率閃爍。
然后再打開Netpro，在CPU和MCP間建立一個“S7 connection”，接口選擇“PLC internal”。
除了以上硬件組態外，還要組態工程師站和操作員站，在此就不再贅述。這樣即完成了硬件組態。
完成了硬件組態，然后進行軟件組態。打開一個CFC Chart，從“SOE_DRV”目錄中拖入FB657 MCP_ACT，輸入參數設置如下：
圖9 CFC組態
LADDR：8189。8189為MCP的硬件起始地址。CPU_ID和MCP_ID為16#1和16#30001，來自MCP硬件組態時系統分配的ID，可以從MCP的硬件屬性中獲得。
然后，再從“SOE_DRV”目錄中拖入FB656 DI32_DRV，分別連接MCP_ACT的輸出管腳“GS”、“SET_TIME”到DI32_DRV的輸入管腳“GS”、“SET_TIME”。
打開DI32_DRV屬性對話框，點擊“Message…”按鈕，彈出如下對話框。
圖10 編輯MESSAGE內容和區域
在對話框中可以更改報警文本的OS area和Event中的報警信息內容。
完成以上組態后，編譯上傳到WinCC，在WinCC畫面中添加一個報警控件“WinCC Alarm Control”，在屬性對話框Message lists選項卡中，篩選“Area”的文本內容為“SOESOESOE”（和上文中的設置匹配）。如下圖所示。
圖11 WinCC Alarm Control中的設置
完成以上硬件部分和軟件部分的組態后，完成各個站的編譯下載并運行。注意，由于SICLOCK TM在系統總線上做主時鐘，所以在ES和OS站的WinCC同步設置中都要選擇“Synchronization via System Bus”，且都為“Slave”。
四、 功能測試
在ES和OS站上運行WinCC Runtime，觀察MCP卡、SOE站CPU的時間、其他AS站CPU的時間以及ES和OS站的時間，應該看到它們和SICLOCK TM的時間是同步的，不同的是MCP卡、SOE站CPU的時間、其他AS站CPU的時間為GMT 0時區的時間，和SICLOCK TM一致，而ES和OS站為北京時間。修改任何一處時間，都會很快被SICLOCK TM校正。
測試分辨率達到1ms，我們拿SICAM DI卡上的第二和第一通道做試驗，按二到一的順序依次快速（間隔小于等于1ms）地加上24VDC信號，模擬出兩個間隔小于等于1ms的DI信號，我們可以在WinCC上的報警框中看到下圖所示。
圖12 SOE分辨率1ms
我們可以看到組態好的報警畫面中有兩條報警事件，分別是“Signal_2 Status:[ 0]”和“Signal_1 Status:[ 0]”，根據CFC中組態DI32_DRV塊時定義的報警事件內容可知，它們分別對應SICAM DI卡的第二和第一通道，它們的報警時間分別為“14:42:37.776”和“14:42:37.777”，時間分辨率達到1ms。
五、 應用體會
總體來說，目前在PCS7中，SOE 1ms分辨率的實現比其他一些廠家的DCS系統繁瑣，但在應用過程中只要弄清原理，嚴格按照要求和應有的步驟設計、接線、組態、調試，SOE 1ms分辨率的功能還是很容易實現的。
通過在內蒙古準格爾工業園區自備電廠脫硫DCS項目中的應用，SOE 1ms的功能也得到了進一步的驗證，為最終用戶的生產和事故分析帶來了很多方便，這也再一次讓我們體會到了PCS7及西門子自動化系統產品的博大精深。
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