一、 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
在大部分電廠主機(jī)、造紙等重要工業(yè)領(lǐng)域中，一旦在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)或生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生停機(jī)停車，需要通過(guò)DCS平臺(tái)來(lái)查找事故原因，而這些項(xiàng)目的工藝過(guò)程復(fù)雜、實(shí)時(shí)性高，一般的報(bào)警記錄及歷史趨勢(shì)已無(wú)法用來(lái)做出準(zhǔn)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(dá)到1ms。
我公司承接的內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾工業(yè)園區(qū)自備電廠脫硫DCS項(xiàng)目就明確提出了此要求。脫硫裝置在電廠中屬于輔助系統(tǒng)，但由于裝置本身也是一套龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，它的運(yùn)行穩(wěn)定情況往往會(huì)影響到鍋爐主機(jī)的正常運(yùn)行，所以在脫硫系統(tǒng)中，重要電氣設(shè)備（如增壓風(fēng)機(jī)他、漿液循環(huán)泵、石灰石制粉機(jī)等）的跳閘信號(hào)，采用1ms的事件記錄。
按以往的PCS7系統(tǒng)配置，采用冗余CPU加上ET200M分布式I/O可在操作站實(shí)現(xiàn)10ms的時(shí)間標(biāo)簽分辨率，難以滿足上述分辨率，因此在項(xiàng)目中，我們利用了PCS7強(qiáng)大的兼容性，除了采用西門(mén)子A&D的產(chǎn)品外，結(jié)合了SIEMENS PTD和I&S集團(tuán)的相關(guān)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了上述要求。
二、 系統(tǒng)構(gòu)成
項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如下。
圖1 項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
除了項(xiàng)目中本來(lái)用到的PCS7軟硬件外需如下部件用于實(shí)現(xiàn)SOE。
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序號(hào) |
名稱 |
訂貨號(hào) |
數(shù)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(shù)量根據(jù)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(jù)需要選用 |
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表1 訂貨清單
AS414-3，首先要采用一臺(tái)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(kāi)關(guān)量輸入卡）。MCP時(shí)鐘同步卡，用于接收外部時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)同步SICAM DI卡及CPU。可通過(guò)端子與DCF77接收器相連。SICAM DI開(kāi)關(guān)量輸入卡，用于數(shù)字量采集，分辨率為1ms，內(nèi)部存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)200條事件記錄。同時(shí)，采用48針前端連接器用于連接信號(hào)電纜。
SICLOCK TM中央時(shí)鐘，見(jiàn)圖2。接收GPSDEC來(lái)的衛(wèi)星時(shí)鐘解碼信號(hào)（DCF without ZZB），提供多路多種形式的精確時(shí)鐘，我們用它為MCP提供時(shí)間源，同時(shí)可通過(guò)其本身自帶的以太網(wǎng)口接入DCS系統(tǒng)的SYSTEM BUS，為其他AS、OS提供時(shí)鐘。當(dāng)外部GPS信號(hào)故障時(shí)，其本身也可提供高精度的時(shí)鐘。
圖2 SICLOCK TM中央時(shí)鐘
SICLOCK GPSDEC ，GPS解碼器，見(jiàn)圖3。這個(gè)產(chǎn)品是可選的，當(dāng)SOE的時(shí)間標(biāo)簽要完全和GPS衛(wèi)星時(shí)間一致時(shí)選擇。GPSDEC訂貨包其中包括GPS信號(hào)天線、電源和解碼器，以及相關(guān)輔件。
圖3 GPS解碼器組件
除了上述硬件外，還需要SICAM plusTOOLS組態(tài)軟件（需授權(quán)），用于組態(tài)MCP卡和SICAM DI卡；還有SOE FUNCTION BLOCK功能軟件，用于CFC組態(tài)，生成報(bào)警信息，編譯到WinCC報(bào)警信息庫(kù)。
三、 功能實(shí)現(xiàn)
有了以上的產(chǎn)品后，我們單獨(dú)為SOE系統(tǒng)設(shè)立了一面機(jī)柜，把所有這些相關(guān)設(shè)備集成在一起，基本沒(méi)有特殊的要求，只要考慮好安裝位置、供電、散熱和進(jìn)出線的方便即可。按照下圖，連接以上設(shè)備。同時(shí)在PCS7平臺(tái)之上加裝SICAM plusTOOLS軟件和SOE FUNCTION BLOCK功能軟件。
圖4 系統(tǒng)連接
1. GPS DEC安裝調(diào)試
天線包含在SICLOCK GPSDEC訂貨組件中，天線要安裝在室外開(kāi)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(wèi)星信號(hào)，同時(shí)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(guò)PC串口 對(duì)GPSDEC進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。運(yùn)行安裝軟盤(pán)中自解壓文件“GPSDEC_ConfigurationTool_SelfExtracted.exe”，生成文件夾“GPSDEC”，運(yùn)行其中的“gpsdec.exe”，即可對(duì)GPSDEC進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如下圖所示。
圖6 GPSDEC設(shè)置
2. SICLOCK TM的安裝調(diào)試
按下表，在其液晶面板上做如下參數(shù)設(shè)置。
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參數(shù)號(hào) |
參數(shù)菜單 |
參數(shù)名稱 |
參數(shù)值 |
備注 |
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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 |
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231 |
4B(Input E1) |
E1 active/pass. |
TTY active |
|
|
240 |
5A(Output A1/A2) |
A1 type |
pulse |
|
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241 |
5A(Output A1/A2) |
A1 type→A1 pulse type |
DCF |
|
|
242 |
5A(Output A1/A2) |
A1 type→→A1 inversion |
on |
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247 |
5A(Output A1/A2) |
A1 type→→→A1 interface |
level |
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320 |
5E(Level) |
Output Level |
7.0 |
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表2 SICLOCK TM參數(shù)設(shè)置
在本項(xiàng)目中，除了SOE系統(tǒng)外，還有其他AS站以及操作員站、工程師站，為了能以SICLOCK TM時(shí)間為基準(zhǔn)，把它們的時(shí)鐘都同步起來(lái)，我們可以利用SICLOCK TM的以太網(wǎng)同步功能，通過(guò)雙絞線連接其X6(RJ-45)接口或X5(ITP)接口到PCS7的系統(tǒng)總線，可以通過(guò)設(shè)置讓所有站都同步起來(lái)。
SICLOCK TM還要做如下設(shè)置。
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參數(shù)號(hào) |
參數(shù)菜單 |
參數(shù)名稱 |
參數(shù)值 |
備注 |
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338 |
6A(LAN general) |
LAN enable |
on |
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339 |
6A(LAN general) |
LAN enable→LAN phys.layer |
Twisted pair |
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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(shù)設(shè)置－LAN
通電后，十秒鐘左右，SICLOCK TM完成啟動(dòng)，我們可以在1A菜單中查看主要數(shù)據(jù)。如下圖所示。
圖7 SICLOCK TM 菜單1A
相關(guān)參數(shù)可以在1A、1B、1C、1D、1E、1F菜單中查看到，不一一贅述。
3. 組態(tài)
完成以上硬件連接和設(shè)置，即可打開(kāi)SIMATIC MANAGER進(jìn)行硬件組態(tài)。按照?qǐng)D11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(tài)
這里值得注意的是：MCP卡在第一次使用時(shí)必須進(jìn)行firmware下載，通過(guò)以太網(wǎng)無(wú)法下載，必須通過(guò)MPI/DP口，且必須嚴(yán)格遵循以下順序：①下載項(xiàng)目硬件組態(tài)到CPU來(lái)建立CPU和MCP之間的連接（下文會(huì)講到）。②下載MCP firmware。③切換CPU開(kāi)關(guān)到“STOP”再到“RUN”。這其中，下載MCP firmware步驟又分為：①?gòu)?fù)位MCP卡面板上的“reset”鍵，快速地按三次，每次間隔1秒鐘，當(dāng)“LOAD”指示燈等以0.5Hz頻率閃爍時(shí)，表示“等待開(kāi)始下載”，②在硬件組態(tài)MCP屬性里，點(diǎn)擊“Download firmware”按鈕，③在下載firmware的過(guò)程中，“LOAD”指示燈以2Hz頻率閃爍，表示“正在接收數(shù)據(jù)”，④下載完成后，“LOAD”指示燈以5Hz頻率閃爍。
然后再打開(kāi)Netpro，在CPU和MCP間建立一個(gè)“S7 connection”，接口選擇“PLC internal”。
除了以上硬件組態(tài)外，還要組態(tài)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(tài)。
完成了硬件組態(tài)，然后進(jìn)行軟件組態(tài)。打開(kāi)一個(gè)CFC Chart，從“SOE_DRV”目錄中拖入FB657 MCP_ACT，輸入?yún)?shù)設(shè)置如下：
圖9 CFC組態(tài)
LADDR：8189。8189為MCP的硬件起始地址。CPU_ID和MCP_ID為16#1和16#30001，來(lái)自MCP硬件組態(tài)時(shí)系統(tǒng)分配的ID，可以從MCP的硬件屬性中獲得。
然后，再?gòu)摹癝OE_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(kāi)DI32_DRV屬性對(duì)話框，點(diǎn)擊“Message…”按鈕，彈出如下對(duì)話框。
圖10 編輯MESSAGE內(nèi)容和區(qū)域
在對(duì)話框中可以更改報(bào)警文本的OS area和Event中的報(bào)警信息內(nèi)容。
完成以上組態(tài)后，編譯上傳到WinCC，在WinCC畫(huà)面中添加一個(gè)報(bào)警控件“WinCC Alarm Control”，在屬性對(duì)話框Message lists選項(xiàng)卡中，篩選“Area”的文本內(nèi)容為“SOESOESOE”（和上文中的設(shè)置匹配）。如下圖所示。
圖11 WinCC Alarm Control中的設(shè)置
完成以上硬件部分和軟件部分的組態(tài)后，完成各個(gè)站的編譯下載并運(yùn)行。注意，由于SICLOCK TM在系統(tǒng)總線上做主時(shí)鐘，所以在ES和OS站的WinCC同步設(shè)置中都要選擇“Synchronization via System Bus”，且都為“Slave”。
四、 功能測(cè)試
在ES和OS站上運(yùn)行WinCC Runtime，觀察MCP卡、SOE站CPU的時(shí)間、其他AS站CPU的時(shí)間以及ES和OS站的時(shí)間，應(yīng)該看到它們和SICLOCK TM的時(shí)間是同步的，不同的是MCP卡、SOE站CPU的時(shí)間、其他AS站CPU的時(shí)間為GMT 0時(shí)區(qū)的時(shí)間，和SICLOCK TM一致，而ES和OS站為北京時(shí)間。修改任何一處時(shí)間，都會(huì)很快被SICLOCK TM校正。
測(cè)試分辨率達(dá)到1ms，我們拿SICAM DI卡上的第二和第一通道做試驗(yàn)，按二到一的順序依次快速（間隔小于等于1ms）地加上24VDC信號(hào)，模擬出兩個(gè)間隔小于等于1ms的DI信號(hào)，我們可以在WinCC上的報(bào)警框中看到下圖所示。
圖12 SOE分辨率1ms
我們可以看到組態(tài)好的報(bào)警畫(huà)面中有兩條報(bào)警事件，分別是“Signal_2 Status:[ 0]”和“Signal_1 Status:[ 0]”，根據(jù)CFC中組態(tài)DI32_DRV塊時(shí)定義的報(bào)警事件內(nèi)容可知，它們分別對(duì)應(yīng)SICAM DI卡的第二和第一通道，它們的報(bào)警時(shí)間分別為“14:42:37.776”和“14:42:37.777”，時(shí)間分辨率達(dá)到1ms。
五、 應(yīng)用體會(huì)
總體來(lái)說(shuō)，目前在PCS7中，SOE 1ms分辨率的實(shí)現(xiàn)比其他一些廠家的DCS系統(tǒng)繁瑣，但在應(yīng)用過(guò)程中只要弄清原理，嚴(yán)格按照要求和應(yīng)有的步驟設(shè)計(jì)、接線、組態(tài)、調(diào)試，SOE 1ms分辨率的功能還是很容易實(shí)現(xiàn)的。
通過(guò)在內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾工業(yè)園區(qū)自備電廠脫硫DCS項(xiàng)目中的應(yīng)用，SOE 1ms的功能也得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證，為最終用戶的生產(chǎn)和事故分析帶來(lái)了很多方便，這也再一次讓我們體會(huì)到了PCS7及西門(mén)子自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品的博大精深。
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