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。
图1 项目网络结构图
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。
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序号 |
名称 |
订货号 |
数量 |
备注 |
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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，数量根据需要 |
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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 |
根据需要选用 |
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表1 订货清单
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。
图2 SICLOCK TM中央时钟
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。
图3 GPS解码器组件
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。
图4 系统连接
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。
图5 GPS DEC天线安装图
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。
图6 GPSDEC设置
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。
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参数号 |
参数菜单 |
参数名称 |
参数值 |
备注 |
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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 |
|
|
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参数设置
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。
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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 |
|
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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参数设置－LAN
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。
图7 SICLOCK TM 菜单1A
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。
图8 硬件组态
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：
图9 CFC组态
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。
图10 编辑MESSAGE内容和区域
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。
图11 WinCC Alarm Control中的设置
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。
图12 SOE分辨率1ms
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。
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