浅谈基于S7-400HF的螺杆压缩机故障安全型系统

1系统概述

某化工厂新增解吸气螺杆压缩机两台,就其控制系统提出严格的安全要求,且需要满足SI12的要求,在收到用户要求之后,查阅了西门子手册及产品信息,CPU选择414-5H,带F许可证,4MB的RAM存储卡:光纤电缆及同步模块:PS40510A冗余电源:S7-400缓冲电池:IM153-2HF:模拟量输入SM336,模拟量输出SM332:数字量输入SM326,数字量输出SM322:CP341RS422/485:MoDBUSMASTERV3.1:MoDBUSSLAVEV3.1:SIToPPSU820020A:SIToPPSE202U冗余模块输入/输出:通信处理器CP1623。软件方面,由于成本方面考虑,没有采用集成度更高的PCS7,而是常规的STEP7V5.5SP3:HARDNET-IES7REDCoNNECTV14:wINCC7.2ASIARC版2048:CFCV8.2:FSYSTEMV6.2:冗余CPU用TCP/IP与上位机上的CP1623进行冗余通信,CPU与IM153-2之间通过DP通信组成网络架构。

图1是一个简单的CFC安全逻辑举例。

2CFC编程时如何自动生成相应的错误处理OB

需要注意的是,STEP7V5.5由于没有PCS7那么集成化,所以有一些地方需要自己设置,如:自动生成相应的错误处理OB块,在PCS7中是自动生成的,但是在STEP7中,使用CFC编程安全程序时,通过编译CFC系统将自动生成所需的程序代码。为了防止CPU故障情况下停机,则需要手动在BlockS文件夹中添加错误处理OB(如OB86等),但重新编译CFC后,这些手动添加的OB则会被系统删除。通过以下设置可以让系统自动生成这些错误处理的OB:

(1)打开项目,在BlockS文件夹中右键插入一个FB:

(2)定义FB块的块号及符号名,避免和项目中实际使用的FB冲突:

(3)切换到属性页面,加入属性S7taSkliSt属性,值(Value)设置为OB80、OB8l、OB82、OB83、OB84、OB85、OB86、OB88、OB121、OB122,各OB之间通过逗号隔开(注意标点符号不能使用中文的全角标点符号),点击"确定"关闭功能块的属性定义对话框:

(4)双击打开该功能块,任意定义一个输入管脚:

(5)任意打开一个CFC,并在CFC中调用该功能块即可:

(6)编译CFC后,系统将会根据上述定义自动生成相应的错误处理OB,防止相应错误发生时CPU停机。

3安全系统的硬件组态

与标准的控制系统相比,安全系统在硬件组态时需要注意以下几点:

(1)必须正确安装FSySTEM软件才可以组态安全系统。

(2)调整CPU参数,在CPU属性的"保护"标签页里设置口令保护密码,并激活"CPU中包含安全程序",安全程序要放在OB3x循环中断里,在本项目中放在OB35里,OB34里处理非安全程序,为了保证安全程序总是能够优先处理,需要将它的优先级设置大于15。在CPU属性的"循环中断"标签页里,本项目将OB35的优先级设置为16,并将过程映像区设置为PIP1。由于本项目是冗余CPU,为了在CPU同步过程中使OB35里的安全程序总能得到优先处理,在CPU的H参数里,要把特殊处理的周期性中断设置为"35"。

(3)在插入I/0模块后,其属性页面的地址标签页中,输入/输出的开始位必须要相同,过程映像也必须与之前设置CPU中的相同,本项目为PIP1。

图2为现场硬件柜内布置图。

图2柜内布置图

在参数标签页下,选择模式为"安全模式",单击"Fparame-terS",需要记录下FTarSetaggreSS,它与F卡件背后dIP开关地址对应,接下来,激活相对应的功能,本项目要求SID2等级,所以激活了诊断中断"dLaSioStLcLiterrupt"和组诊断"GroupdLaSioStLcS",这样在模块有故障时,能在卡上报红色SF灯,且CPU里的硬件在线后能得到故障信息,EvaluatLoioftheSeiSorS参数1oo1即可。FdI模块的参数略有不同,"模块供电"参数要根据具体的接线来确定,如果不需要模块上的VS端供24VdC,那么取消"SeiSorSupplyvLamogule"。

4安全系统的软件编程(CFC)

在STEP7中需要用到CFC来对安全程序进行编程,首先我们需要对CFC进行全局设置,打开一个CFC,在选项一自定义一编译/下载中,需要设置OB运行组数量的阈值,每个OB里运行组的数量超限后会生成警告,系统默认设置为50,本项目修改为250,在保留给用户使用的FC起始编号设置为0,具体的dB和FC编号区间要考虑实际需要,这个区间是我们手动生成的FC程序和dB块的范围,CFC编译时生成的dB和FC不会占用这个区间。

完成上述这些步骤以后,我们就可以开始编程了,首先安全系统不存在模拟量输出模块,这个是一个共识,所有的控制系统厂家都是一致的,其次我们可以在常规的FB块里按照标准系统写一些PId控制、M0dBUS通信的程序,再在CFC中调用即可,但安全模块不能这么操作。至于安全程序,简单来说,它分为很多安全功能块,如"FCHdI"这个是数字量输入读取的功能块,以此类推还有"FCHd0"和"FCHAI"。每个功能模块都有该模块上各个引脚的说明,以AI模块为例,"VHRANGE、VDRANGE"是量程的上下限设置,"SIM0N"是激活仿真,"SUBS0N"是否激活替代功能,"PASS0N"关联钝化,"ACKNEC"手动去钝模式,"V"安全模拟量值,"VdATA"标准数据等等,由于篇幅限制,在这里不再赘述。

5结语

将S7-400HF故障安全型控制系统应用于螺杆压缩机,相比较常规的PDC控制系统,不管在可靠性和安全性上都有了比较大的提高。本次控制系统较为复杂,在整个项目实施过程中寻求了西门子故障安全工程师的帮助,受益良多,实现了满足本项目实际需要的电气安全级别(SID2)。