SOE在升船機(jī)主提升控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

於宇琛 楊傳將 劉紅兵

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

SOE也稱為事故追憶，是用特定裝置將一系列開關(guān)量如動作信號，報(bào)警信號等按照事件發(fā)生的先后順序以毫秒級的分辨率記錄下來，加上時(shí)標(biāo)后發(fā)給控制系統(tǒng)，作為分析判斷事故原因并找出首因的重要手段[1]。

升船機(jī)主提升控制系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高增加了閉鎖停機(jī)故障點(diǎn)的數(shù)量并且使閉鎖故障的產(chǎn)生時(shí)間更加集中。由于普通數(shù)據(jù)模塊采集周期較長，事件記錄功能只能達(dá)到秒級的分辨率，在系統(tǒng)閉鎖停機(jī)后，很難區(qū)分故障的先后順序，找出故障的真正原因，無法及時(shí)進(jìn)行故障分析并采取相應(yīng)措施，是升船機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行的隱患之一。而具有毫秒級事件記錄分辨率的SOE功能，精確可靠，滿足了復(fù)雜條件下控制系統(tǒng)對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測記錄和事故分析的要求，保證了升船機(jī)安全、平穩(wěn)和長期運(yùn)行。

2 控制系統(tǒng)SOE功能概述

2.1 組成要素

控制系統(tǒng)中，SOE功能主要由中央控制器，ET 200M分布式I/O設(shè)備，PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，GPS時(shí)間模塊，信號輸入模塊組成。

（1）中央控制器：西門子S7-400 PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的中央控制器，由中央處理機(jī)架、電源模塊、CPU模塊和通訊模塊組成。

（2）信號輸入模塊：高分辨率DI模塊具有硬件和診斷中斷，能以1 ms的分辨率無干擾和快速地采集數(shù)字量信號。

（3）分布式I/O設(shè)備：IM153-2模塊具有緩存輸入信息數(shù)據(jù)、時(shí)鐘同步和時(shí)間標(biāo)簽功能。

（4）GPS時(shí)間模塊：SICLOCK時(shí)間同步功能模塊接入工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，通過同步GPS時(shí)間，提高事件分辨能力，保證信息的真實(shí)性[2]。

IM 153-2模塊和高分辨率DI模塊安裝在單獨(dú)的擴(kuò)展機(jī)架上，通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線連接到主機(jī)架中央控制器的 PLC上，利用SICLOCK取得標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一時(shí)標(biāo)作為控制系統(tǒng)和SOE系統(tǒng)的時(shí)鐘源，使整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘同步。圖1是含有SOE功能的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1

2.2 功能概述

控制系統(tǒng)中SOE功能接收邏輯“0”或邏輯“1”的離散數(shù)字量信號，采用輸入信號的躍遷變化（上升沿或下降沿）作為引起SOE功能的變化信號。當(dāng)SOE事件發(fā)生后，輸入信號立即由高分辨率DI模塊采集并送給IM 153 -2模塊。IM 153 -2模塊將事件數(shù)據(jù)信息打上時(shí)間標(biāo)簽，以消息隊(duì)列的形式存儲在緩存區(qū)中，然后觸發(fā)中央控制器的中斷處理，將緩存區(qū)中的消息按時(shí)間的先后順序發(fā)送給中央控制器。中央控制器讀取內(nèi)存中的消息記錄后，將消息記錄存入程序公用數(shù)據(jù)塊中，產(chǎn)生報(bào)警記錄并顯示在觸摸屏和上位機(jī)等人機(jī)界面上。

3 控制系統(tǒng)SOE功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本控制系統(tǒng)中 SOE功能共有十六個(gè)輸入信號，包括系統(tǒng)手動快停、手動急停信號以及外部急停故障引起的各種急停信號。為保證升船機(jī)主提升控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性， SOE輸入信號全部由繼電器進(jìn)行隔離和轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)正常運(yùn)行的邏輯控制與SOE信號采集互不影響[3]。

3.1 硬件配置

SOE功能硬件配置主要步驟如下：

（1） 設(shè)置時(shí)鐘：接收GPS時(shí)鐘并寫入PLC硬件作為系統(tǒng)的主時(shí)鐘。

（2） 設(shè)置信號輸入模塊：關(guān)閉數(shù)字量輸入模塊中的“硬件中斷“功能并修改模板的輸入延時(shí)（毫秒）/電壓類型為”0.1“毫秒/DC ；激活接口模塊的“時(shí)間標(biāo)志”功能，并為各通道配置相應(yīng)的“上升沿”或“下降沿”以觸發(fā)過程中斷。圖2是設(shè)置時(shí)間標(biāo)志示意圖。

（3） 設(shè)置分布式I/O模塊：激活I(lǐng)M153-2 模塊 DP從站模塊中的“時(shí)間標(biāo)志“功能；激活模塊中的“時(shí)間同步”功能并設(shè)置時(shí)間間隔為10.00 s；圖3是設(shè)置時(shí)間同步示意圖。

（3） 設(shè)置CPU模塊：激活CPU的DP接口工作模式為“DP主站”，設(shè)置時(shí)間同步模式為“主站”，時(shí)間間隔為10 s[4]。圖4是設(shè)置時(shí)鐘示意圖。

圖2

圖3

圖4

3.2 軟件設(shè)計(jì)

SOE功能軟件組態(tài)以及程序設(shè)計(jì)主要步驟如下：

1）通過調(diào)用時(shí)鐘設(shè)置功能塊 SFC0定時(shí)用GPS時(shí)間檢校PLC硬件時(shí)間，確保整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘同步。

2）在程序中插入循環(huán)中斷組織塊OB35，硬件中斷組織塊 OB40，從站故障診斷中斷組織塊OB86，初始化中斷組織塊OB100，并分別使用相同的背景數(shù)據(jù)塊調(diào)用時(shí)間標(biāo)簽功能塊FB62[4]。

3）在程序中插入新的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊（SOE數(shù)據(jù)塊），設(shè)置數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)存儲區(qū)長度和數(shù)據(jù)存儲格式，根據(jù)FB62背景數(shù)據(jù)塊中顯示的信息數(shù)量，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊OE數(shù)據(jù)塊中，采用順序隊(duì)列結(jié)構(gòu)存儲數(shù)據(jù)。循環(huán)裝載信息主要程序如下：

4） 將 SOE信號的地址寫入變量表中并在現(xiàn)地觸摸屏和上位機(jī)中分別配置消息信息，顯示消息的時(shí)間，動作方式以及事件描述。

4 控制系統(tǒng)SOE功能測試

4.1 測試方法

控制系統(tǒng)SOE功能利用開關(guān)量信號發(fā)生器進(jìn)行測試，該信號發(fā)生器能送出時(shí)間間隔精度為0.2 ms的開關(guān)量信號。在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，將信號發(fā)生器的單個(gè)輸出信號接入信號輸入模塊，設(shè)置信號發(fā)生器的信號時(shí)間間隔為5 ms，啟動信號發(fā)生器，檢查SOE的事件記錄功能是否正常。然后將信號發(fā)生器的5路輸出信號分別接入信號輸入模塊中，不斷減小信號發(fā)生器的信號時(shí)間間隔。檢查SOE功能的事件記錄，直至無法達(dá)到系統(tǒng)要求分辨率時(shí)為止。SOE功能的分辨率為控制系統(tǒng)能正確記錄并穩(wěn)定重現(xiàn)輸入信息的最小時(shí)間間隔[5]。

4.2 測試和結(jié)論

根據(jù)測試方法，控制系統(tǒng)SOE功能測試結(jié)果如下：

（1） 模擬單個(gè)信號。在SOE數(shù)據(jù)塊中可查到事件記錄情況，信號輸入點(diǎn)時(shí)間間隔均為5 ms，在SOE數(shù)據(jù)塊存滿后，自動覆蓋隊(duì)列尾部的信息。

（2） 模擬五個(gè)信號先后動作，3 ms、2 ms、1 ms分辨率測試各10次。在3 ms和2 ms分辨率測試中，SOE數(shù)據(jù)塊中不同信號輸入點(diǎn)顯示時(shí)間間隔分別為3 ms和2 ms，事件排列順序正確，無錯(cuò)位現(xiàn)象。在1 ms分辨率測試中，SOE數(shù)據(jù)塊中出現(xiàn)過兩次兩個(gè)通道顯示時(shí)間相同，但事件排列順序正確，無錯(cuò)位現(xiàn)象。

通過測試，可以得出升船機(jī)主提升控制系統(tǒng)SOE功能運(yùn)行正常，1 ms分辨率要求基本實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

升船機(jī)主提升控制系統(tǒng)中毫秒級 SOE功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，為升船機(jī)控制系統(tǒng)提供了高分辨率的順序記錄功能，成為了升船機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行事故追憶和事故分析的重要手段，對提高國內(nèi)升船機(jī)的技術(shù)應(yīng)用水平具有重要的實(shí)際意義。

隨著升船機(jī)主提升控制系統(tǒng) SOE功能投入應(yīng)用以及自動化系統(tǒng)智能化的發(fā)展趨勢，在將來需要不斷完善SOE信息管理制度，總結(jié)故障分析經(jīng)驗(yàn)，為建立升船機(jī)控制系統(tǒng)SOE事故分析專家系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 孫偉. SOE在K201機(jī)組控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].化工自動化及儀表. 2010 （4）：112-114.

[2] 張周勝，張曉陽，浦子耿，徐洪峰. 電網(wǎng)調(diào)度自動化 SOE 及 GPS 校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J]. 電力自動化設(shè)備，2009 （4）：122-125.

[3] 王洪哲，王榮茂. 提高 SOE 信息真實(shí)性的探討[J].東北電力技術(shù)，2005（2）：25-28.

[4] SOE時(shí)間標(biāo)簽功能使用入門. Siemens A&D Company，2007.

[5] 劉一福，趙仕劍，唐海中. DCS 系統(tǒng)SOE 性能的測試及分析[J]. 電力自動化設(shè)備，2005 （11）：96-98.