S7 分布式故障安全系統(tǒng)應(yīng)用與維護

吳建華

（大冶有色金屬有限責任公司冶煉廠，湖北黃石 435005）

0 引言

西門子S7 分布式故障安全系統(tǒng)是SIMATIC S7 自動化系統(tǒng)中兩種故障安全系統(tǒng)的一種，其安全通信協(xié)議采用西門子的PROFIsafe。PROFIsafe 用于PROFIBUS 和PROFInet 面向安全設(shè)備的故障安全通信。可以用PROFIsafe 很簡單地實現(xiàn)安全的分布式解決方案。可以在同一條物理總線上同時傳輸標準數(shù)據(jù)和故障安全數(shù)據(jù)，不需要對故障安全I/O 額外布線。

PROFIsafe 是一種軟件解決方案，在CPU 的操作系統(tǒng)中以附加的PROFIsafe 層的形式實現(xiàn)故障安全通信。安全數(shù)據(jù)作為標準數(shù)據(jù)的附加部分打包，從而形成PROFIsafe 報文。PROFIsafe 考慮了數(shù)據(jù)的延遲、丟失、不正確的時序、地址和數(shù)據(jù)的損壞，采用很多措施來保障安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴Ｗ鳛镾IMATIC S7 自動化系統(tǒng)中兩種故障安全系統(tǒng)的一種，S7 分布式故障安全系統(tǒng)主要是通過軟件中的安全功能實現(xiàn)的。安全功能主要包含在以下組件中：故障安全CPU（F-CPU）中安全相關(guān)的用戶程序（安全程序）；故障安全輸入和輸出（F-I/0）。它們包含進行安全處理所需的軟件組件和硬件組件。如果發(fā)生危險，S7 分布式故障安全系統(tǒng)將執(zhí)行安全功能以使系統(tǒng)處于或保持安全狀態(tài)。

1 電解陽極準備機組S7 分布式故障安全系統(tǒng)硬件配置

大冶有色金屬公司電解陽極準備機組是引進芬蘭Outotec（奧圖泰）公司的現(xiàn)代化機組，自動化程度高，它的安全工作系統(tǒng)采用西門子S7 分布式故障安全系統(tǒng)來保護設(shè)備和人員的安全。S7 分布式故障安全系統(tǒng)在STEP7 軟件中的硬件組態(tài)如圖1 所示。

圖1 陽極準備機組S7 分布式故障安全系統(tǒng)硬件組態(tài)

電解陽極準備機組S7 分布式故障安全系統(tǒng)，使用的是PROFIsafe 用于PROFIBUS 面向安全設(shè)備的故障安全通信。故障安全CPU（F-CPU）選用CPU317F-2PN/DP，可通過集成的PROFINET&PROFIsafe 接口或集成的PROFIBUS -DP&PROFIsafe 接口連接分布式站中的故障安全I/O 模塊，可以達到IEC 61508 規(guī)定的安全等級SIL3 和符合EN 954-1 規(guī)定的類別4 的安全要求。分布式I/O 系統(tǒng)選用的是ET200S，通過IM151-1 高性能型（RS485）接口模塊把ET200S 連接到PROFIBUS-DP 中。在ET 200S 分布式I/O 系統(tǒng)中，不僅包含故障安全模塊，而且還包含標準模塊。相對于西門子普通CPU 組態(tài)來說，S7 分布式故障安全系統(tǒng)需要配置F-CPU 和F-I/O。而且其系統(tǒng)的訪問受2 個密碼保護，一個用于F-CPU，另一個用于安全程序。在STEP7 軟件中組態(tài)F-I/O 里面的參數(shù)，包括F目標地址、DIP 開關(guān)設(shè)置、鈍化結(jié)果選擇、傳感器評估類型等。根據(jù)項目要求，可以進行相應(yīng)的配置。

在電解陽極準備機組S7 分布式故障安全系統(tǒng)中，一共使用了3 種西門子的故障安全模塊。第一種故障安全模塊是4/8 FDI 模塊，它有8 個F 輸入或4 個F 輸入，額定輸入電壓為DC 24 V。采用1oo1 傳感器評估（8 F-DI）可達到SIL2/Cat.3/PLd，采用1oo2 傳感器評估（4 F-DI）可達到SIL3/Cat.3/PLe。在電解陽極準備機組安全控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，控制室操作臺和現(xiàn)場操作箱上的急停按鈕中的2 個常閉觸點，分別連接到F 模塊的2 個輸入端，其接線方式采用1oo2 傳感器評估（4 F-DI），因此可達到SIL3/Cat.3/PLe。第二種故障安全模塊是4 F-DO 模塊，4個F 輸出，額定負載電壓為DC 24 V，2A 輸出電流。可達到安全級別SIL3/Cat.4/PLe。第三種故障安全模塊故障安全模塊是1 F-RO 模塊，1 個繼電器輸出，輸出電流為5 A，額定負載電壓為DC 24 V 或AC（24～230）V。如果由故障安全輸出4F-DO 控制1F-RO 模塊，則可達到安全級別SIL3/Cat.4/PLe。通過4 F-DO的故障安全輸出DC 24 V 電源，將F-DO 的P 輸出連接到FRO 模塊的IN P（DC 24 V 控制電壓的端子），將M 輸出連接到F-RO 模塊的IN M（控制電壓接地端子）。在電解陽極準備機組安全控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，就采用了由4F-DO 輸出控制1FRO 模塊，因此可達到安全級別SIL3/Cat.4/PLe。

2 S7 分布式故障安全系統(tǒng)的F-I/O 模塊維護

S7 分布式故障安全系統(tǒng)的F-I/O 模塊安全可靠，故障率低，維護方便。在操作期間熱插拔ET 200S 中的故障安全模塊，會導(dǎo)致F-CPU 上出現(xiàn)通信錯誤。必須在安全程序中確認此通信錯誤。如果通信錯誤未被確認，則F 模塊的有用數(shù)據(jù)將保持鈍化狀態(tài)（輸入和輸出在“0”狀態(tài)）。每一個F-I/O 模塊都有唯一的PROFIsafe 目標地址（F_dest_address）。在安裝或者更換損壞的故障安全模塊之前，必須在每個F 模塊上設(shè)置PROFIsafe 地址。PROFIsafe 地址（10 針DIP 開關(guān)）位于每個故障安全模塊的左側(cè)。當更換F 模塊時，確保模塊左側(cè)的地址開關(guān)（DIP 開關(guān)）設(shè)置與在STEP 7 中HW Config 中分配DIP switch setting（9…0）相一致（圖2）。目標地址（F_dest_address）是十進制1018，對應(yīng)的二進制數(shù)為：1111111010，這也就是故障安全模塊的左側(cè)DIP開關(guān)需要設(shè)置的二進制數(shù)。

圖2 故障安全模塊上的DIP 地址

3 結(jié)束語

大冶有色金屬公司電解陽極準備機組安全工作系統(tǒng)采用S7 分布式故障安全系統(tǒng)，自投產(chǎn)以來，安全總線系統(tǒng)安全可靠，故障率低，維護方便，有效保護了設(shè)備和人員安全。S7 分布式故障安全系統(tǒng)中的安全協(xié)議PROFIsafe，是用于PROFIBUS和PROFInet 面向安全設(shè)備的故障安全通信。可以用PROFIsafe很簡單地實現(xiàn)安全分布式解決方案。可以在同一條物理總線上傳輸標準數(shù)據(jù)和故障安全數(shù)據(jù)，不需要對故障安全I/O 接線額外布線，這些優(yōu)點，使得S7 分布式故障安全系統(tǒng)愈發(fā)得到普遍應(yīng)用。