SOE在升船机主提升控制系统中的应用研究

於宇琛 杨传将 刘红兵

（中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064）

1 引言

SOE也称为事故追忆，是用特定装置将一系列开关量如动作信号，报警信号等按照事件发生的先后顺序以毫秒级的分辨率记录下来，加上时标后发给控制系统，作为分析判断事故原因并找出首因的重要手段[1]。

升船机主提升控制系统复杂程度的提高增加了闭锁停机故障点的数量并且使闭锁故障的产生时间更加集中。由于普通数据模块采集周期较长，事件记录功能只能达到秒级的分辨率，在系统闭锁停机后，很难区分故障的先后顺序，找出故障的真正原因，无法及时进行故障分析并采取相应措施，是升船机安全平稳运行的隐患之一。而具有毫秒级事件记录分辨率的SOE功能，精确可靠，满足了复杂条件下控制系统对运行状态进行监测记录和事故分析的要求，保证了升船机安全、平稳和长期运行。

2 控制系统SOE功能概述

2.1 组成要素

控制系统中，SOE功能主要由中央控制器，ET 200M分布式I/O设备，PROFIBUS-DP现场总线，GPS时间模块，信号输入模块组成。

（1）中央控制器：西门子S7-400 PLC作为整个控制系统的中央控制器，由中央处理机架、电源模块、CPU模块和通讯模块组成。

（2）信号输入模块：高分辨率DI模块具有硬件和诊断中断，能以1 ms的分辨率无干扰和快速地采集数字量信号。

（3）分布式I/O设备：IM153-2模块具有缓存输入信息数据、时钟同步和时间标签功能。

（4）GPS时间模块：SICLOCK时间同步功能模块接入工业以太网交换机，通过同步GPS时间，提高事件分辨能力，保证信息的真实性[2]。

IM 153-2模块和高分辨率DI模块安装在单独的扩展机架上，通过PROFIBUS-DP现场总线连接到主机架中央控制器的 PLC上，利用SICLOCK取得标准的统一时标作为控制系统和SOE系统的时钟源，使整个系统时钟同步。图1是含有SOE功能的控制系统结构图。

图1

2.2 功能概述

控制系统中SOE功能接收逻辑“0”或逻辑“1”的离散数字量信号，采用输入信号的跃迁变化（上升沿或下降沿）作为引起SOE功能的变化信号。当SOE事件发生后，输入信号立即由高分辨率DI模块采集并送给IM 153 -2模块。IM 153 -2模块将事件数据信息打上时间标签，以消息队列的形式存储在缓存区中，然后触发中央控制器的中断处理，将缓存区中的消息按时间的先后顺序发送给中央控制器。中央控制器读取内存中的消息记录后，将消息记录存入程序公用数据块中，产生报警记录并显示在触摸屏和上位机等人机界面上。

3 控制系统SOE功能设计实现

本控制系统中 SOE功能共有十六个输入信号，包括系统手动快停、手动急停信号以及外部急停故障引起的各种急停信号。为保证升船机主提升控制系统的稳定性和有效性， SOE输入信号全部由继电器进行隔离和转换，使系统正常运行的逻辑控制与SOE信号采集互不影响[3]。

3.1 硬件配置

SOE功能硬件配置主要步骤如下：

（1） 设置时钟：接收GPS时钟并写入PLC硬件作为系统的主时钟。

（2） 设置信号输入模块：关闭数字量输入模块中的“硬件中断“功能并修改模板的输入延时（毫秒）/电压类型为”0.1“毫秒/DC ；激活接口模块的“时间标志”功能，并为各通道配置相应的“上升沿”或“下降沿”以触发过程中断。图2是设置时间标志示意图。

（3） 设置分布式I/O模块：激活IM153-2 模块 DP从站模块中的“时间标志“功能；激活模块中的“时间同步”功能并设置时间间隔为10.00 s；图3是设置时间同步示意图。

（3） 设置CPU模块：激活CPU的DP接口工作模式为“DP主站”，设置时间同步模式为“主站”，时间间隔为10 s[4]。图4是设置时钟示意图。

图2

图3

图4

3.2 软件设计

SOE功能软件组态以及程序设计主要步骤如下：

1）通过调用时钟设置功能块 SFC0定时用GPS时间检校PLC硬件时间，确保整个系统时钟同步。

2）在程序中插入循环中断组织块OB35，硬件中断组织块 OB40，从站故障诊断中断组织块OB86，初始化中断组织块OB100，并分别使用相同的背景数据块调用时间标签功能块FB62[4]。

3）在程序中插入新的全局数据块（SOE数据块），设置数据块的数据存储区长度和数据存储格式，根据FB62背景数据块中显示的信息数量，将相应的数据传输到SOE数据块中，采用顺序队列结构存储数据。循环装载信息主要程序如下：

4） 将 SOE信号的地址写入变量表中并在现地触摸屏和上位机中分别配置消息信息，显示消息的时间，动作方式以及事件描述。

4 控制系统SOE功能测试

4.1 测试方法

控制系统SOE功能利用开关量信号发生器进行测试，该信号发生器能送出时间间隔精度为0.2 ms的开关量信号。在系统正常运行的情况下，将信号发生器的单个输出信号接入信号输入模块，设置信号发生器的信号时间间隔为5 ms，启动信号发生器，检查SOE的事件记录功能是否正常。然后将信号发生器的5路输出信号分别接入信号输入模块中，不断减小信号发生器的信号时间间隔。检查SOE功能的事件记录，直至无法达到系统要求分辨率时为止。SOE功能的分辨率为控制系统能正确记录并稳定重现输入信息的最小时间间隔[5]。

4.2 测试和结论

根据测试方法，控制系统SOE功能测试结果如下：

（1） 模拟单个信号。在SOE数据块中可查到事件记录情况，信号输入点时间间隔均为5 ms，在SOE数据块存满后，自动覆盖队列尾部的信息。

（2） 模拟五个信号先后动作，3 ms、2 ms、1 ms分辨率测试各10次。在3 ms和2 ms分辨率测试中，SOE数据块中不同信号输入点显示时间间隔分别为3 ms和2 ms，事件排列顺序正确，无错位现象。在1 ms分辨率测试中，SOE数据块中出现过两次两个通道显示时间相同，但事件排列顺序正确，无错位现象。

通过测试，可以得出升船机主提升控制系统SOE功能运行正常，1 ms分辨率要求基本实现。

5 结束语

升船机主提升控制系统中毫秒级 SOE功能的设计和实现，为升船机控制系统提供了高分辨率的顺序记录功能，成为了升船机控制系统进行事故追忆和事故分析的重要手段，对提高国内升船机的技术应用水平具有重要的实际意义。

随着升船机主提升控制系统 SOE功能投入应用以及自动化系统智能化的发展趋势，在将来需要不断完善SOE信息管理制度，总结故障分析经验，为建立升船机控制系统SOE事故分析专家系统打下坚实的基础。

[1] 孙伟. SOE在K201机组控制系统中的设计及实现[J].化工自动化及仪表. 2010 （4）：112-114.

[2] 张周胜，张晓阳，浦子耿，徐洪峰. 电网调度自动化 SOE 及 GPS 校验实现技术[J]. 电力自动化设备，2009 （4）：122-125.

[3] 王洪哲，王荣茂. 提高 SOE 信息真实性的探讨[J].东北电力技术，2005（2）：25-28.

[4] SOE时间标签功能使用入门. Siemens A&D Company，2007.

[5] 刘一福，赵仕剑，唐海中. DCS 系统SOE 性能的测试及分析[J]. 电力自动化设备，2005 （11）：96-98.