S7分布式故障安全系统应用与维护

吴建华

（大冶有色金属有限责任公司冶炼厂，湖北黄石 435005）

0 引言

西门子S7分布式故障安全系统是SIMATIC S7自动化系统中两种故障安全系统的一种，其安全通信协议采用西门子的PROFIsafe。PROFIsafe用于PROFIBUS和PROFInet面向安全设备的故障安全通信。可以用PROFIsafe很简单地实现安全的分布式解决方案。可以在同一条物理总线上同时传输标准数据和故障安全数据，不需要对故障安全I/O额外布线。

PROFIsafe是一种软件解决方案，在CPU的操作系统中以附加的PROFIsafe层的形式实现故障安全通信。安全数据作为标准数据的附加部分打包，从而形成PROFIsafe报文。PROFIsafe考虑了数据的延迟、丢失、不正确的时序、地址和数据的损坏，采用很多措施来保障安全数据传输的完整性。作为SIMATIC S7自动化系统中两种故障安全系统的一种，S7分布式故障安全系统主要是通过软件中的安全功能实现的。安全功能主要包含在以下组件中:故障安全CPU（F-CPU）中安全相关的用户程序（安全程序）；故障安全输入和输出（F-I/0）。它们包含进行安全处理所需的软件组件和硬件组件。如果发生危险，S7分布式故障安全系统将执行安全功能以使系统处于或保持安全状态。

1 电解阳极准备机组S7分布式故障安全系统硬件配置

大冶有色金属公司电解阳极准备机组是引进芬兰Outotec（奥图泰）公司的现代化机组，自动化程度高，它的安全工作系统采用西门子S7分布式故障安全系统来保护设备和人员的安全。S7分布式故障安全系统在STEP7软件中的硬件组态如图1所示。

图1 阳极准备机组S7分布式故障安全系统硬件组态

电解阳极准备机组S7分布式故障安全系统，使用的是PROFIsafe用于PROFIBUS面向安全设备的故障安全通信。故障安全CPU（F-CPU）选用CPU317F-2PN/DP，可通过集成的PROFINET&PROFIsafe接口或集成的PROFIBUS-DP&PROFIsafe接口连接分布式站中的故障安全 I/O模块，可以达到IEC 61508规定的安全等级SIL3和符合EN 954-1规定的类别4的安全要求。分布式I/O系统选用的是ET200S，通过IM151-1高性能型（RS485） 接口模块把 ET200S连接到PROFIBUS-DP中。在ET 200S分布式I/O系统中，不仅包含故障安全模块，而且还包含标准模块。相对于西门子普通CPU组态来说，S7分布式故障安全系统需要配置F-CPU和F-I/O。而且其系统的访问受2个密码保护，一个用于F-CPU，另一个用于安全程序。在STEP7软件中组态F-I/O里面的参数，包括F目标地址、DIP开关设置、钝化结果选择、传感器评估类型等。根据项目要求，可以进行相应的配置。

在电解阳极准备机组S7分布式故障安全系统中，一共使用了3种西门子的故障安全模块。第一种故障安全模块是4/8 FDI模块，它有8个F输入或4个F输入，额定输入电压为DC 24 V。采用 1oo1传感器评估（8 F-DI）可达到 SIL2/Cat.3/PLd，采用1oo2传感器评估（4 F-DI）可达到 SIL3/Cat.3/PLe。在电解阳极准备机组安全控制系统的实际应用中，控制室操作台和现场操作箱上的急停按钮中的2个常闭触点，分别连接到F模块的2个输入端，其接线方式采用1oo2传感器评估（4 F-DI），因此可达到SIL3/Cat.3/PLe。第二种故障安全模块是4 F-DO模块，4个F输出，额定负载电压为DC 24 V，2A输出电流。可达到安全级别SIL3/Cat.4/PLe。第三种故障安全模块故障安全模块是1 F-RO模块，1个继电器输出，输出电流为5 A，额定负载电压为DC 24 V或AC（24～230）V。如果由故障安全输出4F-DO控制1F-RO模块，则可达到安全级别SIL3/Cat.4/PLe。通过4 F-DO的故障安全输出DC 24 V电源，将F-DO的P输出连接到FRO模块的IN P（DC 24 V控制电压的端子），将M输出连接到F-RO模块的IN M（控制电压接地端子）。在电解阳极准备机组安全控制系统的实际应用中，就采用了由4F-DO输出控制1FRO模块，因此可达到安全级别SIL3/Cat.4/PLe。

2 S7分布式故障安全系统的F-I/O模块维护

S7分布式故障安全系统的F-I/O模块安全可靠，故障率低，维护方便。在操作期间热插拔ET 200S中的故障安全模块，会导致F-CPU上出现通信错误。必须在安全程序中确认此通信错误。如果通信错误未被确认，则F模块的有用数据将保持钝化状态（输入和输出在“0”状态）。每一个F-I/O模块都有唯一的PROFIsafe目标地址（F_dest_address）。在安装或者更换损坏的故障安全模块之前，必须在每个F模块上设置PROFIsafe地址。PROFIsafe地址（10针DIP开关）位于每个故障安全模块的左侧。当更换F模块时，确保模块左侧的地址开关（DIP开关）设置与在STEP 7中HW Config中分配DIP switch setting（9…0）相一致（图2）。目标地址（F_dest_address）是十进制1018，对应的二进制数为:1111111010，这也就是故障安全模块的左侧DIP开关需要设置的二进制数。

图2 故障安全模块上的DIP地址

3 结束语

大冶有色金属公司电解阳极准备机组安全工作系统采用S7分布式故障安全系统，自投产以来，安全总线系统安全可靠，故障率低，维护方便，有效保护了设备和人员安全。S7分布式故障安全系统中的安全协议PROFIsafe，是用于PROFIBUS和PROFInet面向安全设备的故障安全通信。可以用PROFIsafe很简单地实现安全分布式解决方案。可以在同一条物理总线上传输标准数据和故障安全数据，不需要对故障安全I/O接线额外布线，这些优点，使得S7分布式故障安全系统愈发得到普遍应用。