Calcular la tasa de cambio de seguridad para F_CH_AI en los sistemas F SIMATIC S7

Para calcular la tasa de cambio (dPV/dt) de un controlador de canal F_CH_AI dentro de un programa de seguridad certificado SIMATIC S7 F-Systems, utilice el bloque de retardo de seguridad estándar F_DEADTM (FB 320) de la biblioteca F-Systems. Debido a que los grupos de tiempo de ejecución de seguridad prohíben el código SCL no certificado o los bloques derivados de APL estándar, la lógica de tasa de cambio debe construirse usando bloques F certificados: introduzca el valor analógico en F_DEADTM para almacenarlo en un buffer durante una ventana de retardo configurada (T_DELAY), reste la salida retardada del valor activo usando F_SUB_R (FB 347) y divida por el tiempo transcurrido usando F_DIV_R para obtener una tasa de cambio verificada y compatible con SIL 3.

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Restricciones de seguridad funcional en grupos de ejecución S7 F-Systems

En aplicaciones de seguridad industrial regidas por IEC 61508/IEC 61511 (por ejemplo, detección de aumentos rápidos de presión en reactores químicos o tasa de aumento de temperatura en procesos exotérmicos), medición de la tasa de cambio ($
rac{dPV}{dt}$) es un requisito de viaje común.

Sin embargo, dentro de SIMATIC S7 F-Systems (V6.x / F-Library V1.3):
* Todos los bloques colocados dentro del Safety Runtime Group (ejecutados normalmente en OB35 con firmas a prueba de fallas) deben ser bloques a prueba de fallas certificados por TÜV (con el prefijo F_).
* Los bloques CFC estándar (como Derivative, RateLim o funciones matemáticas estándar) están estrictamente prohibidos dentro de los grupos de ejecución F; el compilador de seguridad abortará con el error de compilación Block not permitted in F-Program.
* No se puede insertar código SCL personalizado a menos que esté escrito y compilado en el entorno de programación de seguridad especializado de S7 F-Systems con firmas de seguridad certificadas.

Por lo tanto, los ingenieros deben implementar algoritmos de tasa de cambio utilizando bloques de construcción modulares precertificados proporcionados por la biblioteca F estándar.

Principio matemático del cálculo de la tasa de cambio discreta

En sistemas muestreados discretos, la derivada temporal de una señal analógica continua se aproxima utilizando diferencias finitas hacia atrás:

$$
rac{dPV}{dt} pprox.
rac{PV(t) - PV(t - \Delta t)}{\Delta t}$$

donde:
* $PV(t)$: El valor de proceso en vivo actual emitido por el bloque de canal analógico a prueba de fallas F_CH_AI.V.
* $PV(t - \Delta t)$: El valor del proceso histórico capturado $\Delta t$ segundos en el pasado.
* $\Delta t$: La base de tiempo de medición (por ejemplo, 5 segundos, 30 segundos o 1 minuto).

Para obtener $PV(t - \Delta t)$ de forma segura sin buffers circulares no certificados, la biblioteca F-Systems proporciona el bloque de retardo certificado F_DEADTM (FB 320).

Implementación de CFC paso a paso con F_DEADTM y bloques F aritméticos

Siga este flujo de trabajo de ingeniería para construir un circuito de evaluación de tasa de cambio con clasificación SIL 3 en CFC:

Coloque bloques a prueba de fallas en la tabla de seguridad:
* Abra la tabla de seguridad CFC.
* Del catálogo F-AppLib / F-Systems insertar:
- F_DEADTM (FB 320 - Bloque de tiempo muerto/retardo).
- F_SUB_R (FB 347 - Resta real a prueba de fallos).
- F_DIV_R (FB 348 - División real a prueba de fallos).
- F_LIM_R o F_CMP_R (FB 342 - Comparador para evaluar límites de disparo).
Configurar conexiones de señal:
* Conecte F_CH_AI.V (el valor de punto flotante analógico en vivo) a:
- F_DEADTM.IN
- F_SUB_R.IN1 (valor actual $PV(t)$).
- Conecte la salida retardada F_DEADTM.OUT a F_SUB_R.IN2 (valor histórico $PV(t - \Delta t)$).
Configurar tiempo muerto y escalado:
* Configure F_DEADTM.TIME en su ventana de medición objetivo (por ejemplo, T#10s para sobretensiones rápidas o T#60s para deriva térmica lenta).
* Conecte la salida de diferencia F_SUB_R.OUT ($\Delta PV$) a F_DIV_R.IN1.
* Configure F_DIV_R.IN2 con la constante de tiempo numérica que representa $\Delta t$ en segundos o minutos (por ejemplo, 10.0 o 1.0).
Enlace a interbloqueos de seguridad:
* Introduzca el resultado de la tasa de cambio de F_DIV_R.OUT en F_CMP_R para compararlo con su umbral de tasa máxima permitida (por ejemplo, $> 5.0^\circ text{C/min}$).
* Interconecte la salida del comparador a su matriz de apagado a prueba de fallas o a la lógica de la válvula de despresurización de emergencia.

Verificación

En SIMATIC CFC, abra el diagrama de seguridad en modo de prueba dinámico.
Forzar un cambio de paso o rampa en la señal de entrada de F_CH_AI.
Verifique que:
F_DEADTM.OUT sigue la entrada en vivo exactamente el tiempo de retardo configurado.
Durante una rampa constante, F_SUB_R.OUT muestra un delta estable distinto de cero proporcional a la velocidad de la rampa.
Cuando la señal es constante, la tasa de cambio calculada cae limpiamente a 0.0.
Elaborar el programa de seguridad. Confirme que el F-Compiler calcule firmas CRC de seguridad válidas sin errores.

Limitaciones y precauciones operativas

F_DEADTM utiliza memoria intermedia en anillo interna. La configuración de tiempos muertos excesivamente largos (por ejemplo, varias horas) consume una cantidad significativa de memoria de trabajo de seguridad.
El ruido de los sensores de alta frecuencia en señales analógicas puede provocar picos artificiales en los cálculos de la tasa de cambio. Filtre las señales de entrada sin procesar utilizando el bloque de suavizado a prueba de fallas F_PT1 antes de F_DEADTM si hay ruido eléctrico presente.
Asegúrese de que la división por cero sea matemáticamente imposible: nunca asigne 0.0 a F_DIV_R.IN2.

Preguntas frecuentes del ingeniero

¿Por qué no puedo utilizar el bloque Derivativo (Derivativo) estándar de PCS 7?
Los bloques APL estándar carecen de autopruebas a prueba de fallos, comprobación de memoria redundante y firmas de seguridad. Al colocar un bloque estándar en un grupo de ejecución F se invalida el certificado de seguridad de toda la CPU.
¿Qué sucede con F_DEADTM durante un reinicio de seguridad de la CPU?
Durante un reinicio, F_DEADTM inicializa su búfer con el valor de entrada actual, evitando falsos picos de velocidad transitoria durante el inicio de la planta.
¿Está F_DEADTM certificado para aplicaciones SIL 3?
Sí. F_DEADTM es un componente oficial de la biblioteca SIMATIC S7 F-Systems con certificación TÜV, adecuado para funciones de seguridad SIL 3 / Categoría 4.

Referencias técnicas

Sistemas SIMATIC S7 F/FH - Manual de configuración y programación (A5E00278788).
Descripción de la biblioteca SIMATIC S7 F-Systems y referencia de bloques.
IEC 61508 / IEC 61511: Seguridad Funcional de Sistemas Instrumentados de Seguridad para la Industria de Procesos.