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1 SINAMICS S120 故障安全功能 (PROFIsafe) 调试指导 SINAMICS S120 Safety Function (Profisafe) Commissioning Getting Started Edition (2009 年 04 月 )

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3 目录前言 1 SINAMICS S120 故障安全型变频器的硬件及版本 4 2 组态 PLC 软件需求 STEP7 中的项目组态 S120 参数设置 故障安全功能调试.20 3 安全功能的调试.32 附录 45 IA&DT Service & Support Page 3-46

4 前言西门子的故障安全系统提供了尽可能全系列的产品供客户选择,SINAMICS S120 做为高性 能的一款驱动产品, 而这款变频器所具有的故障安全的特性也是该产品的一个亮点, 这里将 介绍的是通过 Profisafe 协议报文对 S120 的故障安全功能进行控制的调试方法, 供大家参 考 关于 S120 的基本使用方法, 这里不再详细介绍, 请参考相关手册 1 SINAMICS S120 故障安全型变频器的硬件及版本 1) 安全授权号, 如果没有该授权, 设备会报警 2) 通过 PROFIsafe 或 TM54F 激活每个控制单元, 通过 PROFIsafe 或 TM54F 进行控制都是允许的, 但不允许混合操作 3)SINAMICS S120:FW 版本 2.5 SP1 4)SIMOTION D410 SP2 及以上 5)SIMOTION D4x5:FW 版本 V4.1.1 HF6 及以上 ( 集成的 SINAMICS S120 FW V2.5 SP1 HF5 及以上 ) 6) 支持扩展功能的硬件组件 : 控制单元 CU310 定货号 :6SL3040-0LA00-0AA1/6SL3040-0LA01-0AA1 控制单元 CU320 定货号 :6SL AA1 并且 version C D410 DP:6AU AA00-0AA0 version B D410 PN:6AU AB00-0AA0 version B D4x5 V4.1.1 ( 集成 SINAMICS S120 FW V2.5 SP1) D425 6AU AA00-0AA0 HW release D D435 6AU AA00-0AA1 HW release D D445 6AU AA00-0AA0 HW release B CX32(Without constraints) 书本型电机模块订货号 :...A3 或以后 Blocksize 功率模块 控制单元适配器 CUA31 订货号 :6SL3040-0PA00-0AA1 控制单元适配器 CUA32 订货号 :6SL3040-0PA01-0AA0 传感器模板 :SMC20,SME20/25/120/125 电机带 DRIVE-CLiQ 接口 (not with resolver encoder) 目前最多 5 个安全轴有扩展功能其它信息请参考最新的 S120 相关手册 IA&DT Service & Support Page 4-46

5 2 组态 PLC 2.1 软件需求我们通过一个实例来介绍如何在 STEP7 中组态 S120 变频器模块 所需软件 : STEP7 V5.4 SP3 或以上版本 Distributed safety V5.4 SP4 或以上版本 Drive ES V5.4 以上版本 2.2 STEP7 中的项目 1) 首先在 STEP7 中建立一个 S7 300 项目, 项目名为 Drive_F 图 1 新建 S7 300 项目 2) 硬件组态 A) 双击硬件组态 (Hardware), 在硬件列表中选择 F 型 CPU, 这里使用的是 CPU 315F(6ES fh13-0AB0 V2.6) 注意, 由于项目中将使用 F 型的模板, 并且要使用其安全性能, 因而这里需要选择 F 型的 CPU 以及实际连接的 F 型的 IO 模板 当然, 根据所连接从站的不同, 需要选择 CPU 是否是只有 Profibus 接口或者带有 Profinet 接口 图 2 选择 F 型 CPU IA&DT Service & Support Page 5-46

6 图 3 为 PN 口建立一个网络连接, 分配 IP 地址 B) 由于使用 Profibus 与 S120 进行通讯, 因而双击 DP 口, 新建 Profibus 网络 S120 的 Profibus 通讯波特率可以选择 500Kbps~12Mbps 由于 S120 要求同步速度较快, 因而在规 定距离内 (100 米 ), 可以选择波特率为 12Mbps 图 4 新建 Profibus 网络, 选择网络参数 C) 选择从站 在硬件组态中选择 Profibus 总线, 鼠标点中 PEOFIBUS(1) IA&DT Service & Support Page 6-46

7 图 5 组态 Profibus 网络 在从站列表中选择 SINAMICS SINAMICS S120 SINAMICS S120 CU320 ( 见下图 ) 图 6 选择 S120 从站 双击该从站, 选择所使用的 CU320 的版本 : IA&DT Service & Support Page 7-46

8 图 7 选择 CU320 的版本 之后出现属性页面, 这里不需要进行配置, 选择 OK 即可 图 8 属性页面 IA&DT Service & Support Page 8-46

9 至此,Step7 的 Profibus 网络组态结束 可以看到, 在硬件组态中共有两条网络, 一条是 PN-IO 接口上的以太网, 主要是为了进行编程调试使用 ; 另外一条是 Profibus DP 网络, 其 中 CPU315 的 DP 口做为主站, 而 SINAMICS S120 则做为从站连接到网络上 ( 图 9) 图 9 网络组态 D) 与 F 相关的配置 接下来组态 F 参数 双击 CPU, 打开属性页面 选择 F Parameters 属性页, 为安全程序 设置密码 该密码在修改 F 程序时会被提示, 保护了安全程序不会被没有授权的访问者随意 修改 ( 在实例中的密码设置为 1 ) IA&DT Service & Support Page 9-46

10 图 10 为 F 程序设置密码 密码设置后, 点击 OK, 可以看到 F 参数 这些参数是 CPU 处理 F 程序时的基本信息, 一般是系统自动分配的, 不建议做修改, 选择确认即可 IA&DT Service & Support Page 10-46

11 图 11 系统 F 参数 接下来选择 Protection 属性 同样, 出于保护的需要, 需要为故障安全的程序设置程序修改的权限密码, 防止没有授权的访问者随意从 / 向 CPU 读 / 写故障安全的程序 同时, 由于西门子的 F 型的 CPU 同时可以做为普通的 CPU 使用, 因而, 如果程序中包含故障安全程序时, 需要将 CPU contains safety program 激活, 否则,CPU 就是一款普通的 CPU, 无法处理故障安全的程序 IA&DT Service & Support Page 11-46

12 图 12 设置 CPU 读 / 写密码 E) PROFIsafe 的设置 接下来为配置 Profisafe 报文 双击从站图表, 在 Configure 属性中, 插入报文, 在 Option 中选择报文为 PROFIsafe message ( 图 13) 项目里插入两条 PROFIsafe 报文和一条标准报文 IA&DT Service & Support Page 12-46

13 图 13 选择 PROFIsafe 报文 2 然后选择 PROFIsafe 按钮, 设置报文 2 的属性 图 14 报文 2 的属性参数 IA&DT Service & Support Page 13-46

14 这里的参数基本不用改动, 但需要注意 : F_Dest_Add : 是指该设备的 PROFIsafe 的目标地址, 必须是唯一的, 因而另外一条 PROFIsafe 报文 1 的该参数与本报文 2 是不同的 在后面的设置中还要用到它们 16 进制的 值 ( 如 C8) F_WD_Time: 是指 F 数据报文的接收监控时间, 一般建议将其设置为 300ms 以上, 否则可 能报通讯故障 可以通过 Change value 来修改该参数 配置结束, 选择 存盘 / 编译 图 15 存盘编译 F) 接口设置 为了便于调试, 将编程器的以太网卡与 S7 315F CPU 的 PN 口设置在同一个局域网中 图 16 为编程器的网卡设置 IP 地址 IA&DT Service & Support Page 14-46

15 然后设置编程器接口属性 在 SIMATIC Manager 下选择 Option Set PG/PC interface 图 17 设置接口参数 将接口设置为 TCP/IP 协议 本机网卡 IA&DT Service & Support Page 15-46

16 图 18 设置编程器接口 2. 3 S120 的参数设置 右键选择 SINAMICS_S120_CU320 Open Object IA&DT Service & Support Page 16-46

17 图 19 打开 S120 系统将启动 SIMOTION SCOUT, 选择连接到设备对 S120 进行在线的自动配置, 具体步骤 请参考 S120 的调试入门手册 初始化后, 可以选择离线 此时在离线状态下选择 SINAMICS_S120_CU320 Configuration 图 20 离线后进行配置 首先选择报文类型为标准报文 由于有两个轴, 因而这里首先选择两行标准报文 ( 图 27) 图 21 选择标准报文 IA&DT Service & Support Page 17-46

18 然后插入两行 PROFIsafe 报文 ( 图 22) 图 22 插入 PROFIsafe 报文 图 23 插入新的 PROFIsafe 报文 之后系统会提示 PROFIBUS 报文的变化 这里选择 Yes IA&DT Service & Support Page 18-46

19 图 24 报文配置发生变化 之后系统会确认报文的格式 图 25 最终的报文格式 但此时的报文配置仍是离线状态下的 Profibus 的报文 为了将报文下载到 CU320 中, 首先将编程器与 CU320 在线连接 在线后选择下载 IA&DT Service & Support Page 19-46

20 图 26 在线下载 成功下载后, 注意刷新页面, 否则页面还是有故障信息的 2. 4 故障安全功能调试 注意 : 故障安全功能只能在在线的状态下进行调试 在 SCOUT 中, 选择 SINAMICS_S120_CU320 Drives SERVO_02 Function Safety Intergrated 图 27 故障安全功能 选择 Change settings 选项进行参数设定 IA&DT Service & Support Page 20-46

21 图 28 选择安全功能设定 S120 的安全功能可以通过多种方式实现, 这里仅介绍通过 PROFIsafe 的方式实现安全控制 功能, 故选择 Motion monitoring via PROFIsafe 图 29 选择 PROFIsafe 的控制方式 扩展的 S120 的故障安全功能包括 : 安全转矩关断 (STO), 安全抱闸 (SBC), 安全停车 (SS1/SS2/SOS) 以及安全限速 (SLS) 首先我们需要使能这些安全功能 (Enable) IA&DT Service & Support Page 21-46

22 图 30 使能安全功能 选择 Configuration 进入组态界面 在 PROFIsafe address 参数中, 将之前曾经提到过的 F_Dest_Add 地址参数 ( 见图 14) 的 16 进制值复制即可 图 31 地址参数 其他参数可以根据需要进行设置, 否则可以保持默认值 IA&DT Service & Support Page 22-46

23 对于几种安全功能, 可以分别进行设置 1 安全转矩关断 (STO), 安全抱闸 (SBC) 1) 安全转矩关断 (STO) 当设备出现故障时, 安全转矩关断 (STO) 功能将用于安全的断开电机电源 当选择了该功能时, 驱动单元将进入 安全状态 此时, 驱动单元的 上电 功能被禁止, 驱动设备无法在故障状态下被重启 集成在电机模块 / 电源模块中的双通道的脉冲抑制是该功能的基础 图 32 设置 STO 和 SBC 当 安全转矩关断 功能启动时 : 电机不能被任意重启 ; 电机电源将被切断 ; 电源和电机并没有电气隔离 IA&DT Service & Support Page 23-46

24 图 33 STO 和 SBC 设置界面 当设备进入 STO 状态时, 可以通过 Output Safe standstill active 外接指示灯 2) 安全抱闸 (SBC) 安全抱闸控制用于激活抱闸功能, 打开或者关断抱闸的指令通过 DRIVE-CLiQ 传送给电机模 块 / 电源模块 电机模块 / 安全抱闸继电器响应指令动作输出给抱闸 抱闸激活通过抱闸连接 到电机模块 / 安全抱闸继电器是通过安全的 双通道的方式 安全抱闸控制 (SBC) 的功能 : 当 安全转矩关断 被启动或安全监视被触发, SBC 将动作 ; 与普通的抱闸控制相比,SBC 通过双通道控制 P1215 来实现的 ; 不论抱闸控制或 P1215 的模式设置如何,SBC 都将动作 但当 P1215=0 或 3 时, 不建议使用 SBC 功能 ; 该功能须通过参数使能 ; 每当 安全转矩关断 被启动时, 抱闸将立即启用并进行强制故障监测 IA&DT Service & Support Page 24-46

25 电机模块将监测 安全抱闸 功能是否正常工作, 当控制单元失效或故障时, 将无法检测到 抱闸电流, 抱闸开始动作 但该诊断只能在抱闸动作的过程中才能检测到 当电机模块或控制单元检测到故障时, 抱闸电流同样关断, 系统进入安全状态 2 安全停车 (SS1/SS2/SOS) 图 34 选择安全停车 1) 安全停车 1(SS1) 当 SS1 被激活时, 电机转速将按照 OFF3 方式定义的斜坡下降 (P1135), 无论在设定 的延迟时间 (P9356/P9556) 内是否降到关断速度, 驱动均进入 STO 状态 IA&DT Service & Support Page 25-46

26 图 35 SS1 的相关参数设置 在这里, 由于激活了 S120 的扩展功能, 因而这里定义的是扩展功能中的 SS1 扩展功能的 SS1 在普通功能的时间控制的基础上, 还增加了加速度的监控 而且扩展 SS1 的停止过程是从 STOP F STOP B, 然后再经过延时进入 STO, 而普通 SS1 功能是从 STOP F STOP A, 然后直接进入 STO, 过程是不可控的 2) 安全停车 2(SS2) 和安全运行停止 (SOS) 安全停车 2(SS2) 功能用于驱动设备按照 OFF3 模式进行安全减速, 直至进入 SOS 状态 图 36 SS2 及 SOS 的参数设定 SOS 功能用于监控驱动设备按照 OFF3 停车后是否真正的静止 Standstill tolerance SOS 是指当 SOS 功能激活时, 允许的位置移动的偏差值 通过这 个参数, 可以控制设备停车后允许的偏移量 3 安全限速 (SLS) IA&DT Service & Support Page 26-46

27 安全限速功能 (Safely Limited Speed) 用于保护驱动设备突然出现的高速运转 这通过对驱动设备当前的速度的监视其是否达到切换速度来实现 同时, 安全限速功能还用于保护驱动设备在限定的速度内的运动, 避免其在高速下的运动 根据风险分析的结果, 一般将保护速度设为 4 个不同的速度值 图 37 设置安全限速功能参数 IA&DT Service & Support Page 27-46

28 图 38 安全速度的设定 Delay time between 参数 : 当 SLS 功能被选择到 SLS 的限速被激活的时间 当低于 当前速度的一个低限速被激活时, 驱动器必须在这个时间内将速度降到该低限速以内 但当 一个比当前速度高的限速值被激活时, 该参数没用意义 速度的限定值之间的切换是通过两个 F-DI 的组合来实现的, 具体参看下表 : 表 1 SLS 的速度限定值的选择 Set velocity limitation 参数 : 在参数 p9733 中显示设定速度与该值的乘积, 并不影响 SLS 的功能 Stop reaction : 当速度在所设定时间内没有降到限定值范围时, 驱动设备的响应 具体的响应 : Stop 类型动作影响 Stop A ( 优先级 : 高 ) 驱动脉冲消失自由停车 Stop B 将速度给定的设定值设为 0, 同时启动定时器 tb, 如果 tb 驱动器按照 OFF3 进行停 车, 最终进入 Stop A 状态 结束时 nis < nshutdown, 则 进入 Stop A Stop C 将速度给定的设定值设为 0, 同时启动定时器 tc,tc 结束 驱动器按照 OFF3 进行停 车, 然后启动 SOS Stop D 时启动 SOS 启动 td, 在 td 结束前集成的 驱动将不响应 SOS 指令 驱动器必须按照更高等级的 控制进行停车 ( 在驱动组 IA&DT Service & Support Page 28-46

29 内 )! 当 td 结束后激活 SOS 功 能 当 standstill 的范围 超限时自动响应 Stop E( 准备中 ) Stop F( 优先级 : 低 ) 目前与 Stop D 功能类似在 tf1( 基本功能 ) 或者 tf2 ( 扩展功能 ) 时间内没有驱动器响应 当一个安全功能被激活时 (SOS, SLS), 在 tf1( 基本功能 ) 或者 tf2( 扩展功能 ) 时间延时结束后将进入 Stop A 表 2 停车类型的区别 延时参数 : tb: p9356/p9556 tc: p9352/p9552 td: p9353/p9553 tf1: p9658/p9858 tf2: p9355/p9555 nshutdown: p9360/p9560 注意 : 这里的速度设定的单位是线速度 (mm/min), 不是电机的转数, 在参数设定时注意 单位的变换 I) 参数保存 参数设置完成后, 选择将参数进行复制保存 Copy parameters IA&DT Service & Support Page 29-46

30 图 39 复制参数 然后激活参数, 此时可以看到安全功能被使能 图 40 激活安全功能参数 IA&DT Service & Support Page 30-46

31 然后修改秘密, 保存项目并 Copy RAM to ROM 图 41 保存项目及参数 最后将项目上载到我们的 PG, 保持 PG 中的项目与实际设备中的项目一致 图 42 将项目保存到 PG IA&DT Service & Support Page 31-46

32 至此, 我们完成 S120 安全功能的组态, 接下来我们通过 Profisafe 协议来控制 S120 的安全 功能 3 安全功能的调试 安全程序的编制和安全功能的调试 : 1) 首先打开 SIMATIC Manager, 进入编程界面, 选择 Insert new object Function ( 图 43) 图 43 插入新的功能 IA&DT Service & Support Page 32-46

33 2) 为新的 FC 起个名字, 比如 :FC100, 创建语言选择 F-CALL 这里创建的 FC100 是 用于 CPU 处理故障安全程序的需要而建立的 图 44 建立 F-CALL. F-CALL 只是用于 CPU 调用与安全相关的程序的, 但真正的安全程序的语句并不在 F- CALL 里进行编写, 需要建立新的 F 程序编制的功能块 选择新建功能块 ( 图 45) 图 45 新建功能块 该功能块 (FB1) 的创建语言选择 F-FBD 或者 F-LAD IA&DT Service & Support Page 33-46

34 图 46 创建程序调用块 一般每个 FB 都需要一个背景数据块, 故障安全型的 FB 也不例外, 因而不要忘记为 FB1 建立一个背景数据块 DB1, 当选择该背景数据块为 FB1 的背景数据块时, 可以看到其创建语言自动被系统设定为 F-DB ( 当然, 如果选择新建某个 FC 来做为 F 程序的调用功能, 则不需要建立相应的背景数据块 ) IA&DT Service & Support Page 34-46

35 图 47 F-FB 的背景数据块 3) 由于我们通过之前的硬件组态已经组态了 Profisafe 的报文, 在硬件组态中, 我们可以看 到已经组态了的 PROFIsafe 模板 其输入输出地址分别是从地址 这个地址也就是 Profisafe 报文需要控制的字节的起始地址 ( 图 48) IA&DT Service & Support Page 35-46

36 图 48 Profisafe 报文所占的槽位地址分配 对应这些地址,Profisafe 报文对应的控制字和状态字分别为 ( 表 3 表 4): IA&DT Service & Support Page 36-46

37 表 3 Profisafe 控制字 表 4 Profisafe 状态字 IA&DT Service & Support Page 37-46

38 4) 双击打开 FB1 进行安全程序的编制 通过程序来控制安全功能是否被激活 例如下面的程序, 通过程序激活控制字 0( 输出字节 ) 的第 0 位和第 1 位, 分别对应 激活 STO 和 SS1 的安全功能 图 49 通过程序设置 Profisafe 报文控制安全功能的起停 激活 SS2 和 SOS 则分别触发控制字 0 的第 2 和 3 位 但触发 SLS 功能需要注意, 当激活 SLS 功能时, 首先, 由于 SLS 的速度是通过两个开关的 组合来选择的 ( 见表 1), 因而需要在控制字 1 中对速度进行选择, 具体控制字节是字节 1 IA&DT Service & Support Page 38-46

39 的第 1 位和第 2 位, 然后需要激活 SLS, 即触发控制字 0 的第 4 位, 这样才 能保证 SLS 的功能被正确触发 图 50 激活 SLS 安全功能 当然, 频率和转速等参数仍然是通过标准报文写入的 ( 如 :PQW268 PQW270 等 ) 通过状态字, 我们可以将安全功能是否被激活的状态读回 PLC( 图 51) 如例中, 将 STO/SS1/SS2 对应的状态字分别读回 PLC 进行处理 其它的几个状态字这里不 再列出, 按照表 4 依次读回即可 IA&DT Service & Support Page 39-46

40 图 51 安全功能的状态字反馈 5) 在故障安全系统中, 当安全模板发现故障时, 系统出于保护的目的, 将暂时停止模板的输入输出, 也就是将模板 钝化, 此时, 模板不能再对程序输出进行响应, 直到该故障消失后, 经过 去钝 的处理, 模板才能被重新集成到控制系统中, 因而, 当模板被 钝化 后, 在程序中需要对模板进行 去钝 处理, 否则只能通过将设备断电才能恢复控制功能, 当然前提是故障已经消除 IA&DT Service & Support Page 40-46

41 在程序中, 可以对模板是否被钝化进行监控 当该模板被钝化后, 其对应的数据块自动将 PASSIVATION OUTPUT (2.0) 置位 当故障消除后, 将 AKNOELADGEMENT FOR REINTEGRATION(0.2) 置位, 则模板被去钝 ( 图 52) 图 52 模板的钝化检测和去钝 6) 安全程序编制结束后, 回到 SIMATIC manager 界面, 选择安全程序的编译 在编译界面, 首先选择 F-Runtime groups ( 图 53) IA&DT Service & Support Page 41-46

42 图 53 选择 F 运行组 新建一个安全组 然后选择响应的 FB FC 即可 IA&DT Service & Support Page 42-46

43 图 54 新建安全组 然后选择 Compile 进行安全程序的编译, 如果编译正确, 则 F 程序的标签将一致 图 54 安全程序的编译 注意 : 故障安全程序在每次修改后, 都需要重新进行编译 7) 然后在 SIMATIC Manager 下新建 OB35, 在 OB35 中调用 F-CALL 图 55 OB35 中调用 F-CALL IA&DT Service & Support Page 43-46

44 全部程序编制完成后, 可以通过硬件组态将硬件组态进行下载, 然后必须通过安全 Download 将安全程序 ( 包括非安全类的程序 ) 进行下载 图 56 安全程序的下载 至此, 我们可以通过 Profisafe 控制 S120 的安全功能是否被激活 IA&DT Service & Support Page 44-46

45 附录 - 推荐网址 自动化系统西门子 ( 中国 ) 有限公司工业自动化与驱动技术集团客户服务与支持中心网站首页 : 自动化系统下载中心 : 自动化系统全球技术资源 : 找答案 自动化系统版区 : 驱动技术西门子 ( 中国 ) 有限公司工业自动化与驱动技术集团客户服务与支持中心网站首页 : 驱动技术下载中心 : 驱动技术全球技术资源 : 找答案 驱动技术版区 : 注意事项 应用示例与所示电路 设备及任何可能结果没有必然联系, 并不完全相关 应用示例不表示客户的具体解决方案 它们仅对典型应用提供支持 用户负责确保所述产品的正确使用 这些应用示例不能免除用户在确保安全 专业使用 安装 操作和维护设备方面的责任 当使用这些应用示例时, 应意识到西门子不对在所述责任条款范围之外的任何损坏 / 索赔承担责任 我们保留随时修改这些应用示例的权利, 恕不另行通知 如果这些应用示例与其它西门子出版物 ( 例如, 目录 ) 给出的建议不同, 则以其它文档的内容为准 声明 我们已核对过本手册的内容与所描述的硬件和软件相符 由于差错难以完全避免, 我们不能保证完全一致 我们会经常对手册中的数据进行检查, 并在后续的版本中进行必要的更正 欢迎您提出宝贵意见 IA&DT Service & Support Page 45-46

46 版权 西门子 ( 中国 ) 有限公司 版权保留 复制 传播或者使用该文件或文件内容必须经过权利人书面明确同意 侵权者将承担权利人的全部损失 权利人保留一切权利, 包括复制 发行, 以及改编 汇编的权利 西门子 ( 中国 ) 有限公司 IA&DT Service & Support Page 46-46

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