西門子6FC5357-0BB35-0AE0

6FC5357-0BB35-0AE0

SINUMERIK 840D/DE NCU 573.5，933MHz，64MB 不帶系統軟件 存儲器：NC 3MB，PLC 128KB PROFIBUS-DP 準備

．控制系統原理和接線圖

下圖是本例中所使用的原理和接線圖。

圖1:控制系統原理和接線圖

2．硬件需求
S7-1200 PLC目前有3種類型的CPU：
1）S7-1211C CPU。
2）S7-1212C CPU。
3）S7-1214C CPU。
這三種類型的CPU都可以使用USS通信協議通過通信模塊CM1241 RS485來實現S7-1200與G120變頻器的通信。

本例中使用的PLC硬件為：
1）PM1207電源 ( 6EP1 332-1SH71 )
2） S7-1214C ( 6ES7 214 -1BE30 -0XB0 )
3) CM1241 RS485 ( 6ES7 241 -1CH30 -0XB0 )
4) 模擬器 ( 6ES7 274 -1XH30 -0XA0 )

本例中使用的G120變頻器硬件為：
1） SINAMICS G120 PM240 （6SL3244-0BA20-1BA0）
2） SINAMICS G120 CU240S（6SL3224-0BE13-7UA0）
3） SIEMENS MOTOR (1LA7060-4AB10)
4） 操作面板 ( XAU221-001469)
5） USS 通信電纜 ( 6XV1830-0EH10)

3．軟件需求

1) 編程軟件 Step7 Basic V10.5 ( 6ES7 822-0AA0-0YA0)

4．組態

我們通過下述的實際操作來介紹如何在Step7 Basic V10.5 中組態S7-1214C 和G120變頻器的USS通信。

4. 1 PLC 硬件組態

首先在Step7 Basic V10.5中建立一個項目，如圖1所示。

圖2： 新建S7 1200項目

在硬件配置中，添加CPU1214C和通信模塊CM1241 RS485模塊，如圖2所示。

圖3： S7 1200硬件配置

在CPU的屬性中，設置以太網的IP地址，建立PG與PLC的連接，如下圖所示。

圖4： S7 1200 IP地址的設置

4. 2 G120參數設置

變頻器的參數設置如下表所示。

表1 ：G120變頻器的參數設置

注意：表1中的17，18，19，20 這四項參數值的設置必須使PLC的參數值與變頻器的參數值相*。而19，20這兩個參數值必須設置成如表1中的值，否則有可能變頻器與S7-1200通信有如下問題：可能不能讀出從變頻器反饋回來的參數值。

5．USS通信原理與編程的實現

5. 1 S7 1200 PLC與G120 通過USS通信的基本原理

S7 1200提供了的USS庫進行USS通信，如下圖所示：

圖5： S7 1200 的USS庫

        USS_DRV 功能塊是S7-1200 USS通信的主體功能塊，接受變頻器的信息和控制變頻器的指令都是通過這個功能快來完成的。必須在主 OB中調用，不能在循環中斷OB中調用。
        USS_PORT功能塊是S7-1200與變頻器USS通信的接口,主要設置通信的接口參數。可在主OB或中斷OB中調用。
        USS_RPM功能塊是通過USS通信讀取變頻器的參數。必須在主 OB中調用，不能在循環中斷OB中調用。
        USS_WPM功能塊是通過USS通信設置變頻器的參數。必須在主 OB中調用，不能在循環中斷OB中調用。

這些功能塊與變頻器之間的控制關系如下圖所示：

圖6： USS 通信功能塊與變頻器的控制關系

        USS_DRV功能塊通過USS_DRV_DB數據塊實現與USS_PORT功能塊的數據接收與傳送，而USS_PORT功能塊是S7-1200 PLC CM1241 RS485模塊與變頻器之間的通信接口。USS_RPM功能塊和USS_WPM功能塊與變頻器的通信與USS_DRV功能塊的通信方式是相同的。

        每個S7-1200 CPU多可帶3個通信模塊，而每個CM1241 RS485通信模塊多支持16個變頻器。因此用戶在一個S7-1200 CPU中多可建立3個USS網絡，而每個USS網絡多支持16個變頻器，總共多支持48個USS變頻器。

5. 2 S7 1200 PLC進行USS通信的編程

1．USS通信接口參數功能塊的編程
USS通信接口參數功能塊的編程如下圖所示。

圖7： USS通信接口參數功能塊的編程

USS_PORT功能塊用來處理USS網絡上的通信，它是S71200 CPU與變頻器的通信借口。每個CM1241 RS485模塊有且必須有一個USS_PORT功能塊。

PORT：指的是通過哪個通信模塊進行USS通信。
BAUD：指的是和變頻器進行通行的速率。 變頻器的參數P2010種進行設置。
USS_DB：指的是和變頻器通信時的USS數據塊。每個通信模塊多可以有16個USS數據塊，每個CPU多可以有48個USS數據塊，具體的通信情況要和現場實際情況相聯系。每個變頻器與S7-1200進行通信的數據塊是一的。
ERROR：輸出錯誤。
STATUS：掃描或初始化的狀態。
S7-1200 PLC與變頻器的通信是與它本身的掃描周期不同步的，在完成一次與變頻器的通信事件之前，S7-1200通常完成了多個掃描。
USS_PORT通信的時間間隔是S7-1200與變頻器通信所需要的時間，不同的通信波特率對應的不同的USS_PORT通信間隔時間。下圖列出了不同的波特率對應的USS_PORT小通信間隔時間。

圖8：不同的波特率對應的USS_PORT小通信間隔時間

        USS_PORT在發生通信錯誤時，通常進行3次嘗試來完成通信事件，那么S7-1200與變頻器通信的時間就是USS_PORT發生通信超時的時間間隔。例如：如果通信波特率是57600，那么USS_PORT與變頻器通信的時間間隔應當大于小的調用時間間隔，即大于36.1Ms而小于109Ms。S7-1200 USS 協議庫默認的通信錯誤超時嘗試次數是2次。
        基于以上的USS_PORT通信時間的處理，我們建議在循環中斷OB塊中調用USS_PORT通信功能塊。在建立循環中斷OB塊時，我們可以設置循環中斷OB塊的掃描時間，以滿足通信的要求。循環中斷OB塊的掃描時間的設置如下圖所示：

圖9：循環中斷OB塊的掃描時間的設置

ASi網絡系列產品做為西門子分布式傳感器層網絡應用，具有安裝簡易，維護方便，價格低廉等特點，同時，做為網絡通訊的一種，還為傳感器在現場的大規模應用提供了快速，安全的信號傳輸方式。其小安裝節點只有1個，因而能夠滿足現場絕大多數的工藝要求。同時，做為現場網絡的一種，ASi網絡也提供了故障安全產品和協議（ASi Safe），還提供了能夠進行網絡協議轉換的網關，使得故障安全產品還能應用在Profibus或者ProfiNet網絡中。本文將介紹ASi網絡中如何實現ASi safe 以及在如何使用網關通過ASi網絡控制G120F 型變頻器的安全功能。

1 ASi網絡介紹
AS-interface(AS-i) 是執行器（actuator）與傳感器（sensor）接口（interface）的簡稱。是工業現場總線系統中底層的網絡協議，主要用于連接現場的傳感器和執行結構。
ASi總線連接電纜為黃色的扁平電纜，電源電纜為黑色的扁平電纜，由于ASi網絡即能傳輸電源又能傳輸信號，因而節省了大量的現場布線。同時，由于ASi連接方便，又節省了大量的人力成本以及維護成本，因而是現場總線應用中非常經濟實用的一種。

圖1 現場總線的“金字塔”模型

1．1 ASi 網絡結構
ASi具有多種組網方式，使用非常靈活，其網絡拓撲可以是星形，總線型以及樹型。整個網絡可以從任何一個節點向外擴展。例如（圖3、圖4、圖5）：

圖2 線形網絡拓撲

圖3 星形網絡拓撲

圖4 樹型網絡拓撲

其中線型網絡拓撲簡單，所有的連接的從站節點均串聯在ASi總線上；星形網絡拓撲中，較廣泛分布的從站節點均連接到主站上，其中少量的節點還可以串聯在一起；而樹型網絡結構是星形網絡的一種拓展，所有的網絡分支均可連接到“根”節點。

1．2 ASI網絡連接西門子6FC5357-0BB35-0AE0
ASi網絡中至少應包括主站，電源以及ASi從站，ASi網絡是一種單主站系統（圖5）。
一個AS-Interface網絡可以支持31個標準站或62個A/B站。其中標準站和A/B站可以結合在一起使用。網絡中多可以使用4個沒有地址的站點： 例如safety monitors，ground fault monitoring module等。如果網絡中使用中繼器將網絡隔離成不同的網段，則每個網段多可以有4個沒有地址的站點。但這些站點都需要占用標準從站的地址，即此時標準站的數目將相應的減少。

圖5 ASi網絡

ASi網絡還可以做為一個子網，通過網關連接到上層的Profibus或者ProfiNet網絡中（圖6）。此時ASi主站既做ASi網絡的主站，同時又是上層網絡的從站。

圖6 ASi網絡連接到Profibus或者ProfiNet網絡

1．3 ASI網絡拓展
（1）在沒有額外中繼設備的情況下，每個ASi網段的通訊距離是100米。如果通過中繼器進行拓展，則多可以串聯2個中繼器，線型網絡距離達到300米。但每個網段都需要一個單獨的電源供電（圖7）。

圖7 每個網段100米

（2）使用“Extension Plug（拓展插頭）”進行網絡拓展時，可將網絡距離加倍，增加到200米，但中間不能使用任何中繼設備（圖8）。

圖8 使用拓展插頭進行網絡拓展

（3）當網絡中既有“Extension Plug（拓展插頭）”又有中繼器時，可以將中繼器加在“Extension Plug（拓展插頭）”的后面，但不能串聯，因而多可將網絡拓展到600米（圖9）。

圖9 網絡中同時使用拓展插頭和中繼器

2 ASIsafe 介紹
在標準AS-I 網絡中加入Safety，需要：Safety monitor和Safe slaves。
對于已存在的網絡，通過ASIsafe可以更容易的實現與安全相關的功能的擴展而無需使用故障安全型的PLC或者特殊的主站。
DP / AS-i F-Link 將ASIsafe 網絡集成到PROFIBUS 或 PROFINET的安全網絡中。通過PROFIsafe， DP / AS-i F-Link 將ASIsafe網絡連接到安全控制器。DP / AS-i F-Link將AS-i主站（網關）與safety monitor結合在一起。此時的網絡中需要：
1） DP / AS-i F-Link
2） Safe slaves

2．1 DP / AS-i F-Link
通過DP / AS-i F-Link 實現安全功能包括：
1） PROFIBUS DP主站做為安全控制器通過DP / AS-i F-Link 與 AS-i slaves通訊。 AS-i通訊內容在PROFIBUS DP 主站中被劃分為兩個相鄰的數據區：分別為標準數據區和 PROFIsafe 數據區。 DP / AS-i F-Link 是 PROFIBUS DP-V1 的從站和AS-i 主站，從而實現通過PROFIBUS DP來訪問 AS-I 數據。
2）DP / AS-i F-Link可以將與安全相關的輸入數據從ASIsafe從站通過PROFIsafe協議轉發到PROFIBUS DP 主站。無需額外的安全電纜或者安全監視器等設備。
3）二進制或者模擬量都可以被傳輸。安全從站是提供故障安全輸入的設備，例如急停按鈕，光柵，激光掃描儀等。這些設備高可以達到Category 4 （ EN 954-1 ），SIL3（ IEC 61508 ）或者PL e （ EN ISO 13849-1 ）的安全等級。
4）安全數據是通過動態的，安全的傳輸協議在安全從站與DP / AS-i F-Link 之間傳輸的。在每個周期， DP / AS-i F-Link 將按照事先定義的算法從每個連續變化的從站數據中預算一個特定的報文。

圖11 DP / AS-i F-Link的工作原理

通過DP / AS-i F-Link 以及IE/PB Link 等網橋，我們可以將ASI 網絡連接到Profibus或者Profinet網絡中，同時通過ASIsafe 以及Profisafe等協議的保證，可以將ASIsafe 信號傳輸到以太網上的其它故障安全的站點實現控制功能（圖12）。

圖12 ASIsafe 網絡與Profibus以及Profinet的連接

2．2 ASIsafe 網絡器件
相關ASIsafe的網絡器件包括：

1） DP/ASI F link

? 緊湊型的，安全相關的DP與ASI網關。做為ASIsafe的 主站，不再需要額外的ASI主站； ? 可以集成在STEP7中進行組態，也可以通過手動進行 參數設置； ? 可以滿足 Category 4 (EN 954-1) / SIL 3(IEC 61508) / PL e (EN ISO 13849-1)的安全應用。

2） 安全ASI模板

? IP20/IP65/IP67的防護等級； ? 緊湊型設計，輸入點數較少，帶有 標準輸入/輸出。

3） 急停裝置

? IP65/IP67防護等級； ? 可以直接連接到ASI網絡； ? 金屬或者塑料設計； ? 按鈕、指示燈、蘑菇頭以及選擇開關可以 任意組合，只需一根網線。

4）位置開關等

? IP65防護等級； ? 直接連接； ? 執行器或者鎖機構可分離； ? 金屬或者塑料設計。

5）光電感應設備（光柵、激光掃描儀）

? IP65防護等級； ? 激光掃描：Cat3、SIL2或者PLd等級； ? 光柵：Cat4、SIL3或者PLe等級。

6）編址器

? ASI設備的地址設定； ? 讀 ID code； ? 參數設定，ASI 電壓測量； ? 存配置信息。

3 ASIsafe與G120F的應用

圖13 ASisafe與G120F

在本應用中，使通過ASIsafe將ASI網絡中的安全模板連接在一起，然后通過DP/ASi F link 將ASIsafe 集成到Profisafe中，通過DP連接到Safety PLC以及G120F，從而控制G120F的安全功能。
首先通過編址器，為每一個ASi設備進行地址設定。設地址時，應該保證每個設備是單獨連接在網絡中或者直接連接在編址器上。

3．1 硬件連線
ASI總線的連接較為簡單。由于ASI信號電纜為扁平電纜，且有方向性，因而連接不易出錯。這里介紹一下ASI安全型模板的接線。
在本應用中，使用到了兩種ASI安全型模板，分別是：K45(3RK1405-1BG00-0AA2)和
S22(3RK1205-0BE00-0AA2)。
對于這兩種F信號的輸入模板，需要注意其F-IN信號的連接方式。否則該模板將不能正常工作：

1） S22(3RK1205-0BE00-0AA2) 對于該模板，具有2個F-IN通道，因而可以 實現1oo1或者1oo2的連接，從而達到SIL2/ SIL3的安全等級應用。 對于SIL2的應用，雖然模板只需要連接一個 F-IN通道，但模板本身還是檢測兩個通道， 因此注意將另外一個通道短接（圖14）；

圖14 SIL2的接線方式

對于SIL3的應用，需要使用雙觸點或者兩個 單觸點，注意不能使用一個單觸點并聯在兩 個通道上的接線方式（圖15）。

圖15 SIL3的接線方式

2） K45（3RK1405-1BG00-0AA2）
同樣注意SIL2和SIL4的接線方式：

圖16 SIL2的接線方式   

西門子電子模塊
西門子開關量輸入模塊
6ES7 131-4BB01-0AA0 西門子2路開關量輸入  24VDC 標準        （5塊）                       
6ES7 131-4BB01-0AB0 西門子2路開關量輸入  24VDC 高性能      （5塊）                       
6ES7 131-4BD01-0AA0 西門子4路開關量輸入  24VDC 標準        （5塊）                      
6ES7 131-4BD01-0AB0 西門子4路開關量輸入  24VDC 高性能      （5塊）                       
6ES7 131-4BD51-0AA0 西門子4路開關量源輸入  24VDC 標準      （5塊）                      
6ES7 131-4CD00-0AB0 西門子4路開關量輸入 UC 24V...48V 帶 LED SF (組故障)每包裝5個
6ES7 131-4EB00-0AB0 西門子2路開關量輸入  120VAC            （5塊）                       
6ES7 131-4FB00-0AB0 西門子2路開關量輸入  230VAC            （5塊）                       
6ES7 131-4RD00-0AB0 西門子4路開關量輸入 DC 24V NAMUR 15 MM 寬，帶LED SF ，每包裝5個


西門子開關量輸出模板
6ES7 132-4BB01-0AA0 西門子2路開關量輸出 24VDC 0,5A   標準   （5塊）                   
6ES7 132-4BB01-0AB0 西門子2路開關量輸出 24VDC 0,5A   高性能 （5塊）
6ES7 132-4BD01-0AA0 西門子4路開關量輸出 24VDC 0,5A   標準   （5塊）                   
6ES7 132-4BB31-0AA0 西門子2路開關量輸出 標準型 直流24V/2A，每包裝5個
6ES7 132-4BB31-0AB0 西門子2路高性能型開關量輸出 直流24V/2A，每包裝5個
6ES7 132-4BD32-0AA0 西門子4路開關量輸出 24VDC 2A     標準   （5塊）                   
6ES7 132-4FB01-0AB0 西門子2路開關量輸出 交流120/230V，每包裝5個
6ES7 132-4HB01-0AB0  西門子2路繼電器輸出 24VDC/230VAC 5A     （5塊）                   
6ES7 132-4HB10-0AB0 西門子2路繼電器輸出 繼電器直流24V-48V/5A，交流24V-230V/5A（5塊）  


西門子模擬量輸入模板
6ES7 134-4FB01-0AB0 西門子2路模擬量輸入 電壓信號     標準
6ES7 134-4FB51-0AB0 西門子2路高速型模擬量輸入 電壓 +/-10V；模塊周期時間： 1MS
6ES7 134-4LB02-0AB0 西門子2路模擬量輸入  電壓信號  高性能 (16位)
6ES7 134-4GB01-0AB0 西門子2路模擬量輸入 電流信號     標準  2線制
6ES7 134-4GB51-0AB0 西門子2路高速型模擬量輸入  I-2線 4 - 20MA；模塊周期時間： 1MS，
6ES7 134-4GB11-0AB0 西門子2路模擬量輸入  電流信號    標準  4線制
6ES7 134-4GB61-0AB0 西門子2路高速型模擬量輸入 I-4線 4 - 20MA；模塊周期時間： 1MS
6ES7 134-4MB02-0AB0 西門子2路模擬量輸入  電流信號 高性能 (16位)  2線制
6ES7 134-4JB50-0AB0 西門子2路模擬量輸入 RTD熱電阻信號
6ES7 134-4JB00-0AB0 西門子2路模擬量輸入 熱電偶信號
6ES7 134-4NB01-0AB0 西門子2路高性能型模擬量輸入 熱電偶信號，帶內部溫度補償 
6ES7 134-4NB51-0AB0 西門子2路高性能型模擬量輸入 RTD熱電阻信號， 帶線電阻的內部補償


西門子端子模塊
6ES7 193-4CC20-0AA0 西門子2TM-P15S23-A1 f. PM//2x3 電源模塊螺釘型端子
6ES7 193-4CC30-0AA0 西門子2TM-P15C23-A1 f. PM/2x3 電源模塊彈簧型端子
6ES7 193-4CD20-0AA0 西門子2TM-P15S23-A0 f. PM/2x3 電源模塊螺釘型端子
6ES7 193-4CD30-0AA0 西門子2TM-P15C23-A0 f. PM/2x3 電源模塊彈簧型端子
6ES7 193-4CE00-0AA0 西門子2TM-P15S22-01 f. PM/2x2 電源模塊 螺釘型端子
6ES7 193-4CE10-0AA0 西門子2TM-P15C22-01 f. PM/2x2 電源模塊彈簧型端子
6ES7 193-4CA20-0AA0  西門子2TM-E15S24-A1 f. EM/2x4 電子模塊螺釘型端子  （5塊）
6ES7 193-4CA30-0AA0 西門子2TM-E15C24-A1 f. EM/2x4 電子模塊彈簧型端子  （5塊）
6ES7 193-4CB20-0AA0 西門子2TM-E15S24-01 f. EM/2x4 電子模塊螺釘型端子  （5塊）   
6ES7 193-4CB30-0AA0 西門子2TM-E15C24-01 f. EM/2x4 電子模塊彈簧型端子  （5塊） 
6ES7 193-4CB00-0AA0 西門子2TM-E15S23-01 f. EM/2x3 電子模塊螺釘型端子  （5塊）   
6ES7 193-4CB10-0AA0 西門子2TM-E15C23-01 f. EM/2x3 電子模塊彈簧型端子  （5塊）
6ES7 193-4CA40-0AA0 西門子2TM-E15S26-A1 für EM/2x6 電子模塊螺釘型端子 （5塊）      
6ES7 193-4CA50-0AA0 西門子2TM-E15C26-A1 für EM/2x6 電子模塊彈簧型端子 （5塊） 
6ES7 193-4JA00-0AA0 西門子2SIMATIC DP，ET 200S備件終端模塊