西门子6FC5410-0AY03-1AA0

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SINUMERIK 810DE CNC 硬件 CCU3.4 带有 CNC 软件 （出口） 512 Kb NC 存储器 （大扩展容量 2.5 Mb) PLC：96KB（大扩展容量 480kB） 针对 PROFIBUS-DP 准备就绪

问：如何解决G120变频器使用二进制方式多段速在速度切换时DI触点的动作配合不同步造成的速度波动？

答：可使用格雷二进制码方式的多段速解决此问题。

配备CU240B/E-2 和PM240的G120变频器具备多段速给定功能，多段速的给定分为两种：直接给定和二进制给定。
在直接给定方式时，变频器的终速度给定值是由多四个DI对应的速度值之和来决定的，此种应用多用于总的段速较少的情况下，例如只有4个固定速度，较少出现段速切换的速度波动。但是在选择二进制方式给定时，往往会在换档间隙出现设定值的波动，为此我们可以采用格雷码二进制方式来避免这种波动。

在使用二进制给定时，变频器多支持15个速度，在从0速到15速的切换过程中，变频器可能需要同时改变变频器多个DI的状态。
以图2-1所示的应用为例，配置三个DI输入作为多段速信号源，除0速外，一共有7个段速。升速操作时需要从0速档依次增加到7速档，降速操作时，从7速档依次降低至0速档。

图2-1 多段速控制接线示例

使用二进制方式多段速的相关参数设置为：
P1070= 1024
P1001= 50
P1002= 100
P1003= 200
P1004= 300
P1005= 400
P1006= 500
P1007= 600
P1016= 2
P1020= 722.3
P1021= 722.4
P1022= 722.5
正常升降速操作时，例如：从3档（多段速DI状态011）切换到4档（多段速DI状态100），多段速DI的三个位全都发生了变化，如果按图1的接线方式，需要S1，S2，S3三个开关的状态同时改变状态。由于手动操作不可能*同时改变三个开关的状态，此时在换挡的间隙如果有配合不严密，就会造成给定速度的波动。
此时的多段速切换波形如图2-2所示：

图2-2 普通二进制方式下的速度切换波形图示

我们看到，多段速切换间隙会有波动，例如在3档变4档时，由于DI3，DI从1变为0，但是由DI5从0变为1没有与DI3，DI4保持*同步，所以出现了瞬间的000状态，速度设定值发生了波动，影响到负载驱动。6档变5档时，4档变3档时，以及2档变1档时也都出现了类似的波动情况。

为避免二进制方式的固定速度切换时出现的波动，我们可以使用各类二进制码方式对速度进行给定。格雷二进制码的特点是从0000~1111的依次步进时，每次只变化一个位。如表3-1所示为四位5二进制码与格雷二进制码的对照。

表3-1 四位二进制码与格雷二进制码对照表

如果我们引入格雷二进制码方式，从3档切换到4档，就是从010切换到110，此过程只需要切换DI5的状态即可，由于只改变了S3的状态，因此不存在需要跟其他开关配合的问题，保证了速度不会产生波动。

此例使用各类二进制码方式的多段速相关参数设置为：

P1070= 1024
P1001= 50
P1003= 100
P1002= 200
P1006= 300
P1007= 400
P1005= 500
P1004= 600
P1016= 2
P1020= 722.3
P1021= 722.4
P1022= 722.5

使用格雷二进制码的多段速切换状态如图3-1所示，看到段速的依次切换不再有突变。

图3-1 格雷二进制码方式多段速切换的波形图

特别是在手动逐级切换速度的场合，使用各类二进制码方式设计主令开关时序，可以提高设备速度平滑性。

ASi网络系列产品做为西门子分布式传感器层网络应用，具有安装简易，维护方便，价格低廉等特点，同时，做为网络通讯的一种，还为传感器在现场的大规模应用提供了快速，安全的信号传输方式。其小安装节点只有1个，因而能够满足现场绝大多数的工艺要求。同时，做为现场网络的一种，ASi网络也提供了故障安全产品和协议（ASi Safe），还提供了能够进行网络协议转换的网关，使得故障安全产品还能应用在Profibus或者ProfiNet网络中。本文将介绍ASi网络中如何实现ASi safe 以及在如何使用网关通过ASi网络控制G120F 型变频器的安全功能。

1 ASi网络介绍
AS-interface(AS-i) 是执行器（actuator）与传感器（sensor）接口（interface）的简称。是工业现场总线系统中底层的网络协议，主要用于连接现场的传感器和执行结构。
ASi总线连接电缆为黄色的扁平电缆，电源电缆为黑色的扁平电缆，由于ASi网络即能传输电源又能传输信号，因而节省了大量的现场布线。同时，由于ASi连接方便，又节省了大量的人力成本以及维护成本，因而是现场总线应用中非常经济实用的一种。

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图1 现场总线的“金字塔”模型

1．1 ASi 网络结构
ASi具有多种组网方式，使用非常灵活，其网络拓扑可以是星形，总线型以及树型。整个网络可以从任何一个节点向外扩展。例如（图3、图4、图5）：

图2 线形网络拓扑

图3 星形网络拓扑

图4 树型网络拓扑

其中线型网络拓扑简单，所有的连接的从站节点均串联在ASi总线上；星形网络拓扑中，较广泛分布的从站节点均连接到主站上，其中少量的节点还可以串联在一起；而树型网络结构是星形网络的一种拓展，所有的网络分支均可连接到“根”节点。

1．2 ASI网络连接
ASi网络中至少应包括主站，电源以及ASi从站，ASi网络是一种单主站系统（图5）。
一个AS-Interface网络可以支持31个标准站或62个A/B站。其中标准站和A/B站可以结合在一起使用。网络中多可以使用4个没有地址的站点： 例如safety monitors，ground fault monitoring module等。如果网络中使用中继器将网络隔离成不同的网段，则每个网段多可以有4个没有地址的站点。但这些站点都需要占用标准从站的地址，即此时标准站的数目将相应的减少。

图5 ASi网络

ASi网络还可以做为一个子网，通过网关连接到上层的Profibus或者ProfiNet网络中（图6）。此时ASi主站既做ASi网络的主站，同时又是上层网络的从站。

图6 ASi网络连接到Profibus或者ProfiNet网络

1．3 ASI网络拓展
（1）在没有额外中继设备的情况下，每个ASi网段的通讯距离是100米。如果通过中继器进行拓展，则多可以串联2个中继器，线型网络距离达到300米。但每个网段都需要一个单独的电源供电（图7）。

图7 每个网段100米

（2）使用“Extension Plug（拓展插头）”进行网络拓展时，可将网络距离加倍，增加到200米，但中间不能使用任何中继设备（图8）。

图8 使用拓展插头进行网络拓展

（3）当网络中既有“Extension Plug（拓展插头）”又有中继器时，可以将中继器加在“Extension Plug（拓展插头）”的后面，但不能串联，因而多可将网络拓展到600米（图9）。

图9 网络中同时使用拓展插头和中继器

2 ASIsafe 介绍
在标准AS-I 网络中加入Safety，需要：Safety monitor和Safe slaves。
对于已存在的网络，通过ASIsafe可以更容易的实现与安全相关的功能的扩展而无需使用故障安全型的PLC或者特殊的主站。
DP / AS-i F-Link 将ASIsafe 网络集成到PROFIBUS 或 PROFINET的安全网络中。通过PROFIsafe， DP / AS-i F-Link 将ASIsafe网络连接到安全控制器。DP / AS-i F-Link将AS-i主站（网关）与safety monitor结合在一起。此时的网络中需要：
1） DP / AS-i F-Link
2） Safe slaves

2．1 DP / AS-i F-Link
通过DP / AS-i F-Link 实现安全功能包括：
1） PROFIBUS DP主站做为安全控制器通过DP / AS-i F-Link 与 AS-i slaves通讯。 AS-i通讯内容在PROFIBUS DP 主站中被划分为两个相邻的数据区：分别为标准数据区和 PROFIsafe 数据区。 DP / AS-i F-Link 是 PROFIBUS DP-V1 的从站和AS-i 主站，从而实现通过PROFIBUS DP来访问 AS-I 数据。
2）DP / AS-i F-Link可以将与安全相关的输入数据从ASIsafe从站通过PROFIsafe协议转发到PROFIBUS DP 主站。无需额外的安全电缆或者安全监视器等设备。
3）二进制或者模拟量都可以被传输。安全从站是提供故障安全输入的设备，例如急停按钮，光栅，激光扫描仪等。这些设备高可以达到Category 4 （ EN 954-1 ），SIL3（ IEC 61508 ）或者PL e （ EN ISO 13849-1 ）的安全等级。
4）安全数据是通过动态的，安全的传输协议在安全从站与DP / AS-i F-Link 之间传输的。在每个周期， DP / AS-i F-Link 将按照事先定义的算法从每个连续变化的从站数据中预算一个特定的报文。

图11 DP / AS-i F-Link的工作原理

通过DP / AS-i F-Link 以及IE/PB Link 等网桥，我们可以将ASI 网络连接到Profibus或者Profinet网络中，同时通过ASIsafe 以及Profisafe等协议的保证，可以将ASIsafe 信号传输到以太网上的其它故障安全的站点实现控制功能（图12）。

图12 ASIsafe 网络与Profibus以及Profinet的连接

2．2 ASIsafe 网络器件
相关ASIsafe的网络器件包括：

1） DP/ASI F link

? 紧凑型的，安全相关的DP与ASI网关。做为ASIsafe的 主站，不再需要额外的ASI主站； ? 可以集成在STEP7中进行组态，也可以通过手动进行 参数设置； ? 可以满足 Category 4 (EN 954-1) / SIL 3(IEC 61508) / PL e (EN ISO 13849-1)的安全应用。

2） 安全ASI模板

? IP20/IP65/IP67的防护等级； ? 紧凑型设计，输入点数较少，带有 标准输入/输出。

3） 急停装置

? IP65/IP67防护等级； ? 可以直接连接到ASI网络； ? 金属或者塑料设计； ? 按钮、指示灯、蘑菇头以及选择开关可以 任意组合，只需一根网线。

4）位置开关等

? IP65防护等级； ? 直接连接； ? 执行器或者锁机构可分离； ? 金属或者塑料设计。

5）光电感应设备（光栅、激光扫描仪）

? IP65防护等级； ? 激光扫描：Cat3、SIL2或者PLd等级； ? 光栅：Cat4、SIL3或者PLe等级。

6）编址器

? ASI设备的地址设定； ? 读 ID code； ? 参数设定，ASI 电压测量； ? 存配置信息。

3 ASIsafe与G120F的应用

图13 ASisafe与G120F

在本应用中，使通过ASIsafe将ASI网络中的安全模板连接在一起，然后通过DP/ASi F link 将ASIsafe 集成到Profisafe中，通过DP连接到Safety PLC以及G120F，从而控制G120F的安全功能。
首先通过编址器，为每一个ASi设备进行地址设定。设地址时，应该保证每个设备是单独连接在网络中或者直接连接在编址器上。

3．1 硬件连线
ASI总线的连接较为简单。由于ASI信号电缆为扁平电缆，且有方向性，因而连接不易出错。这里介绍一下ASI安全型模板的接线。
在本应用中，使用到了两种ASI安全型模板，分别是：K45(3RK1405-1BG00-0AA2)和
S22(3RK1205-0BE00-0AA2)。
对于这两种F信号的输入模板，需要注意其F-IN信号的连接方式。否则该模板将不能正常工作：

1） S22(3RK1205-0BE00-0AA2) 对于该模板，具有2个F-IN通道，因而可以 实现1oo1或者1oo2的连接，从而达到SIL2/ SIL3的安全等级应用。 对于SIL2的应用，虽然模板只需要连接一个 F-IN通道，但模板本身还是检测两个通道， 因此注意将另外一个通道短接（图14）；

图14 SIL2的接线方式

对于SIL3的应用，需要使用双触点或者两个 单触点，注意不能使用一个单触点并联在两 个通道上的接线方式（图15）。

图15 SIL3的接线方式

2） K45（3RK1405-1BG00-0AA2）
同样注意SIL2和SIL4的接线方式：

图16 SIL2的接线方式