西门子6FC5357-0BB35-0AE0

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6FC5357-0BB35-0AE0

SINUMERIK 840D/DE NCU 573.5，933MHz，64MB 不带系统软件 存储器：NC 3MB，PLC 128KB PROFIBUS-DP 准备

．控制系统原理和接线图

下图是本例中所使用的原理和接线图。

图1:控制系统原理和接线图

2．硬件需求
S7-1200 PLC目前有3种类型的CPU：
1）S7-1211C CPU。
2）S7-1212C CPU。
3）S7-1214C CPU。
这三种类型的CPU都可以使用USS通信协议通过通信模块CM1241 RS485来实现S7-1200与G120变频器的通信。

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

本例中使用的G120变频器硬件为：
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 通信电缆 ( 6XV1830-0EH10)

3．软件需求

1) 编程软件 Step7 Basic V10.5 ( 6ES7 822-0AA0-0YA0)

4．组态

我们通过下述的实际操作来介绍如何在Step7 Basic V10.5 中组态S7-1214C 和G120变频器的USS通信。

4. 1 PLC 硬件组态

首先在Step7 Basic V10.5中建立一个项目，如图1所示。

图2： 新建S7 1200项目

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

图3： S7 1200硬件配置

在CPU的属性中，设置以太网的IP地址，建立PG与PLC的连接，如下图所示。

图4： S7 1200 IP地址的设置

4. 2 G120参数设置

变频器的参数设置如下表所示。

表1 ：G120变频器的参数设置

注意：表1中的17，18，19，20 这四项参数值的设置必须使PLC的参数值与变频器的参数值相*。而19，20这两个参数值必须设置成如表1中的值，否则有可能变频器与S7-1200通信有如下问题：可能不能读出从变频器反馈回来的参数值。

5．USS通信原理与编程的实现

5. 1 S7 1200 PLC与G120 通过USS通信的基本原理

S7 1200提供了的USS库进行USS通信，如下图所示：

图5： S7 1200 的USS库

        USS_DRV 功能块是S7-1200 USS通信的主体功能块，接受变频器的信息和控制变频器的指令都是通过这个功能快来完成的。必须在主 OB中调用，不能在循环中断OB中调用。
        USS_PORT功能块是S7-1200与变频器USS通信的接口,主要设置通信的接口参数。可在主OB或中断OB中调用。
        USS_RPM功能块是通过USS通信读取变频器的参数。必须在主 OB中调用，不能在循环中断OB中调用。
        USS_WPM功能块是通过USS通信设置变频器的参数。必须在主 OB中调用，不能在循环中断OB中调用。

这些功能块与变频器之间的控制关系如下图所示：

图6： USS 通信功能块与变频器的控制关系

        USS_DRV功能块通过USS_DRV_DB数据块实现与USS_PORT功能块的数据接收与传送，而USS_PORT功能块是S7-1200 PLC CM1241 RS485模块与变频器之间的通信接口。USS_RPM功能块和USS_WPM功能块与变频器的通信与USS_DRV功能块的通信方式是相同的。

        每个S7-1200 CPU多可带3个通信模块，而每个CM1241 RS485通信模块多支持16个变频器。因此用户在一个S7-1200 CPU中多可建立3个USS网络，而每个USS网络多支持16个变频器，总共多支持48个USS变频器。

5. 2 S7 1200 PLC进行USS通信的编程

1．USS通信接口参数功能块的编程
USS通信接口参数功能块的编程如下图所示。

图7： USS通信接口参数功能块的编程

USS_PORT功能块用来处理USS网络上的通信，它是S71200 CPU与变频器的通信借口。每个CM1241 RS485模块有且必须有一个USS_PORT功能块。

PORT：指的是通过哪个通信模块进行USS通信。
BAUD：指的是和变频器进行通行的速率。 变频器的参数P2010种进行设置。
USS_DB：指的是和变频器通信时的USS数据块。每个通信模块多可以有16个USS数据块，每个CPU多可以有48个USS数据块，具体的通信情况要和现场实际情况相联系。每个变频器与S7-1200进行通信的数据块是一的。
ERROR：输出错误。
STATUS：扫描或初始化的状态。
S7-1200 PLC与变频器的通信是与它本身的扫描周期不同步的，在完成一次与变频器的通信事件之前，S7-1200通常完成了多个扫描。
USS_PORT通信的时间间隔是S7-1200与变频器通信所需要的时间，不同的通信波特率对应的不同的USS_PORT通信间隔时间。下图列出了不同的波特率对应的USS_PORT小通信间隔时间。

图8：不同的波特率对应的USS_PORT小通信间隔时间

        USS_PORT在发生通信错误时，通常进行3次尝试来完成通信事件，那么S7-1200与变频器通信的时间就是USS_PORT发生通信超时的时间间隔。例如：如果通信波特率是57600，那么USS_PORT与变频器通信的时间间隔应当大于小的调用时间间隔，即大于36.1Ms而小于109Ms。S7-1200 USS 协议库默认的通信错误超时尝试次数是2次。
        基于以上的USS_PORT通信时间的处理，我们建议在循环中断OB块中调用USS_PORT通信功能块。在建立循环中断OB块时，我们可以设置循环中断OB块的扫描时间，以满足通信的要求。循环中断OB块的扫描时间的设置如下图所示：

图9：循环中断OB块的扫描时间的设置

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。

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网络连接西门子6FC5357-0BB35-0AE0
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   

西门子电子模块
西门子开关量输入模块
6ES7 131-4BB01-0AA0 西门子2路开关量输入  24VDC 标准        （5块）                       
6ES7 131-4BB01-0AB0 西门子2路开关量输入  24VDC 高性能      （5块）                       
6ES7 131-4BD01-0AA0 西门子4路开关量输入  24VDC 标准        （5块）                      
6ES7 131-4BD01-0AB0 西门子4路开关量输入  24VDC 高性能      （5块）                       
6ES7 131-4BD51-0AA0 西门子4路开关量源输入  24VDC 标准      （5块）                      
6ES7 131-4CD00-0AB0 西门子4路开关量输入 UC 24V...48V 带 LED SF (组故障)每包装5个
6ES7 131-4EB00-0AB0 西门子2路开关量输入  120VAC            （5块）                       
6ES7 131-4FB00-0AB0 西门子2路开关量输入  230VAC            （5块）                       
6ES7 131-4RD00-0AB0 西门子4路开关量输入 DC 24V NAMUR 15 MM 宽，带LED SF ，每包装5个


西门子开关量输出模板
6ES7 132-4BB01-0AA0 西门子2路开关量输出 24VDC 0,5A   标准   （5块）                   
6ES7 132-4BB01-0AB0 西门子2路开关量输出 24VDC 0,5A   高性能 （5块）
6ES7 132-4BD01-0AA0 西门子4路开关量输出 24VDC 0,5A   标准   （5块）                   
6ES7 132-4BB31-0AA0 西门子2路开关量输出 标准型 直流24V/2A，每包装5个
6ES7 132-4BB31-0AB0 西门子2路高性能型开关量输出 直流24V/2A，每包装5个
6ES7 132-4BD32-0AA0 西门子4路开关量输出 24VDC 2A     标准   （5块）                   
6ES7 132-4FB01-0AB0 西门子2路开关量输出 交流120/230V，每包装5个
6ES7 132-4HB01-0AB0  西门子2路继电器输出 24VDC/230VAC 5A     （5块）                   
6ES7 132-4HB10-0AB0 西门子2路继电器输出 继电器直流24V-48V/5A，交流24V-230V/5A（5块）  


西门子模拟量输入模板
6ES7 134-4FB01-0AB0 西门子2路模拟量输入 电压信号     标准
6ES7 134-4FB51-0AB0 西门子2路高速型模拟量输入 电压 +/-10V；模块周期时间： 1MS
6ES7 134-4LB02-0AB0 西门子2路模拟量输入  电压信号  高性能 (16位)
6ES7 134-4GB01-0AB0 西门子2路模拟量输入 电流信号     标准  2线制
6ES7 134-4GB51-0AB0 西门子2路高速型模拟量输入  I-2线 4 - 20MA；模块周期时间： 1MS，
6ES7 134-4GB11-0AB0 西门子2路模拟量输入  电流信号    标准  4线制
6ES7 134-4GB61-0AB0 西门子2路高速型模拟量输入 I-4线 4 - 20MA；模块周期时间： 1MS
6ES7 134-4MB02-0AB0 西门子2路模拟量输入  电流信号 高性能 (16位)  2线制
6ES7 134-4JB50-0AB0 西门子2路模拟量输入 RTD热电阻信号
6ES7 134-4JB00-0AB0 西门子2路模拟量输入 热电偶信号
6ES7 134-4NB01-0AB0 西门子2路高性能型模拟量输入 热电偶信号，带内部温度补偿 
6ES7 134-4NB51-0AB0 西门子2路高性能型模拟量输入 RTD热电阻信号， 带线电阻的内部补偿


西门子端子模块
6ES7 193-4CC20-0AA0 西门子2TM-P15S23-A1 f. PM//2x3 电源模块螺钉型端子
6ES7 193-4CC30-0AA0 西门子2TM-P15C23-A1 f. PM/2x3 电源模块弹簧型端子
6ES7 193-4CD20-0AA0 西门子2TM-P15S23-A0 f. PM/2x3 电源模块螺钉型端子
6ES7 193-4CD30-0AA0 西门子2TM-P15C23-A0 f. PM/2x3 电源模块弹簧型端子
6ES7 193-4CE00-0AA0 西门子2TM-P15S22-01 f. PM/2x2 电源模块 螺钉型端子
6ES7 193-4CE10-0AA0 西门子2TM-P15C22-01 f. PM/2x2 电源模块弹簧型端子
6ES7 193-4CA20-0AA0  西门子2TM-E15S24-A1 f. EM/2x4 电子模块螺钉型端子  （5块）
6ES7 193-4CA30-0AA0 西门子2TM-E15C24-A1 f. EM/2x4 电子模块弹簧型端子  （5块）
6ES7 193-4CB20-0AA0 西门子2TM-E15S24-01 f. EM/2x4 电子模块螺钉型端子  （5块）   
6ES7 193-4CB30-0AA0 西门子2TM-E15C24-01 f. EM/2x4 电子模块弹簧型端子  （5块） 
6ES7 193-4CB00-0AA0 西门子2TM-E15S23-01 f. EM/2x3 电子模块螺钉型端子  （5块）   
6ES7 193-4CB10-0AA0 西门子2TM-E15C23-01 f. EM/2x3 电子模块弹簧型端子  （5块）
6ES7 193-4CA40-0AA0 西门子2TM-E15S26-A1 für EM/2x6 电子模块螺钉型端子 （5块）      
6ES7 193-4CA50-0AA0 西门子2TM-E15C26-A1 für EM/2x6 电子模块弹簧型端子 （5块） 
6ES7 193-4JA00-0AA0 西门子2SIMATIC DP，ET 200S备件终端模块