SINAMICS G120故障安全功能调试指南

SINAMICS G120系列变频器做为西门子通用型变频器产品中的一种，在市场上一直有着非常广泛的应用，随着行业应用的不断拓展， G120系列变频器也逐渐具有了故障安全功能。本文将主要介绍G120变频器的故障安全功能的调试和使用方法。

1 SINAMICS G120 故障安全型变频器的硬件
G120变频器包括支持DP接口和PN接口两种，其中G120D具有高防护等级（IP67）的特性，它们的安全功能基本都类似：

1）SINAMICS G120 CU240S DP F （6SL3244-0BA21-1PA0）
2）SINAMICS G120 CU240S PN F （6SL3244-0BA21-1FA0）
3）SINAMICS G120D CU240D DP F （6SL3544-0FA21-1PA0）
4) SINAMICS G120D CU240D PN F (6SL3 544-0FA21-1FA0)
硬件的版本为到目前为止最高版本V3.2。

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G120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（或Scout/Starter）

2.2 STEP7项目组态和设置

1）硬件组态
首先在STEP7中建立一个S7 300项目，在实际硬件中，我们采用了带PN接口的G120模块，因而需要组态Profinet网络。

图1 新建S7 300项目

在硬件组态中，选择CPU317F-2PN/DP做为F的主站，添加一条以太网，在硬件列表中选择“PROFINET IO” ® “SINAMICS G120” ® “SINAMICS G120 CU240S PN F”，用鼠标点中将其拖拽到以太网上，同时将“PROFIsafe”报文添加到G120的硬件插槽中（图2）。

图2 将G120添加到项目中

2） 组态网络
双击G120为其分配设备名（g120pnio）和IP地址(192.168.0.3)。其中设备名必须与实际连接的G120的设备名一致，否则将无法进行下载（图3）。

图3 为G120的PN口分配IP地址和设备名

3) 故障安全参数设置
双击G120硬件组态1.3槽中的“Profisafe”，打开属性设置（图4）。

图4 Profisafe属性设置

其中：
F_SIL：表示系统能够达到的安全等级；
F_Source_Add：F系统主站的“源地址”，一般采用默认值即可；
F_Dest_Add：F系统目的站的地址，一般采用默认值即可，该值需要与G120的实际值相对应，可通过参数P9810在G120上设定；
F_WD_Time：F系统的看门狗时间，一般至少应大于OB35的循环中断时间（建议设置在300ms以上）；

4） F-CPU的参数配置
双击CPU，打开属性页面。首先选择“F Parameters”属性页，为安全程序设置密码。该密码防止了F程序被没有授权的用户随意修改（图5）。

图5 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。

图6 CPU的F相关系统参数

接下来在“Protection”属性中，设置程序的读/写保护，同时将“CPU contains safety program”激活（图7）。

图7 设置CPU读/写密码保护

配置结束后，选择“存盘/编译”。

图8 存盘编译

2. 3 G120的参数设置

（1）编译后的S7项目下，出现了G120设备，其设备名为“g120pnio”，双击“Commissioning”，打开G120的调试界面（图9）。

图9 双击打开G120调试界面

（2）系统将启动SIMOTION SCOUT（或者DriveES / Starter）。
首先选择接口设置，否则软件可能无法与G120正常连接（图10）。

图10 设置连接接口

这里采用的以太网的连接方式。

图11 设置PG/PC 接口

（3）在Scout软件中，选择在线“online”，连接到G120。

图12 选择在线功能

至于如何配置驱动，这里不再详细介绍，请参照有关G120的调试手册。
G120的安全功能只有在“Online”状态下才可以进行调试。

图13 打开安全功能调试界面

选择“Safety Integrated”，设置故障安全功能的参数。

2. 4 故障安全功能调试

2.4.1 安全功能选择
G120 F提供了STO/SS1/SLS/SBC等安全功能，这些安全功能可以通过端子或者Profisafe协议来控制。在“Enables”属性页中，可以通过P9603/P9803选择安全功能的激活方式（图14）。

图14 通过P9603选择安全功能激活方式

G120的故障安全功能是通过两个处理器进行信号处理的，一个为驱动处理器（P9603），另外一个为通讯处理器（P9803）。G120通过比较这两个处理器的结果对功能进行设置，如果没有错误，则可以正常启动相应的功能，否则进入“钝化”状态。

图16 两个处理器进行信号的比较

(1) 对于通过端子实现安全功能，G120F提供了2组双回路的端子，可以连接2个双通道的按钮或者急停开关来实现安全功能的激活（图15），但通过端子控制时只能选择2个安全功能。

图15 G120F故障安全接线端子

当选择通过Porfisafe来激活安全功能时，端子激活的方式将不再能够被选择。

(2) 选中通过Profisafe的报文来控制安全功能后，端子控制的方式将不能再被激活。

2.4.2 安全功能参数设置
选择“Change settings”选项进行参数设定。

图16 选择安全功能设定

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，驱动单元的启动功能被禁止，驱动设备无法在故障状态下被重启，电机进入无转矩自由停车状态。

图17 设置STO

如果采用端子控制方式，则可以对两个输入端子回路进行差异时间的监控（Debounce time），也可以定义最小相应时间来对信号进行滤波（Response time）。
如果采用Profisafe方式，则可以定义系统在STO结束时的自检过程，以保证系统正常运行 (包括关断测试时间：8 hour) 。
钝化的STO功能（Passivated STO）：当系统进入STO过程中（20ms）检测到内部出现故障或者其它过程中检测到故障时，将随时进入PSTO状态，直到所有的故障都被消除后并确认后，系统才可以正常运行。且PSTO拥有最高优先级。

2) 安全停车（SS1）
当“SS1”被激活时，电机转速将按照设定方式的斜坡下降，当在规定时间内（Tr）到达Standstill 设定频率时，进入STO状态。如果超过延时监控时间（Tv），则系统故障，同时进入STO。此时需要将该故障进行“确认”操作，之后系统才可以正常启动。

图18 选择安全停车

3） 安全限速(SLS)
安全限速功能(Safely Limited Speed) 用于保护驱动设备在相对安全的速度上运行。G120提供了4种模式的安全限速功能（模式0～模式3）。

图19 安全限速功能的选择

关于几种模式的功能说明，请参照手册：SINAMICS Function Manual (Firmware V3.2)，这里不再一一详述。其中模式3只有V3.2的硬件中才有。
设定结束，选择“Accept settings”。
至此，我们完成G120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。

2.4.3 程序编制

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20）。

图20 插入新的功能（Function）

2）为新创建的FC选择语言“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21 选择创建语言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22）。

图22 新建功能块

该功能块（FB1）的创建语言选择“F-FBD”或者“F-LAD”。

图23 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）。

图24 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，其输入/输出地址分别是地址18..23。

Profisafe报文对应的控制字为：

状态字为：

则在FB1 中编程即可：

图25 控制字的程序

其中Q18.0、Q18.1和Q19.0分别对应激活STO、SS1和SLS的安全功能（图25）；至于故障安全状态，则通过I18.0、I18.1和I19.0进行检测（图26）。

图26 状态字的程序

4）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。
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28）。

图27 G120的“去钝化”

5）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28）。

图28 选择F运行组

新建一个安全组。然后选择相应的FB、FC即可。

图29 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30 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。

6）然后在SIMATIC Manager下新建OB35，在OB35中调用“F-CALL”。

图31 OB35中调用F-CALL

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32 安全程序的下载

程序编译下载后，启动CPU，此时首先可能需要对G120进行一次“去钝化”的操作，然后我们可以通过Profisafe控制激活G120的安全功能。

7）关于G120的“去钝化”
G120做为PN或者DP的从站，当CPU重新上电过程中，一般进行自动去钝的操作；系统运行过程中，如果是故障状态，一般需要进行故障确认，然后进行手动去钝即可重新操作；如果无法故障确认，则需要重新将G120上电才可以重新正常运行。

关键词
故障安全，G120，Profisafe，变频器

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