Asi Safe与G120F 安全功能应用指南

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。其最小安装节点只有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最底层的网络协议，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

其中线型网络拓扑最简单，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。网络中最多可以使用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，则每个网段最多可以有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，则最多可以串联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，因而最多可将网络拓展到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。这些设备最高可以达到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                                     图17 SIL3的接线方式

3．2 调试过程

3．2．1 Step7的组态

（1）新建一个S7 300站，添加CPU 317F-2 PN/DP做为F主机，新建Profibus 网络，在网络中添加DP/ASI F LINK 以及 SINAMICS CU240DP F做为从站，站号分别为3和4（图18）。

图18 新建S7 300站

（2）双击CPU，设置CPU的参数。
选择F 参数，为故障安全程序设置密码（图19），防止有未经授权的人修改F程序。

图19 设置F程序的密码

选择“Protection”，设定CPU程序的访问保护密码，同时将“CPU contains safety program”激活（图20）。

图20 选择密码保护选项

（3）双击DP/ASi F link，在其属性中选择“Upload to PG”（图21），将其所连接的ASi从站读入到Step7的项目中（图22）。

图21 DP/ASi F link 的属性

图22 DP/ASI F link所连接的从站

（4）双击其中的AS-I F Salve，可以设置该从站的ASi属性（图23）和F参数（图24）。
由于该模板是直接上载上来的，因而ASi的属性可以不用修改。

图23 ASi F 从站的ASi属性

在“ASIsafe”中设置该从站的F通道的参数：

图24 F参数属性

这里可以根据实际的接线情况，选择所连接的传感器的评估方式：1oo1或者1oo2。

（5）此时，选择DP/ASi F Link的“Teach”功能，对ASi的F从站进行评估（图25）。

图25 选择Teach功能

如果某个从站有问题（比如接线有问题），则“Teach”功能不能正常完成，而DP/ASi F Link 的显示屏上也会显示出故障指示：CTER---ASI 10，表示ASI 10号站有问题，需要对该站进行进一步的检查（图26）。

图26 “Teach”功能检测到故障

如果Teach功能不能正常结束，则表示DP/ASi F Link 检测到ASIsafe的故障，则整个ASIsafe 不能正常工作。

（5）双击SINAMICS G120F，设置其属性（图27）。
首先添加一条PROFIsafe的报文“PROFIsafe message frame 30”，然后点开“PROFIsafe”按钮。

图27 为G120F 设置F报文

在F 参数中，可以将“F_WD_TIME”参数适当增大，其余参数可保持不变（图28）。

图28 G120 F参数

在硬件组态中保存编译后，我们可以看到在Step7的Block下，出现了一些相关F系统的功能块（带黄色标签），这些功能块都是与F设备的硬件组态信息相关的。

3．2．2 程序编制
故障安全系统的程序编制与标准程序的编制方法相同，但有些特殊的要求，以保证数据的安全。
（1） 双击打开Step7SIMATIC Manager，在“Block”下选择插入一个“Function”（图29）。

图29 插入FC

在创建语言中选择F-CALL。

图30 选择FC的属性

然后插入一个FB，做为F程序的调用块。

图31 插入F-FB

创建语言选择F-FBD。注意为每个FB都创建一个背景数据块。

图32 创建F-FB。

打开F-FB，所有F程序都要在F-FB中编制。
在F-FB 中，通过程序来控制G120F的故障安全功能：STO，SS1和SLS（图33）。
由于采用的是Profisafe的控制方式，因而Profisafe报文对应的控制字为：

状态字为：

故在程序中，只需激活相应的控制字即可。由于Profisafe报文的输入/输出字节的起始地址是44（图27），因而此刻安全功能的对应控制字的地址为：
“STO”----Q44.0
“SS1”----Q44.1
“SLS”----Q45.0
而状态字地址为：
“STO”----I 44.0
“SS1”---- I 44.1
“SLS”---- I 45.0

图33 程序控制G120的F功能

当F类型的模板检测到故障时，将进入“钝化—Passivate”状态，此时F输入/输出信号将不再被处理，直到外部故障消失后，在程序中进行了“去钝化—Reintergration/Depassivation”的操作后才能继续工作（图34）。

图34 F模板的去钝操作

G120F的安全功能参数设定需要使用Starter等软件进行设定和调试，这里不再详细介绍，请参照相关手册。

（2） 打开OB35。
在OB35中，调用FC (F-CALL) ， FC (F-CALL) 中无需编制任何程序。
如：CALL FC1----------------F-CALL
而关于G120变频器参数设定的程序也可以在OB35（或者OB1）中调用。
例如：
L 16＃047E ---------------G120起停命令
T PIW256------------------ G120控制字节地址
L 16#2000------------------设定频率
T PIW258-------------------G120参数字节地址

（3） F程序的编译
当F程序编制结束后，需要进行F程序的编译。
首先在SIMATIC Manager下选择F编译 。
请注意，此时的F程序的标签是不一致的（0和7C9798CE）。

选择“F-Runtim groups”（图35）。

图35 进入F编译

刚进入F运行组时，内部是没有任何运行组的，须选择“New”新建一个F的运行组。

图36 选择新建运行组

图37 新建F运行组

然后选择F编译--“Compile”。

图38 F编译

编译后，如果没有错误，则程序的标签变为一致（58335FAA）。
编译成功后，选择“Download”进行F程序的下载。

具体的功能描述：
当Asi F光幕检测到有人进入危险区域时，将激活G120F的SLS功能，G120F进入安全速度运行；当人离开时，并不马上恢复正常速度，依旧保持安全速度，需要有人进行复位后才恢复正常运行速度，该复位按钮连接在Asi K45 F模板的F-IN 通道上。Asi 急停按钮激活STO功能，限位开关激活SS1功能。当有安全功能被激活时，灯烛上的由Asi F K20模板控制的黄灯点亮，正常运行时，绿灯点亮。
G120F的安全功能是集成在G120F变频器内部的，外部的控制信号只需激活相应的安全功能即可，无需在PLC内编制复杂的程序。控制信号全部是Asi F信号，通过DP/ASI F Link 将Asisafe 集成到 Profisafe，通过DP总线实现对G120F 变频器的控制。

关键词
ASi Safe，故障安全，变频器，G120F

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