西門子PLC安全組態(tài)和編程

肖雄興

摘要：在當(dāng)下國內(nèi)乃至全球的沖壓生產(chǎn)現(xiàn)場，凡涉及安全層面的問題越發(fā)受到重視，安全管理也是生產(chǎn)管理的基礎(chǔ)及焦點所在。以往確保安全的工作主要依靠現(xiàn)場人員的注意力，但是人總會出錯，由人的因素確保安全的思路，業(yè)內(nèi)已不受認(rèn)可。安全問題應(yīng)當(dāng)首先要在技術(shù)方面來實現(xiàn)，即一旦人出錯，壓力機(jī)出現(xiàn)故障，安全裝置立即切斷動力源，讓壓力機(jī)有規(guī)則地動作，避免人身傷害，這才是安全技術(shù)的精髓所在。壓力機(jī)安全技術(shù)的實現(xiàn)主要體現(xiàn)在機(jī)械設(shè)計和電氣設(shè)計上，而西門子的安全系統(tǒng)在當(dāng)前的壓力機(jī)電氣控制領(lǐng)域位居前列，所以對西門子安全系統(tǒng)的研究很有必要。

關(guān)鍵詞：西門子;PLC;組態(tài)

1 安全模塊

如圖1所示，西門子的安全系統(tǒng)一般包含以下組件：（1）具有故障安全功能的中央處理單元（需要在上面執(zhí)行安全程序），本文以CPU 1515F-2PN為例;（2）故障安全輸入，本文以F-DI16x24VDC為例;（3）故障安全輸出，本文以F-DQ8x24VDC為例。

CPU 1515F-2PN比普通CPU相比有更高的可靠性，通過冗余措施避免整個系統(tǒng)的功能失效，即使失效，也是以可預(yù)見、安全的方式出現(xiàn)。同時強(qiáng)調(diào)內(nèi)部診斷，通過硬件和軟件的有機(jī)結(jié)合，對檢測出系統(tǒng)的異常運(yùn)行狀態(tài)，做出針對性的處理。

F-DI16x24VDC安全輸入模塊擁有安全等級為SIL3的16個（Category3/PLd）類型輸入或8個（Category 4/PLe）類型輸入，每個通道組內(nèi)部集成防短路保護(hù)傳感器電源，可以有效避免傳感器短路后損壞模塊。同時每個通道都可以進(jìn)行特定自診斷，例如短路、負(fù)載電壓缺失等。

F-DQ8x24VDC安全輸出模塊擁有安全等級為SIL3的8個（Cat.4/PLe）類型輸出PM開關(guān)或PP開關(guān)，每個輸出通道的輸出電流達(dá)到2A，可直接驅(qū)動電磁閥、接觸器和信號燈。同樣每個通道也具備特定自診斷功能。

由以上安全模塊組成的故障安全系統(tǒng)不僅可以滿足IEC 61508：2010的安全完整性等級SIL3的安全要求，也符合ISO 13849-1：2015或EN ISO13849-1：2015的性能等級（PL）e和類別4的安全標(biāo)準(zhǔn)。

2 安全組態(tài)

西門子安全組態(tài)就是對博途平臺中的拓?fù)浠蚓W(wǎng)絡(luò)視圖設(shè)備和模塊進(jìn)行排列、設(shè)置和聯(lián)網(wǎng)，將各自模塊自動分配一個I/O地址，當(dāng)然這些I/O地址可以隨后進(jìn)行修改。同時將預(yù)設(shè)組態(tài)與系統(tǒng)當(dāng)前的實際組態(tài)進(jìn)行比較，這樣可以檢測可能發(fā)生的錯誤并報告。

對F-CPU模塊進(jìn)行組態(tài)的方式與對標(biāo)準(zhǔn)自動化系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)的方式基本相同，特別注意的是在安全組態(tài)中，更改標(biāo)準(zhǔn)用戶程序時不允許通過F-CPU密碼進(jìn)行訪問，否則會造成安全程序的更改。要排除這種可能性，組態(tài)保護(hù)級別必須為“1”。如果僅有一個人經(jīng)過授權(quán)可以對標(biāo)準(zhǔn)用戶程序和安全程序進(jìn)行更改，則組態(tài)保護(hù)級別應(yīng)為“2”或“3”，從而使其他人員僅能有限地訪問或根本無法訪問整個用戶程序。

對F-DI和F-DQ模塊的組態(tài)方式與標(biāo)準(zhǔn)I/O相同，但是F模塊使用前，必須為其分配PROFIsafe地址（F目標(biāo)地址和F源地址），地址分配完畢后根據(jù)需要對組態(tài)中的傳感器電源、評估等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中傳感器電源參數(shù)通過該參數(shù)組，可指定是否使用內(nèi)部傳感器電源，以及內(nèi)部傳感器電源的類型和所用通道組，相應(yīng)的選擇適用于整個通道組。通過傳感器評估參數(shù)選擇傳感器評估類型，圖2中選擇1oo1 evaluation，表示傳感器占用一個輸入通道。其中需要注意的是，使用一個雙通道傳感器或兩個單通道傳感器測量同一個的過程變量，由于精度限制而導(dǎo)致傳感器間因存在極小時間的延時而互相影響。另外，在故障安全輸入的對等/非對等偏差分析，可用于檢測因兩個相同功能信號的時間特性導(dǎo)致的誤差。檢測到兩個相關(guān)輸入信號的電平不同時，則啟動誤差分析。并通過檢查確定電平誤差是否在超出指定時間后消失，即差異時間。如果仍未消失，則表示存在差異錯誤。

3 編程實例

西門子S7-1500的安全程序由FBD或LAD編程語言創(chuàng)建的F塊和系統(tǒng)自動添加的F塊組成。系統(tǒng)將在用戶創(chuàng)建的安全程序中自動添加故障檢測和響應(yīng)措施，并且會執(zhí)行額外的安全相關(guān)測試。此外，用戶也可以在安全程序中添加指令形式的特殊預(yù)制安全功能。其主要的編程工作在Main_Safety_RTG1塊中進(jìn)行，在基于西門子S7-1500的壓力機(jī)電控系統(tǒng)中調(diào)用最多的安全指令為“ESTOP1”，所以在本文中對該指令做詳細(xì)的剖析，首先在指令庫中找到該指令將其拖拽到Main_Safety_RTG1塊中，系統(tǒng)會自動提示創(chuàng)建背景數(shù)據(jù)塊，使用默認(rèn)名稱即可。初始添加的“ESTOP1”指令如下圖3所示。該指令的主要輸入?yún)?shù)包括：E_STOP、ACK_NEC、ACK和TIME_DEL。主要輸出參數(shù)包括：Q、Q_DELAY、ACK_REQ和DIAG。

當(dāng)輸入信號E_STOP的值從1變成0時，輸出信號Q的值立刻變?yōu)?，延時TIME_DEL時間到達(dá)后，輸出信號Q_DE-LAY的值變?yōu)?。ACK_NEC參數(shù)用來設(shè)置故障發(fā)生后是否需要手動確認(rèn)。設(shè)置好以上參數(shù)，編譯程序沒有錯誤后下載到PLC中運(yùn)行。

4 結(jié)論

隨著生產(chǎn)安全成為沖壓現(xiàn)場管理的重中之中，安全控制也成為壓力機(jī)制造的第一要素，西門子安全型PLC可以大幅提高壓力機(jī)電氣控制的安全等級和標(biāo)準(zhǔn)，有效降低因人為、意外故障引起的安全事故，給工人們提供一個安全的生產(chǎn)環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1] 白來泉.Device Net網(wǎng)絡(luò)在變頻器控制中的應(yīng)用[J].酒鋼科技，2016（4）：58-60.

[2] 胡鵬，唐堅.西門子S7-1500R/H冗余系統(tǒng)概述[J].鍛壓裝備和制造技術(shù)，2020（2）：78-81.

[3] 吳波.西門子TIA博途V13應(yīng)用原理與案例設(shè)計[J].科技風(fēng)，2017（19）：66-78.

[4]陳久松.基于RS485總線的分布式PLC監(jiān)控系統(tǒng)通訊設(shè)計[J].自動化與儀器儀表，2012（1）：51-56.