SIMATIC ET200分布式I/O在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

孫 健

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SIMATIC ET200分布式I/O在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

孫 健

(上海機(jī)床廠(chǎng)有限公司 上海200093)

隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，應(yīng)用SIMATIC ET200系統(tǒng)高性能的系統(tǒng)模塊越來(lái)越普遍。介紹了應(yīng)用的ET200分布式I/O系統(tǒng)和對(duì)SIMATIC ET200的組態(tài)和擴(kuò)展方案，詳細(xì)介紹了控制柜、ET200的系統(tǒng)特性集成組態(tài)和診斷開(kāi)放的通訊標(biāo)準(zhǔn)、同步模式和集成安全系統(tǒng)。這些方案以更加高效地性能、簡(jiǎn)便的安裝調(diào)試及小型化取代了笨重低性能的老式模塊，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

I/O模塊 PROFIBUS-DP總線(xiàn) 組態(tài)與診斷 SIMATIC安全集成

1 SIMATIC ET-200概述

通過(guò)使用 SIMATIC ET 200可以實(shí)現(xiàn)范圍廣泛的分布式 I/O 系統(tǒng)，包括使用控制柜或不使用控制柜直接安裝在機(jī)器上以及危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)用，還可以提供各種不同的組合：數(shù)字量和模擬量 I/O、帶CPU 功能的智能模塊、安全系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器、氣動(dòng)裝置、變頻器以及各種技術(shù)功能模塊(例如計(jì)數(shù)模塊、定位模塊)，憑籍模塊化設(shè)計(jì)，ET 200 的組態(tài)或擴(kuò)展非常簡(jiǎn)便。即裝即用的集成附加模塊不但降低了成本，而且擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。ET 200 可以經(jīng)濟(jì)地集成到 SIMATIC PCS7 過(guò)程控制系統(tǒng)中以及其它非西門(mén)子過(guò)程控制系統(tǒng)中。

集成插頭的連接使其安裝快速而簡(jiǎn)單，降低了成本。傳感器和執(zhí)行器也可輕松地與總線(xiàn)相連，而無(wú)需使用帶大量電纜分線(xiàn)盒和電纜架的連接線(xiàn)，布線(xiàn)簡(jiǎn)單而透明，不僅減少了故障發(fā)生，又降低了成本。

ET 200 無(wú)機(jī)柜系統(tǒng)安裝在一個(gè)堅(jiān)固的玻璃纖維加強(qiáng)塑殼內(nèi)，不透水，耐沖擊和防污染，而且附加部件少，布線(xiàn)節(jié)省，響應(yīng)快。

1.1 控制柜解決方案

1)SIMATIC ET 200S 多功能解決方案

(1)使用多芯電纜連接，按位模塊化設(shè)計(jì)。

(2)提供有豐富的模塊，可實(shí)現(xiàn)多種功能：電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器、變頻器、安全技術(shù)、分布式智能、IQ-Sense傳感器模塊。

(3)可用于危險(xiǎn)區(qū)域(Zone 2)。

(4)也可提供帶集成數(shù)字量I/O的模塊：SIMATIC ET 200S COMPACT。

2)SIMATIC ET 200M 多通道S7-300

(1)采用標(biāo)準(zhǔn)SIMATIC S7-300模塊化設(shè)計(jì)，也可提供冗余配置。

(2)故障安全型I/O模塊。

(3)可用于Zone 2的危險(xiǎn)區(qū)域中，傳感器和執(zhí)行器可用于Zone 1。

(4)因提供冗余配置、熱插拔以及可在運(yùn)行中更改配置，具有很高的工廠(chǎng)可用性。

1.2 無(wú)控制柜解決方案

1)SIMATIC ET 200pro 模塊化和多功能

(1)模塊化設(shè)計(jì)，外殼非常緊湊(占用空間小)。

(2)易于安裝。

(3)提供豐富的模塊，可實(shí)現(xiàn)多種功能：簡(jiǎn)單I/O、安全系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器、變頻器、MOBY識(shí)別系統(tǒng)。

(4)因可熱插拔和獨(dú)立布線(xiàn)而具有很高的工廠(chǎng)可用性。

(5)全面的診斷功能。

2)SIMATIC ET 200eco 數(shù)字量塊I/O

(1)經(jīng)濟(jì)的數(shù)字量塊I/O。

(2)接線(xiàn)靈活。

(3)故障安全型模塊。

(4)具有很高的工廠(chǎng)可用性?？梢栽谶\(yùn)行過(guò)程中輕松更換電子模塊，無(wú)需中斷總線(xiàn)通訊或電源。

3)SIMATIC ET 200R用于機(jī)械手的解決方案

(1)專(zhuān)門(mén)用于機(jī)械手應(yīng)用，例如汽車(chē)工業(yè)中的白車(chē)身組裝。

(2)直接安裝在機(jī)架上。

(3)因具有堅(jiān)實(shí)的金屬外殼而耐焊劑噴濺。

2 系統(tǒng)特性

設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，適用于所有自動(dòng)化系統(tǒng)。

ET 200系統(tǒng)易于組裝，具有各種結(jié)構(gòu)類(lèi)型(模塊化或塊)，可以滿(mǎn)足任何自動(dòng)化系統(tǒng)的要求。

對(duì)于模塊化結(jié)構(gòu)，采用了導(dǎo)軌安裝方式。將模塊卡裝到導(dǎo)軌上，然后再插裝在一起，背板總線(xiàn)組裝自動(dòng)完成，如圖1所示。

圖1 預(yù)裝式背板總線(xiàn)

預(yù)裝式背板總線(xiàn)

即使是以后的模塊化系統(tǒng)擴(kuò)展，也非常簡(jiǎn)便，無(wú)需采取特殊措施。連接和電子系統(tǒng)相互分離，這樣就可以進(jìn)行固定接線(xiàn)。因此，可以在安裝電子模塊之前進(jìn)行預(yù)接線(xiàn)，可以防止靈敏部件受到損壞，縮短了調(diào)試時(shí)間。另外，在發(fā)生故障時(shí)，可在設(shè)備帶電的情況下輕松更換電子模塊(熱插拔)，操作站保持功能正常，無(wú)需進(jìn)行費(fèi)用昂貴的停機(jī)和裝置調(diào)試。更換部件過(guò)程中，連線(xiàn)完整無(wú)損，模塊編碼還可防止裝配錯(cuò)誤。

獨(dú)立接線(xiàn)，如圖2所示。

圖2 獨(dú)立接線(xiàn)

連接模塊與電子模塊相互分離,使用FastConnect技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的總線(xiàn)連接,如圖3所示。

圖3 可進(jìn)行快速和無(wú)故障組裝的 FastConnect 總線(xiàn)接頭

保持正確的總線(xiàn)物理結(jié)構(gòu)是裝置無(wú)故障運(yùn)行的基本要求。由于插頭組裝不佳是造成裝置停機(jī)的常見(jiàn)原因，因此安裝過(guò)程中要特別注意。利用PROFIBUS快裝接頭、剝線(xiàn)工具、標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)電纜和高速總線(xiàn)接頭在幾分鐘之內(nèi)即可完成無(wú)錯(cuò)誤組裝。

3 集成組態(tài)和診斷

已廣泛得到采用的標(biāo)準(zhǔn)工具STEP 7可用來(lái)進(jìn)行組態(tài)和診斷，分布式I/O與集中式 I/O的組態(tài)方式相同。組態(tài)可從系統(tǒng)中的任何一點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行：裝置本地或者中央工程師站。

圖4所示為MKD84100/H數(shù)控軋輥磨床的PLC組態(tài)示例。

圖4 硬件配置

在圖4中，由于該機(jī)床體積龐大，控制距離長(zhǎng)且要求高，所以采用了5個(gè)ET200的從站，分別控制尾架、拖板、頭架、砂輪架等，2個(gè)西門(mén)子VC變頻器作為從站分別控制砂輪和頭架轉(zhuǎn)速。(0)、(1)分別為PLC硬件，CPU型號(hào)為317-2DP的PLC對(duì)應(yīng)的NC版本為NCU 573.5；(3)、(4)分別對(duì)應(yīng)為軋輥磨床上的砂輪、頭架主軸電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)使用西門(mén)子VC變頻器；(5)、(6)、(7)、(8)、(9)為ET-200硬件。以上通過(guò)PROFIBUS-DP[1]總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)通訊冗余。

如果ET 200通過(guò)PROFIBUS在非西門(mén)子PLC上運(yùn)行，則需使用所提供的GSD文件(設(shè)備主文件)。此文件包含標(biāo)準(zhǔn)格式的組態(tài)和參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)，可用于非西門(mén)子主站的組態(tài)工具。只有能夠快速檢測(cè)并排除發(fā)生的故障，工廠(chǎng)才得以在整個(gè)壽命周期內(nèi)高效運(yùn)行[2]。在安裝和調(diào)試期間，特別是正常運(yùn)行階段，將停產(chǎn)時(shí)間降到最低程度是十分重要的。

SIMATIC ET 200 I/O系統(tǒng)提供全集成自動(dòng)化框架內(nèi)功能強(qiáng)大的多級(jí)診斷系統(tǒng)，用于診斷所發(fā)生的任何故障。這些系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)故障，并由一個(gè)可編輯的異常故障處理程序加以捕獲，系統(tǒng)故障還可被傳送到HMI系統(tǒng)，并以合適方式顯示。

除了系統(tǒng)范圍內(nèi)的診斷以外，PROFIBUS還提供所謂的總線(xiàn)診斷功能，甚至可以在調(diào)試前就使用總線(xiàn)測(cè)試裝置BT 200在PROFIBUS上檢查總線(xiàn)電纜、接口和部件的可用性，通過(guò)診斷中繼器可以在正常運(yùn)行過(guò)程中檢查接線(xiàn)情況，監(jiān)控所連接站和模塊的狀態(tài)，并以純文本的形式進(jìn)行顯示。

在調(diào)試和運(yùn)行過(guò)程中，帶有ET200站的自動(dòng)化系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用于總覽診斷。通過(guò)模塊診斷，可提供相應(yīng)模塊的詳細(xì)信息，包括對(duì)編碼器電源和輸出進(jìn)行的短路測(cè)試。具有診斷功能的模塊可監(jiān)視各個(gè)通道的短路和斷線(xiàn)情況，這樣就可以對(duì)各種異常情況和過(guò)程事件立即做出反應(yīng)。通過(guò) STEP 7能很容易地對(duì)控制器的響應(yīng)進(jìn)行編程。

除系統(tǒng)診斷之外，這些軟件工具還可用來(lái)進(jìn)行過(guò)程診斷，以確定和消除PLC之外出現(xiàn)的故障。

4 開(kāi)放的通訊標(biāo)準(zhǔn)

PROFIBUS和PROFINET可以確保部件之間數(shù)據(jù)的快速傳輸以及自動(dòng)化解決方案的一致性分布。通過(guò)開(kāi)放性的通訊標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)接口。PROFIBUS已成為業(yè)內(nèi)頭號(hào)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)[3]，這已經(jīng)被在世界范圍內(nèi)安裝的1 300萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)加以證實(shí)。PROFIBUS不僅可在制造領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)，還可用于整個(gè)過(guò)程工業(yè)甚至危險(xiǎn)區(qū)域。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口，可實(shí)現(xiàn)I/O與系統(tǒng)之間的快速、輕松的連接以及從車(chē)間級(jí)到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的集成通訊，如圖5所示。

圖5 通過(guò)PROFINET實(shí)現(xiàn)公司范圍內(nèi)的自動(dòng)化

PROFINET是用于自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)放式工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可確保實(shí)現(xiàn)集成通訊。此工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)正越來(lái)越多地被用于現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域與管理級(jí)之間的連接。現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)亦可輕松地得到集成，PROFINET提供了全新的診斷功能以及通過(guò)工業(yè)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的通訊功能，完成以前使用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。

5 采用等時(shí)同步模式，快速控制過(guò)程

采用等時(shí)同步模式的分布式解決方案，可確保極高精度的快速、可靠的加工過(guò)程，尤其是驅(qū)動(dòng)器控制。為控制高速機(jī)器以及生產(chǎn)和加工過(guò)程，加工循環(huán)必須同步運(yùn)行，這意味著生產(chǎn)工序循環(huán)必須統(tǒng)一，而且時(shí)間間隔固定，即系統(tǒng)時(shí)鐘。加工工序應(yīng)具有連續(xù)性，并能快速、可靠地進(jìn)行處理。為此，就需要具有可重復(fù)的固定過(guò)程響應(yīng)時(shí)間，這意味著I/O信號(hào)必須以等間隔時(shí)間通過(guò)用戶(hù)程序完成讀入、輸出和同步。另外，從分布式I/O記錄信號(hào)到執(zhí)行器上做出相應(yīng)的響應(yīng)，這之間的時(shí)間間隔必須盡可能短暫，并具有精確的重復(fù)性。這一要求可通過(guò)在等距DP循環(huán)、I/O模塊和用戶(hù)程序之間進(jìn)行直接連接而得到滿(mǎn)足。

將SIMATIC自動(dòng)化解決方案同步連接到等距PROFIBUS，即為“同步等時(shí)”模式，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)對(duì)重復(fù)性(嚴(yán)格的實(shí)時(shí)要求)要求較高的同步快速過(guò)程，也可通過(guò)以分布式I/O實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

(2)采用等時(shí)模式開(kāi)辟了無(wú)限可能的應(yīng)用空間，不僅僅局限于驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合，同樣適用于機(jī)器上分布有傳感器和執(zhí)行器的應(yīng)用場(chǎng)合。

ET 200S和ET 200M都支持等時(shí)同步模式。

6 集成安全系統(tǒng)— SIMATIC安全集成

近來(lái)，使用各種不同系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行安全任務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)已成為一種常見(jiàn)方法，這種方法會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不連續(xù)，并會(huì)帶來(lái)額外的支出。但通過(guò)使用SIMATIC，可以將安全系統(tǒng)直接集成到標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)化系統(tǒng)中。這意味著可以擁有一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的成熟控制系統(tǒng)，其靈活性、易于擴(kuò)展性和豐富的性能儲(chǔ)備進(jìn)一步加強(qiáng)了創(chuàng)新能力。憑借SIMATIC的安全集成功能，可以獲得一個(gè)高效可靠的系統(tǒng)(不管在制造行業(yè)還是過(guò)程行業(yè))。

除用于單獨(dú)安全接線(xiàn)的硬件、組裝和安裝成本外，作為系統(tǒng)解決方案的安全集成系統(tǒng)，由于以相同方式進(jìn)行了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和安全自動(dòng)化的組態(tài)，因而節(jié)省了工程組態(tài)成本。

SIMATIC安全集成系統(tǒng)包括故障安全型PLC SIMATIC S7-300F和 S7-400F/FH 以及故障安全型I/O和安全集成范圍內(nèi)的工程組態(tài)產(chǎn)品，如圖6所示。如果發(fā)生了故障，整個(gè)PLC或子過(guò)程就會(huì)被切換和保持在一個(gè)安全狀態(tài)。分布式I/O系統(tǒng)可用來(lái)對(duì)一個(gè)故障安全型PLC進(jìn)行分布式擴(kuò)展。

圖6 SIMATIC安全集成

故障安全型SIMATIC ET 200系統(tǒng)可將故障安全型和標(biāo)準(zhǔn)I/O模塊組裝在一起。I/O產(chǎn)品線(xiàn)也是涵蓋了從簡(jiǎn)單的I/O通道、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器到變頻器，可在PROFIBUS和PROFINET總線(xiàn)系統(tǒng)中，以與標(biāo)準(zhǔn)通訊相同的方式進(jìn)行安全通訊。這兩個(gè)總線(xiàn)系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)PROFIsafe行規(guī)進(jìn)行功能擴(kuò)展用以故障安全型通訊。目前，可以在同一條電纜上同時(shí)進(jìn)行安全通訊和標(biāo)準(zhǔn)通訊。

故障安全型SIMATIC I/O已通過(guò)德國(guó)技術(shù)監(jiān)督協(xié)會(huì)的認(rèn)證，滿(mǎn)足最為嚴(yán)格的安全要求，如IEC 61508 (SIL 3)、EN 954(Category 4)和NFPA 79。

SIMATIC 安全集成系統(tǒng)有以下的優(yōu)點(diǎn)：

(1)將同樣的硬件部件用于與安全相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化系統(tǒng)。

(2)無(wú)需附加安全總線(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)通訊和安全通訊可根據(jù)PROFIBUS和 PROFINET 的ROFIsafe 標(biāo)準(zhǔn)在同一條總線(xiàn)上進(jìn)行。

(3)高效的診斷功能降低了代價(jià)高昂的停產(chǎn)時(shí)間。

(4)通過(guò)對(duì)故障安全型容錯(cuò)系統(tǒng)的使用，可獲得最高的工廠(chǎng)可用性。

目前，ET 200 已廣泛地應(yīng)用于安全領(lǐng)域。

7 在危險(xiǎn)區(qū)域中使用

在許多行業(yè)中，在易燃材料的生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氣體、蒸汽和霧氣，或?qū)⑨尫诺街車(chē)h(huán)境中，會(huì)產(chǎn)生易燃粉塵。這些氣體或粉塵與空氣中的氧氣相結(jié)合，就形成了一種具有爆炸隱患的氣團(tuán)，該氣團(tuán)一經(jīng)點(diǎn)燃就會(huì)發(fā)生爆炸。因此，用于這些環(huán)境下的設(shè)備必須持有特種制造認(rèn)證。SIMATIC ET200即專(zhuān)為在這種環(huán)境下使用而設(shè)計(jì)的，并提供豐富的產(chǎn)品線(xiàn)。

分布式I/O系統(tǒng)ET 200S、ET 200M和ET 200iSP還可用于存在氣體和粉塵爆炸隱患的區(qū)域及不同的危險(xiǎn)場(chǎng)合下，例如，化工、食品和煙草工業(yè)、制藥行業(yè)或鉆井平臺(tái)。數(shù)據(jù)通訊也正在通過(guò)ROFIBUS DP 進(jìn)行。ET 200系統(tǒng)即可用于Zone 2或22(如圖7所示)，也可用于Zone 1或21，連接到I/O的傳感器和執(zhí)行器甚至還可用于Zone 0。

數(shù)據(jù)通訊和通常一樣，也通過(guò)PROFIBUS DP。通過(guò)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)隔離變壓器，可實(shí)現(xiàn)PROFIBUS DP的本質(zhì)安全。該變壓器可將燃燒能量限制在可以接受的范圍內(nèi)，并將本質(zhì)安全分布在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)。

圖7 ET200

8 結(jié)語(yǔ)

使用SIMATIC S7-400/300控制器和ET200系列遠(yuǎn)程I/O所構(gòu)成的基于PROFIBUS-DP或PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的解決方案，目前已經(jīng)成為眾多工程項(xiàng)目的經(jīng)典選擇。

SIMATIC ET 200是一個(gè)高性能、小型化的堅(jiān)固I/O系統(tǒng)，具有IP65/67防護(hù)等級(jí)，無(wú)需使用控制柜，可直接安裝在機(jī)器上。通過(guò)其模塊化和省時(shí)的結(jié)構(gòu)，可確保實(shí)現(xiàn)靈活、定制的分布式解決方案。ET 200設(shè)計(jì)緊湊，可根據(jù)需要在不超過(guò)1 m的長(zhǎng)度上進(jìn)行多達(dá)16個(gè)模塊的組合，可以在工作臺(tái)上用窄模塊托架對(duì)ET200 pro站進(jìn)行預(yù)組裝，然后將其作為一個(gè)裝置安裝到機(jī)器上。此外，也可以首先將緊湊型模塊托架固定到位，然后再組裝為操作員站。連接總線(xiàn)和電源時(shí)，有3種用于PROFIBUS的連接類(lèi)型可供選擇，并可將所選的連接類(lèi)型與所選擇的接口模塊結(jié)合使用。

用于PROFIBUS所有連接模塊都帶有易于讀取的可見(jiàn)地址設(shè)定器和一個(gè)可選終端電阻。在需要進(jìn)行維護(hù)時(shí)，集成的T功能支持對(duì)部分網(wǎng)段的調(diào)試和不間斷的總線(xiàn)通訊。

[1] 岳秋琴,熊潔平.基于Profibus-DP的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2003(8):35-37.

[2] 王侃夫.機(jī)床數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3] 陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及應(yīng)用(第2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.