西門子F-AI 4xU電壓型故障安全模塊的使用

前面的文章我們介紹西門子ET200SP的故障安全型模擬量輸入F-AI 4xI（電流型）信號(hào)模塊，它是一種能連接兩線制或四線制電流傳感器的模塊，支持0~20mA或4~20mA的電流信號(hào)。除了電流型故障安全模塊，ET 200SP還有電壓型故障安全信號(hào)模塊。今天這篇文章，我們就來(lái)介紹下F-AI 4xU電壓型故障安全模塊。本文包括三個(gè)主題：

外觀及接線；

硬件組態(tài)；

地址空間；

一、外觀及接線

ET 200SP F-AI 4xU 0~10V HF模塊，名稱中的“F”是“Fail-safe”的縮寫，表示“故障安全”；“AI”是“Analog Input”的縮寫，表示“模擬量輸入”；“4”表示有四個(gè)輸入通道，“U”表示電壓信號(hào)，“0~10V”表示接收的電壓信號(hào)的范圍為0~10V；“HF”是“High Feature”的縮寫，表示“高性能型”。因此，從它的名稱中可以看出，該模塊是一個(gè)具有四個(gè)模擬量輸入通道的、可接收0~10V電壓信號(hào)的、故障安全型信號(hào)模塊，其外觀如下圖所示：

模塊的上方有一個(gè)“DIAG”診斷LED指示燈，它有如下幾種狀態(tài)：

熄滅：背板總線供電故障；

綠色閃爍：供電正常，尚未組態(tài)；

綠色常亮：供電正常，組態(tài)正常，無(wú)故障；

紅色閃爍：有故障；

紅綠交替閃爍：等待用戶確認(rèn)（發(fā)生故障以后）；

模塊的下方有四排（八個(gè)）LED指示燈，第1排和第3排用來(lái)指示通道的狀態(tài)，第2排和第4排用來(lái)指示通道的故障。比如第1排的“.0”和“.1”兩個(gè)LED燈分別指示通道0和通道1的狀態(tài)，第2排的“F.0”和“F.1”兩個(gè)LED燈分別指示通道0和通道1的故障，其它兩排功能類推。通道狀態(tài)LED和通道故障LED有如下含義：

兩者都熄滅：通道取消激活或電源電壓L+缺失；

通道狀態(tài)LED綠色常亮，通道故障LED熄滅：通道已激活并且無(wú)故障；

通道狀態(tài)LED熄滅，通道故障LED紅色常亮：通道有故障；

通道狀態(tài)LED和通道故障LED交替閃爍：通道故障消除后需要用戶確認(rèn)；

PWR LED指示燈用來(lái)指示電源狀態(tài)：

綠色常亮：模塊供電正常；

熄滅：供電故障；

F-AI 4xU 0~10V HF模塊使用A0和A1型基座，其引腳定義如下：

模塊（含基座）內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：

其中：

①背板總線接口；

②模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）；

③傳感器電源/反極性保護(hù)；

④用于對(duì)A1型基座的溫度測(cè)量（該模塊不支持）；

⑤顏色標(biāo)簽（編碼CC00，可選）；

⑥外部電源濾波器（適用于白色基座）；

通道0連接兩線制電壓傳感器的接線原理圖如下圖所示：

多數(shù)情況下，我們之所以選用這種故障安全型模擬量輸入模塊，是為了確保模擬量信號(hào)的正確性。因此，一般把兩個(gè)通道組成一個(gè)通道組，即采用二選一（Ioo2）的傳感器評(píng)估方式，每個(gè)通道都連接一個(gè)電壓傳感器，如下圖所示：

連接四線制電壓傳感器接線原理圖如下圖所示：

其中：

通道0采用的外部電源供電，其它通道都是采用內(nèi)部電源供電。建議使用內(nèi)部電源供電，因?yàn)槟K可以對(duì)電源進(jìn)行檢測(cè)，具有短路保護(hù)功能。

二、硬件組態(tài)

博途V16及以下版本的硬件目錄中沒(méi)有該模塊，需要安裝硬件支持包（HSP）才能使用。

首先去西門子官網(wǎng)下載博途相應(yīng)版本的硬件支持包，然后單擊博途開(kāi)發(fā)環(huán)境的“選項(xiàng)”→“支持包”，彈出如下對(duì)話框：

單擊按鈕“從文件系統(tǒng)添加”，在對(duì)話框中找到HSP的路徑，選中“HSP_V16_0308_001_ET200SP_FAI4_U_HF_1.0”（以博途V16）為例，如下圖所示：

然后單擊“安裝”，等待安裝完成。在網(wǎng)絡(luò)視圖中添加ET 200SP的接口模塊，在其硬件目錄中可以看到新添加的F-AI 4xU模塊，如下圖所示：

ET 200SP F-AI 4xU模塊支持兩種傳感器評(píng)估方式：一選一（1oo1）和二選一（1oo2）。當(dāng)組態(tài)為1oo2評(píng)估時(shí)，通道0和通道2組成一個(gè)通道組，通道1和通道3組成一個(gè)通道組。硬件組態(tài)如下圖所示：

既然一個(gè)通道組中有兩個(gè)通道，連接兩個(gè)傳感器，那么選擇那個(gè)傳感器作為通道組的值呢？

組態(tài)選項(xiàng)“標(biāo)準(zhǔn)值”（Unit Value，也稱為Standard Value）用來(lái)設(shè)置通道組的值，有兩種選擇：MIN和MAX。

“MIN”：使用兩個(gè)通道中比較小的值作為通道組的值；

“MAX”：使用兩個(gè)通道中比較大的值作為通道組的值。

比如，某時(shí)刻某通道組連接的兩個(gè)傳感器的值分別為8.8V和9.0V，如果標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置為MIN，則選擇8.8V（較小的值）作為通道組的值；如果標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置為MAX，則選擇9.0V（較大的值）作為通道組的值。標(biāo)準(zhǔn)值會(huì)作為通道組的值發(fā)送給F-CPU（安全CPU）。

兩個(gè)通道的傳感器的信號(hào)值不可能絕對(duì)相同的，總是存在一些差異。因此需要設(shè)置容差窗口。有兩種類型：絕對(duì)容差窗口和相對(duì)容差窗口。

絕對(duì)容差窗口（tolerance window abs）：在二選一（1oo2）傳感器評(píng)估中，用來(lái)設(shè)置通道組中兩個(gè)通道的差值的最大閾值，用滿量程信號(hào)的百分比來(lái)表示。比如，對(duì)于0~10V的電壓信號(hào)，設(shè)置絕對(duì)容差窗口值=5%，則兩個(gè)通道的最大差值=10*5%=0.5V。絕對(duì)容差窗口和差異時(shí)間配合使用。假設(shè)差異時(shí)間設(shè)置為100ms，如果兩個(gè)通道的信號(hào)差值大于絕對(duì)容差值（0.5V），且持續(xù)的時(shí)間超過(guò)差異時(shí)間（100ms），那么安全模塊將檢測(cè)到一個(gè)誤差錯(cuò)誤，并觸發(fā)診斷中斷。

相對(duì)容差窗口（tolerance window rel）：在二選一（1oo2）傳感器評(píng)估中，用來(lái)設(shè)置通道組中兩個(gè)通道的差值的最大閾值，用標(biāo)準(zhǔn)值的百分比來(lái)表示。接上面的例子，假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)值選擇兩個(gè)傳感器的最大值（9V），相對(duì)容差窗口設(shè)置為5%，則兩個(gè)通道的最大差值=9V*5%=0.45V。如果超過(guò)該值并且持續(xù)時(shí)間超過(guò)差異時(shí)間，則安全模塊將檢測(cè)到一個(gè)誤差錯(cuò)誤，并觸發(fā)診斷中斷。

三、地址空間

該模塊在安全CPU中占據(jù)的地址空間如下面的表格所示：

在F-CPU中占據(jù)的字節(jié)空間

其中，x是模塊在硬件組態(tài)中的起始地址。比如起始地址是27，則在S7-1200/1500 CPU中，該模塊占用的輸入存儲(chǔ)區(qū)地址范圍為27~40，占用的輸出存儲(chǔ)區(qū)地址范圍為27~31。各字節(jié)的含義如下面的表格所示：

*表示僅對(duì)S-1200/1500的CPU適用，x=模塊的起始地址。

審核編輯：郭婷