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西門子6FC5410-0AY03-1AA0
6FC5410-0AY03-1AA0
SINUMERIK 810DE CNC 硬件 CCU3.4 帶有 CNC 軟件 （出口） 512 Kb NC 存儲器 （大擴展容量 2.5 Mb) PLC：96KB（大擴展容量 480kB） 針對 PROFIBUS-DP 準備就緒
問：如何解決G120變頻器使用二進制方式多段速在速度切換時DI觸點的動作配合不同步造成的速度波動？
答：可使用格雷二進制碼方式的多段速解決此問題。
配備CU240B/E-2 和PM240的G120變頻器具備多段速給定功能，多段速的給定分為兩種：直接給定和二進制給定。
在直接給定方式時，變頻器的終速度給定值是由多四個DI對應的速度值之和來決定的，此種應用多用于總的段速較少的情況下，例如只有4個固定速度，較少出現段速切換的速度波動。但是在選擇二進制方式給定時，往往會在換檔間隙出現設定值的波動，為此我們可以采用格雷碼二進制方式來避免這種波動。
在使用二進制給定時，變頻器多支持15個速度，在從0速到15速的切換過程中，變頻器可能需要同時改變變頻器多個DI的狀態。
以圖2-1所示的應用為例，配置三個DI輸入作為多段速信號源，除0速外，一共有7個段速。升速操作時需要從0速檔依次增加到7速檔，降速操作時，從7速檔依次降低至0速檔。
圖2-1 多段速控制接線示例
使用二進制方式多段速的相關參數設置為：
P1070= 1024
P1001= 50
P1002= 100
P1003= 200
P1004= 300
P1005= 400
P1006= 500
P1007= 600
P1016= 2
P1020= 722.3
P1021= 722.4
P1022= 722.5
正常升降速操作時，例如：從3檔（多段速DI狀態011）切換到4檔（多段速DI狀態100），多段速DI的三個位全都發生了變化，如果按圖1的接線方式，需要S1，S2，S3三個開關的狀態同時改變狀態。由于手動操作不可能*同時改變三個開關的狀態，此時在換擋的間隙如果有配合不嚴密，就會造成給定速度的波動。
此時的多段速切換波形如圖2-2所示：
圖2-2 普通二進制方式下的速度切換波形圖示
我們看到，多段速切換間隙會有波動，例如在3檔變4檔時，由于DI3，DI從1變為0，但是由DI5從0變為1沒有與DI3，DI4保持*同步，所以出現了瞬間的000狀態，速度設定值發生了波動，影響到負載驅動。6檔變5檔時，4檔變3檔時，以及2檔變1檔時也都出現了類似的波動情況。
為避免二進制方式的固定速度切換時出現的波動，我們可以使用各類二進制碼方式對速度進行給定。格雷二進制碼的特點是從0000~1111的依次步進時，每次只變化一個位。如表3-1所示為四位5二進制碼與格雷二進制碼的對照。
表3-1 四位二進制碼與格雷二進制碼對照表
| 十進制段速 | 自然二進制碼 | 格雷碼 |
| 0 | 0000 | 0000 |
| 1 | 0001 | 0001 |
| 2 | 0010 | 0011 |
| 3 | 0011 | 0010 |
| 4 | 0100 | 0110 |
| 5 | 0101 | 0111 |
| 6 | 0110 | 0101 |
| 7 | 0111 | 0100 |
| 8 | 1000 | 1100 |
| 9 | 1001 | 1101 |
| 10 | 1010 | 1111 |
| 11 | 1011 | 1110 |
| 12 | 1100 | 1010 |
| 13 | 1101 | 1011 |
| 14 | 1110 | 1001 |
| 15 | 1111 | 1000 |
如果我們引入格雷二進制碼方式，從3檔切換到4檔，就是從010切換到110，此過程只需要切換DI5的狀態即可，由于只改變了S3的狀態，因此不存在需要跟其他開關配合的問題，保證了速度不會產生波動。
此例使用各類二進制碼方式的多段速相關參數設置為：
P1070= 1024
P1001= 50
P1003= 100
P1002= 200
P1006= 300
P1007= 400
P1005= 500
P1004= 600
P1016= 2
P1020= 722.3
P1021= 722.4
P1022= 722.5
使用格雷二進制碼的多段速切換狀態如圖3-1所示，看到段速的依次切換不再有突變。
圖3-1 格雷二進制碼方式多段速切換的波形圖
特別是在手動逐級切換速度的場合，使用各類二進制碼方式設計主令開關時序，可以提高設備速度平滑性。
ASi網絡系列產品做為西門子分布式傳感器層網絡應用，具有安裝簡易，維護方便，價格低廉等特點，同時，做為網絡通訊的一種，還為傳感器在現場的大規模應用提供了快速，安全的信號傳輸方式。其小安裝節點只有1個，因而能夠滿足現場絕大多數的工藝要求。同時，做為現場網絡的一種，ASi網絡也提供了故障安全產品和協議（ASi Safe），還提供了能夠進行網絡協議轉換的網關，使得故障安全產品還能應用在Profibus或者ProfiNet網絡中。本文將介紹ASi網絡中如何實現ASi safe 以及在如何使用網關通過ASi網絡控制G120F 型變頻器的安全功能。
1 ASi網絡介紹
AS-interface(AS-i) 是執行器（actuator）與傳感器（sensor）接口（interface）的簡稱。是工業現場總線系統中底層的網絡協議，主要用于連接現場的傳感器和執行結構。
ASi總線連接電纜為黃色的扁平電纜，電源電纜為黑色的扁平電纜，由于ASi網絡即能傳輸電源又能傳輸信號，因而節省了大量的現場布線。同時，由于ASi連接方便，又節省了大量的人力成本以及維護成本，因而是現場總線應用中非常經濟實用的一種。
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圖1 現場總線的“金字塔”模型
1．1 ASi 網絡結構
ASi具有多種組網方式，使用非常靈活，其網絡拓撲可以是星形，總線型以及樹型。整個網絡可以從任何一個節點向外擴展。例如（圖3、圖4、圖5）：
圖2 線形網絡拓撲
圖3 星形網絡拓撲
圖4 樹型網絡拓撲
其中線型網絡拓撲簡單，所有的連接的從站節點均串聯在ASi總線上；星形網絡拓撲中，較廣泛分布的從站節點均連接到主站上，其中少量的節點還可以串聯在一起；而樹型網絡結構是星形網絡的一種拓展，所有的網絡分支均可連接到“根”節點。
1．2 ASI網絡連接
ASi網絡中至少應包括主站，電源以及ASi從站，ASi網絡是一種單主站系統（圖5）。
一個AS-Interface網絡可以支持31個標準站或62個A/B站。其中標準站和A/B站可以結合在一起使用。網絡中多可以使用4個沒有地址的站點： 例如safety monitors，ground fault monitoring module等。如果網絡中使用中繼器將網絡隔離成不同的網段，則每個網段多可以有4個沒有地址的站點。但這些站點都需要占用標準從站的地址，即此時標準站的數目將相應的減少。
圖5 ASi網絡
ASi網絡還可以做為一個子網，通過網關連接到上層的Profibus或者ProfiNet網絡中（圖6）。此時ASi主站既做ASi網絡的主站，同時又是上層網絡的從站。
圖6 ASi網絡連接到Profibus或者ProfiNet網絡
1．3 ASI網絡拓展
（1）在沒有額外中繼設備的情況下，每個ASi網段的通訊距離是100米。如果通過中繼器進行拓展，則多可以串聯2個中繼器，線型網絡距離達到300米。但每個網段都需要一個單獨的電源供電（圖7）。
圖7 每個網段100米
（2）使用“Extension Plug（拓展插頭）”進行網絡拓展時，可將網絡距離加倍，增加到200米，但中間不能使用任何中繼設備（圖8）。
圖8 使用拓展插頭進行網絡拓展
（3）當網絡中既有“Extension Plug（拓展插頭）”又有中繼器時，可以將中繼器加在“Extension Plug（拓展插頭）”的后面，但不能串聯，因而多可將網絡拓展到600米（圖9）。
圖9 網絡中同時使用拓展插頭和中繼器
2 ASIsafe 介紹
在標準AS-I 網絡中加入Safety，需要：Safety monitor和Safe slaves。
對于已存在的網絡，通過ASIsafe可以更容易的實現與安全相關的功能的擴展而無需使用故障安全型的PLC或者特殊的主站。
DP / AS-i F-Link 將ASIsafe 網絡集成到PROFIBUS 或 PROFINET的安全網絡中。通過PROFIsafe， DP / AS-i F-Link 將ASIsafe網絡連接到安全控制器。DP / AS-i F-Link將AS-i主站（網關）與safety monitor結合在一起。此時的網絡中需要：
1） DP / AS-i F-Link
2） Safe slaves
2．1 DP / AS-i F-Link
通過DP / AS-i F-Link 實現安全功能包括：
1） PROFIBUS DP主站做為安全控制器通過DP / AS-i F-Link 與 AS-i slaves通訊。 AS-i通訊內容在PROFIBUS DP 主站中被劃分為兩個相鄰的數據區：分別為標準數據區和 PROFIsafe 數據區。 DP / AS-i F-Link 是 PROFIBUS DP-V1 的從站和AS-i 主站，從而實現通過PROFIBUS DP來訪問 AS-I 數據。
2）DP / AS-i F-Link可以將與安全相關的輸入數據從ASIsafe從站通過PROFIsafe協議轉發到PROFIBUS DP 主站。無需額外的安全電纜或者安全監視器等設備。
3）二進制或者模擬量都可以被傳輸。安全從站是提供故障安全輸入的設備，例如急停按鈕，光柵，激光掃描儀等。這些設備高可以達到Category 4 （ EN 954-1 ），SIL3（ IEC 61508 ）或者PL e （ EN ISO 13849-1 ）的安全等級。
4）安全數據是通過動態的，安全的傳輸協議在安全從站與DP / AS-i F-Link 之間傳輸的。在每個周期， DP / AS-i F-Link 將按照事先定義的算法從每個連續變化的從站數據中預算一個特定的報文。
圖11 DP / AS-i F-Link的工作原理
通過DP / AS-i F-Link 以及IE/PB Link 等網橋，我們可以將ASI 網絡連接到Profibus或者Profinet網絡中，同時通過ASIsafe 以及Profisafe等協議的保證，可以將ASIsafe 信號傳輸到以太網上的其它故障安全的站點實現控制功能（圖12）。
圖12 ASIsafe 網絡與Profibus以及Profinet的連接
2．2 ASIsafe 網絡器件
相關ASIsafe的網絡器件包括：
1） DP/ASI F link
|  |
2） 安全ASI模板
|  |
3） 急停裝置
|  |
4）位置開關等
|  |
5）光電感應設備（光柵、激光掃描儀）
|  |
6）編址器
|  |
3 ASIsafe與G120F的應用
圖13 ASisafe與G120F
在本應用中，使通過ASIsafe將ASI網絡中的安全模板連接在一起，然后通過DP/ASi F link 將ASIsafe 集成到Profisafe中，通過DP連接到Safety PLC以及G120F，從而控制G120F的安全功能。
首先通過編址器，為每一個ASi設備進行地址設定。設地址時，應該保證每個設備是單獨連接在網絡中或者直接連接在編址器上。
3．1 硬件連線
ASI總線的連接較為簡單。由于ASI信號電纜為扁平電纜，且有方向性，因而連接不易出錯。這里介紹一下ASI安全型模板的接線。
在本應用中，使用到了兩種ASI安全型模板，分別是：K45(3RK1405-1BG00-0AA2)和
S22(3RK1205-0BE00-0AA2)。
對于這兩種F信號的輸入模板，需要注意其F-IN信號的連接方式。否則該模板將不能正常工作：
| 1） S22(3RK1205-0BE00-0AA2) 對于該模板，具有2個F-IN通道，因而可以 實現1oo1或者1oo2的連接，從而達到SIL2/ SIL3的安全等級應用。 對于SIL2的應用，雖然模板只需要連接一個 F-IN通道，但模板本身還是檢測兩個通道， 因此注意將另外一個通道短接（圖14）； |  圖14 SIL2的接線方式 |
| 對于SIL3的應用，需要使用雙觸點或者兩個 單觸點，注意不能使用一個單觸點并聯在兩 個通道上的接線方式（圖15）。 |  圖15 SIL3的接線方式 |
2） K45（3RK1405-1BG00-0AA2）
同樣注意SIL2和SIL4的接線方式：
圖16 SIL2的接線方式
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