SIMATIC ET200分布式I/O在数控机床上的应用

孙 健



SIMATIC ET200分布式I/O在数控机床上的应用

孙 健

(上海机床厂有限公司 上海200093)

随着控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，应用SIMATIC ET200系统高性能的系统模块越来越普遍。介绍了应用的ET200分布式I/O系统和对SIMATIC ET200的组态和扩展方案，详细介绍了控制柜、ET200的系统特性集成组态和诊断开放的通讯标准、同步模式和集成安全系统。这些方案以更加高效地性能、简便的安装调试及小型化取代了笨重低性能的老式模块，具有很高的实用价值。

I/O模块 PROFIBUS-DP总线 组态与诊断 SIMATIC安全集成

1 SIMATIC ET-200概述

通过使用 SIMATIC ET 200可以实现范围广泛的分布式 I/O 系统，包括使用控制柜或不使用控制柜直接安装在机器上以及危险区域应用，还可以提供各种不同的组合：数字量和模拟量 I/O、带CPU 功能的智能模块、安全系统、电动机起动器、气动装置、变频器以及各种技术功能模块(例如计数模块、定位模块)，凭籍模块化设计，ET 200 的组态或扩展非常简便。即装即用的集成附加模块不但降低了成本，而且扩展了应用范围。ET 200 可以经济地集成到 SIMATIC PCS7 过程控制系统中以及其它非西门子过程控制系统中。

集成插头的连接使其安装快速而简单，降低了成本。传感器和执行器也可轻松地与总线相连，而无需使用带大量电缆分线盒和电缆架的连接线，布线简单而透明，不仅减少了故障发生，又降低了成本。

ET 200 无机柜系统安装在一个坚固的玻璃纤维加强塑壳内，不透水，耐冲击和防污染，而且附加部件少，布线节省，响应快。

1.1 控制柜解决方案

1)SIMATIC ET 200S 多功能解决方案

(1)使用多芯电缆连接，按位模块化设计。

(2)提供有丰富的模块，可实现多种功能：电动机起动器、变频器、安全技术、分布式智能、IQ-Sense传感器模块。

(3)可用于危险区域(Zone 2)。

(4)也可提供带集成数字量I/O的模块：SIMATIC ET 200S COMPACT。

2)SIMATIC ET 200M 多通道S7-300

(1)采用标准SIMATIC S7-300模块化设计，也可提供冗余配置。

(2)故障安全型I/O模块。

(3)可用于Zone 2的危险区域中，传感器和执行器可用于Zone 1。

(4)因提供冗余配置、热插拔以及可在运行中更改配置，具有很高的工厂可用性。

1.2 无控制柜解决方案

1)SIMATIC ET 200pro 模块化和多功能

(1)模块化设计，外壳非常紧凑(占用空间小)。

(2)易于安装。

(3)提供丰富的模块，可实现多种功能：简单I/O、安全系统、电动机起动器、变频器、MOBY识别系统。

(4)因可热插拔和独立布线而具有很高的工厂可用性。

(5)全面的诊断功能。

2)SIMATIC ET 200eco 数字量块I/O

(1)经济的数字量块I/O。

(2)接线灵活。

(3)故障安全型模块。

(4)具有很高的工厂可用性。可以在运行过程中轻松更换电子模块，无需中断总线通讯或电源。

3)SIMATIC ET 200R用于机械手的解决方案

(1)专门用于机械手应用，例如汽车工业中的白车身组装。

(2)直接安装在机架上。

(3)因具有坚实的金属外壳而耐焊剂喷溅。

2 系统特性

设计简洁，适用于所有自动化系统。

ET 200系统易于组装，具有各种结构类型(模块化或块)，可以满足任何自动化系统的要求。

对于模块化结构，采用了导轨安装方式。将模块卡装到导轨上，然后再插装在一起，背板总线组装自动完成，如图1所示。

图1 预装式背板总线

预装式背板总线

即使是以后的模块化系统扩展，也非常简便，无需采取特殊措施。连接和电子系统相互分离，这样就可以进行固定接线。因此，可以在安装电子模块之前进行预接线，可以防止灵敏部件受到损坏，缩短了调试时间。另外，在发生故障时，可在设备带电的情况下轻松更换电子模块(热插拔)，操作站保持功能正常，无需进行费用昂贵的停机和装置调试。更换部件过程中，连线完整无损，模块编码还可防止装配错误。

独立接线，如图2所示。

图2 独立接线

连接模块与电子模块相互分离,使用FastConnect技术进行简单的总线连接,如图3所示。

图3 可进行快速和无故障组装的 FastConnect 总线接头

保持正确的总线物理结构是装置无故障运行的基本要求。由于插头组装不佳是造成装置停机的常见原因，因此安装过程中要特别注意。利用PROFIBUS快装接头、剥线工具、标准总线电缆和高速总线接头在几分钟之内即可完成无错误组装。

3 集成组态和诊断

已广泛得到采用的标准工具STEP 7可用来进行组态和诊断，分布式I/O与集中式 I/O的组态方式相同。组态可从系统中的任何一点开始进行：装置本地或者中央工程师站。

图4所示为MKD84100/H数控轧辊磨床的PLC组态示例。

图4 硬件配置

在图4中，由于该机床体积庞大，控制距离长且要求高，所以采用了5个ET200的从站，分别控制尾架、拖板、头架、砂轮架等，2个西门子VC变频器作为从站分别控制砂轮和头架转速。(0)、(1)分别为PLC硬件，CPU型号为317-2DP的PLC对应的NC版本为NCU 573.5；(3)、(4)分别对应为轧辊磨床上的砂轮、头架主轴电动机，该电动机使用西门子VC变频器；(5)、(6)、(7)、(8)、(9)为ET-200硬件。以上通过PROFIBUS-DP[1]总线实现通讯冗余。

如果ET 200通过PROFIBUS在非西门子PLC上运行，则需使用所提供的GSD文件(设备主文件)。此文件包含标准格式的组态和参数设置数据，可用于非西门子主站的组态工具。只有能够快速检测并排除发生的故障，工厂才得以在整个寿命周期内高效运行[2]。在安装和调试期间，特别是正常运行阶段，将停产时间降到最低程度是十分重要的。

SIMATIC ET 200 I/O系统提供全集成自动化框架内功能强大的多级诊断系统，用于诊断所发生的任何故障。这些系统可以自动检测系统故障，并由一个可编辑的异常故障处理程序加以捕获，系统故障还可被传送到HMI系统，并以合适方式显示。

除了系统范围内的诊断以外，PROFIBUS还提供所谓的总线诊断功能，甚至可以在调试前就使用总线测试装置BT 200在PROFIBUS上检查总线电缆、接口和部件的可用性，通过诊断中继器可以在正常运行过程中检查接线情况，监控所连接站和模块的状态，并以纯文本的形式进行显示。

在调试和运行过程中，带有ET200站的自动化系统的拓扑结构可用于总览诊断。通过模块诊断，可提供相应模块的详细信息，包括对编码器电源和输出进行的短路测试。具有诊断功能的模块可监视各个通道的短路和断线情况，这样就可以对各种异常情况和过程事件立即做出反应。通过 STEP 7能很容易地对控制器的响应进行编程。

除系统诊断之外，这些软件工具还可用来进行过程诊断，以确定和消除PLC之外出现的故障。

4 开放的通讯标准

PROFIBUS和PROFINET可以确保部件之间数据的快速传输以及自动化解决方案的一致性分布。通过开放性的通讯标准实现灵活的系统接口。PROFIBUS已成为业内头号现场总线[3]，这已经被在世界范围内安装的1 300万个节点加以证实。PROFIBUS不仅可在制造领域内实现，还可用于整个过程工业甚至危险区域。通过标准接口，可实现I/O与系统之间的快速、轻松的连接以及从车间级到现场级的集成通讯，如图5所示。

图5 通过PROFINET实现公司范围内的自动化

PROFINET是用于自动化系统的开放式工业以太网标准，可确保实现集成通讯。此工业以太网标准正越来越多地被用于现场区域与管理级之间的连接。现有的现场总线系统亦可轻松地得到集成，PROFINET提供了全新的诊断功能以及通过工业无线局域网的通讯功能，完成以前使用现场总线所无法实现的应用。

5 采用等时同步模式，快速控制过程

采用等时同步模式的分布式解决方案，可确保极高精度的快速、可靠的加工过程，尤其是驱动器控制。为控制高速机器以及生产和加工过程，加工循环必须同步运行，这意味着生产工序循环必须统一，而且时间间隔固定，即系统时钟。加工工序应具有连续性，并能快速、可靠地进行处理。为此，就需要具有可重复的固定过程响应时间，这意味着I/O信号必须以等间隔时间通过用户程序完成读入、输出和同步。另外，从分布式I/O记录信号到执行器上做出相应的响应，这之间的时间间隔必须尽可能短暂，并具有精确的重复性。这一要求可通过在等距DP循环、I/O模块和用户程序之间进行直接连接而得到满足。

将SIMATIC自动化解决方案同步连接到等距PROFIBUS，即为“同步等时”模式，具有以下优点：

(1)对重复性(严格的实时要求)要求较高的同步快速过程，也可通过以分布式I/O实现自动化。

(2)采用等时模式开辟了无限可能的应用空间，不仅仅局限于驱动应用场合，同样适用于机器上分布有传感器和执行器的应用场合。

ET 200S和ET 200M都支持等时同步模式。

6 集成安全系统— SIMATIC安全集成

近来，使用各种不同系统来执行安全任务和标准任务已成为一种常见方法，这种方法会导致系统不连续，并会带来额外的支出。但通过使用SIMATIC，可以将安全系统直接集成到标准的自动化系统中。这意味着可以拥有一个系统级的成熟控制系统，其灵活性、易于扩展性和丰富的性能储备进一步加强了创新能力。凭借SIMATIC的安全集成功能，可以获得一个高效可靠的系统(不管在制造行业还是过程行业)。

除用于单独安全接线的硬件、组装和安装成本外，作为系统解决方案的安全集成系统，由于以相同方式进行了对标准和安全自动化的组态，因而节省了工程组态成本。

SIMATIC安全集成系统包括故障安全型PLC SIMATIC S7-300F和 S7-400F/FH 以及故障安全型I/O和安全集成范围内的工程组态产品，如图6所示。如果发生了故障，整个PLC或子过程就会被切换和保持在一个安全状态。分布式I/O系统可用来对一个故障安全型PLC进行分布式扩展。

图6 SIMATIC安全集成

故障安全型SIMATIC ET 200系统可将故障安全型和标准I/O模块组装在一起。I/O产品线也是涵盖了从简单的I/O通道、电动机起动器到变频器，可在PROFIBUS和PROFINET总线系统中，以与标准通讯相同的方式进行安全通讯。这两个总线系统已经通过PROFIsafe行规进行功能扩展用以故障安全型通讯。目前，可以在同一条电缆上同时进行安全通讯和标准通讯。

故障安全型SIMATIC I/O已通过德国技术监督协会的认证，满足最为严格的安全要求，如IEC 61508 (SIL 3)、EN 954(Category 4)和NFPA 79。

SIMATIC 安全集成系统有以下的优点：

(1)将同样的硬件部件用于与安全相关的标准自动化系统。

(2)无需附加安全总线，标准通讯和安全通讯可根据PROFIBUS和 PROFINET 的ROFIsafe 标准在同一条总线上进行。

(3)高效的诊断功能降低了代价高昂的停产时间。

(4)通过对故障安全型容错系统的使用，可获得最高的工厂可用性。

目前，ET 200 已广泛地应用于安全领域。

7 在危险区域中使用

在许多行业中，在易燃材料的生产、加工、运输和储存过程中会产生气体、蒸汽和雾气，或将释放到周围环境中，会产生易燃粉尘。这些气体或粉尘与空气中的氧气相结合，就形成了一种具有爆炸隐患的气团，该气团一经点燃就会发生爆炸。因此，用于这些环境下的设备必须持有特种制造认证。SIMATIC ET200即专为在这种环境下使用而设计的，并提供丰富的产品线。

分布式I/O系统ET 200S、ET 200M和ET 200iSP还可用于存在气体和粉尘爆炸隐患的区域及不同的危险场合下，例如，化工、食品和烟草工业、制药行业或钻井平台。数据通讯也正在通过ROFIBUS DP 进行。ET 200系统即可用于Zone 2或22(如图7所示)，也可用于Zone 1或21，连接到I/O的传感器和执行器甚至还可用于Zone 0。

数据通讯和通常一样，也通过PROFIBUS DP。通过一个现场总线隔离变压器，可实现PROFIBUS DP的本质安全。该变压器可将燃烧能量限制在可以接受的范围内，并将本质安全分布在危险区域内。

图7 ET200

8 结语

使用SIMATIC S7-400/300控制器和ET200系列远程I/O所构成的基于PROFIBUS-DP或PROFINET现场总线的解决方案，目前已经成为众多工程项目的经典选择。

SIMATIC ET 200是一个高性能、小型化的坚固I/O系统，具有IP65/67防护等级，无需使用控制柜，可直接安装在机器上。通过其模块化和省时的结构，可确保实现灵活、定制的分布式解决方案。ET 200设计紧凑，可根据需要在不超过1 m的长度上进行多达16个模块的组合，可以在工作台上用窄模块托架对ET200 pro站进行预组装，然后将其作为一个装置安装到机器上。此外，也可以首先将紧凑型模块托架固定到位，然后再组装为操作员站。连接总线和电源时，有3种用于PROFIBUS的连接类型可供选择，并可将所选的连接类型与所选择的接口模块结合使用。

用于PROFIBUS所有连接模块都带有易于读取的可见地址设定器和一个可选终端电阻。在需要进行维护时，集成的T功能支持对部分网段的调试和不间断的总线通讯。

[1] 岳秋琴,熊洁平.基于Profibus-DP的计算机数控系统[J].制造技术与机床,2003(8):35-37.

[2] 王侃夫.机床数控技术基础[M].北京:机械工业出版社,2004.

[3] 阳宪惠.现场总线技术及应用(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2008.