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1 SINAMICS G120 故障安全型变频器的硬件
G120变频器包括支持DP接口和PN接口两种，其中G120D具有高防护等级（IP67）的特性，它们的安全功能基本都类似：

1）SINAMICS G120 CU240S DP F （6SL3244-0BA21-1PA0）
2）SINAMICS G120 CU240S PN F （6SL3244-0BA21-1FA0）
3）SINAMICS G120D CU240D DP F （6SL3544-0FA21-1PA0）
4) SINAMICS G120D CU240D PN F (6SL3 544-0FA21-1FA0)
硬件的版本为到目前为止较高版本V3.2。

2 组态PLC

2.1 软件需求
我们通过一个实例来介绍如何在STEP7中组态G120变频器模块。

所需软件：

•  STEP7 V5.4 SP3或以上版本
•  Distributed safety V5.4 SP4或以上版本
•  Drive ES V5.4以上版本（或Scout/Starter）

2.2 STEP7项目组态和设置

1）硬件组态
首先在STEP7中建立一个S7 300项目，在实际硬件中，我们采用了带PN接口的G120模块，因而需要组态Profinet网络。

图1 新建S7 300项目

在硬件组态中，选择CPU317F-2PN/DP做为F的主站，添加一条以太网，在硬件列表中选择“PROFINET IO” ? “SINAMICS G120” ?“SINAMICS G120 CU240S PN F”，用鼠标点中将其拖拽到以太网上，同时将“PROFIsafe”报文添加到G120的硬件插槽中（图2）。

图2 将G120添加到项目中

2） 组态网络
双击G120为其分配设备名（g120pnio）和IP地址(192.168.0.3)。其中设备名必须与实际连接的G120的设备名一致，否则将无法进行下载（图3）。

图3 为G120的PN口分配IP地址和设备名

3) 故障安全参数设置
双击G120硬件组态1.3槽中的“Profisafe”，打开属性设置（图4）。

图4 Profisafe属性设置

其中：
F_SIL：表示系统能够达到的安全等级；
F_Source_Add：F系统主站的“源地址”，一般采用默认值即可；
F_Dest_Add：F系统目的站的地址，一般采用默认值即可，该值需要与G120的实际值相对应，可通过参数P9810在G120上设定；
F_WD_Time：F系统的看门狗时间，一般至少应大于OB35的循环中断时间（建议设置在300ms以上）；

4） F-CPU的参数配置
双击CPU，打开属性页面。首先选择“F Parameters”属性页，为安全程序设置密码。该密码防止了F程序被没有授权的用户随意修改（图5）。

图5 为F程序设置密码

密码设置后，点击“OK”，可以看到F参数。这些参数是CPU处理F程序时的基本信息，一般是系统自动分配的，不建议做修改，选择确认即可。

图6 CPU的F相关系统参数

接下来在“Protection”属性中，设置程序的读/写保护，同时将“CPU contains safety program”激活（图7）。

图7 设置CPU读/写密码保护

配置结束后，选择“存盘/编译”。

图8 存盘编译

2. 3 G120的参数设置

（1）编译后的S7项目下，出现了G120设备，其设备名为“g120pnio”，双击“Commissioning”，打开G120的调试界面（图9）。

图9 双击打开G120调试界面

（2）系统将启动SIMOTION SCOUT（或者DriveES / Starter）。
首先选择接口设置，否则软件可能无法与G120正常连接（图10）。

图10 设置连接接口

这里采用的以太网的连接方式。

图11 设置PG/PC 接口

（3）在Scout软件中，选择在线“online”，连接到G120。

图12 选择在线功能

至于如何配置驱动，这里不再详细介绍，请参照有关G120的调试手册。
G120的安全功能只有在“Online”状态下才可以进行调试。

图13 打开安全功能调试界面

选择“Safety Integrated”，设置故障安全功能的参数。

2. 4 故障安全功能调试

2.4.1 安全功能选择
G120 F提供了STO/SS1/SLS/SBC等安全功能，这些安全功能可以通过端子或者Profisafe协议来控制。在“Enables”属性页中，可以通过P9603/P9803选择安全功能的激活方式（图14）。

图14 通过P9603选择安全功能激活方式

G120的故障安全功能是通过两个处理器进行信号处理的，一个为驱动处理器（P9603），另外一个为通讯处理器（P9803）。G120通过比较这两个处理器的结果对功能进行设置，如果没有错误，则可以正常启动相应的功能，否则进入“钝化”状态。

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图16 两个处理器进行信号的比较

(1) 对于通过端子实现安全功能，G120F提供了2组双回路的端子，可以连接2个双通道的按钮或者急停开关来实现安全功能的激活（图15），但通过端子控制时只能选择2个安全功能。

图15 G120F故障安全接线端子

当选择通过Porfisafe来激活安全功能时，端子激活的方式将不再能够被选择。

(2) 选中通过Profisafe的报文来控制安全功能后，端子控制的方式将不能再被激活。

1 G120 PROFIBUS通信功能概述
SINAMICS G120*二代控制单元CU240B-2 DP、CU240E-2 DP、CU240E-2 DP F支持基于PROFIBUS的周期过程数据交换和变频器参数访问。
> 周期过程数据交换--通过该通信PROFIBUS主站可将控制字和主设定值等过程数据周期性的发送至变频器，并从变频器周期性的读取状态字和实际转速等过程数据。G120较多可以接收和发送8个过程数据字。该通信使用周期性通信的PZD通道（过程数据区），变频器不同的报文类型定义了不同数量的过程数据字（PZD）。
> 变频器参数访问--提供PROFIBUS主站访问变频器参数的接口，有两种方式能够访问变频器参数：

1. 周期性通信的PKW通道（参数数据区）：通过PKW通道主站可以读写变频器参数，每次只能读或写一个参数，PKW通道的长度固定为4个字。
2. 非周期性通信：主站采用PROFIBUS-DPV1通信访问变频器数据记录区，每次可以读或写多个参数。

本文通过示例介绍S7-1200与CU240E-2 DP F的PROFIBUS PKW通信，介绍如何通过PKW通信读P2902[5]参数值、写P1121参数值。

2 参数通道(PKW)的数据结构
PKW通信工作模式：主站发出请求，变频器收到主站请求后处理请求，并将处理结果应答给主站。


图2-1 PKW通信原理

PKW通信的请求和应答数据总是包含4个字，*1个字和*2个字传送参数号、索引以及任务类型（读或写），*3个和*4个字传送参数内容。


图2-2 PKW参数通道的结构 

> PKE：PKW*1个字

? AK：位 12~15 包含了任务ID 或应答ID，任务ID参考表2-1，应答ID参考表2-2 ；
? SPM：始终为0；
? PNU：参数号 < 2000 PNU = 参数号。 参数号 ≥ 2000 PNU = 参数号减去偏移，将偏移写入分区索引中
（ IND 位 7 … 0 ）。

 
图2-3 PKW结构
 

表2-1主站发送给变频器的任务ID

 

表2-2变频器发送给主站的应答ID

应答ID = 7 变频器会在参数值PWE1中将错误号发送给主站。

 

表2-3 应答ID = 7时的错误编号

注：更多错误编号描述请参考《CU240E-2操作手册》
> 参数索引IND：PKW*2个字

? 子下标（参数下标）：标识变频器参数的子索引（参数下标）值。例如P840[1]中括号中的“1”即为参数下标。
? 分区下标：变频器参数偏移量，配合PNU确定参数号。例如P2902的分区下标 = 0x80，分区下表查询请参考表
   2-1。

图2-4 IND结构

表2-4 分区下标设置，取决于变频器参数范围

> 参数值PWE：PKW第3、4个字
参数值PWE总是以双字方式（ 32 位）发送，一条报文只能传送一个参数值。

? 32位的参数值由PWE1（*3个字）和PWE2（*4个字）两个字组成；
? 16位的参数值以PWE2表示，PWE1为0；
? 8位的参数值以PWE2中位0…7表示，高8位和PWE1为0；
? BICO参数：PWE1表示参数号，PWE2位10…15为1，PWE2位0…9表示参数的索引或位号。

3 S7-1200与CU240X-2 DP的PROFIBUS PKW通信实例

3.1 S7-1200组态
CU240E-2 DP F控制单元支持两种PKW通信报文：353报文和354报文，它们的区别在于过程值通道PZD数量的不同，PKW通道功能完全相同。本示例以组态353报文为例。
S7-1200与CU240X-2 DP的PROFIBUS通信基本组态过程以及变频器通信参数设置请参考《S7-1200与G120 CU240X-2 DP的PROFIBUS PZD通信》文档，在此不做详细介绍。

? 组态与CU240E-2 DP F通信报文

1） 将硬件目录中“SIEMENS telegr 353, PKW+PZD-2/2”模块拖拽到“设备概览”视图的*1个插槽中，系统自动分配了输入输出地址，本示例中分配PKW的输入地址IB68~IB75，输出地址QB64~QW71，分配PZD的输入地址IW76、IW78，输出地址QW72、QW74；
2）为方便编程将插槽1的PKW区重命名为“PKW”（在调用系统功能DPRD_DAT、DPWR_DAT时将用到此名字），将插槽2的PZD区重命名为“PZD”。

图3-1组态与CU240E-2 DP F通信报文

? 编程：在S7-1200中调用扩展指令“DPRD_DAT”读取PKW区数据，调用扩展指令“DPWR_DAT”写入PKW数据。

1） 双击项目树下的“Main（OB1）”打开OB1程序编辑窗口；
2） 扩展指令目录中“分布式I/O -> 其它 -> 驱动器 -> DPRD_DAT和DPWR_DAT ”指令拖拽到程序编辑窗口中。

图3-2 S7-1200编程

? 为系统功能“DPRD_DAT”、“DPWR_DAT”分配硬件标识：

1） 单击块参数“LADDR”；
2） 在下拉列表中选择“PKW[AI/AO]”。

图3-3分配硬件标识符

? 为系统功能“DPRD_DAT”、“DPWR_DAT”分配其它参数：

1） DPRD_DAT读取缓冲区从MB100开始的8个字节；
2） DPRD_DAT发送缓冲区从MB200开始的8个字节；

注意：也可以使用DB块作为缓冲区，创建DB时请将块访问模式定义为“标准-与S7-300/400兼容”模式。

图3-4分配其它参数

3.2示例1：读取参数P2902[5]数值
将MB200~MB207的8个字节请求数据发送到变频器，变频器返回的响应数据保存在MW100~MB107的8个字节中。读取参数P2902[5]值的请求数据格式参考表2.2.1，变频器响应数据格式参考表2.2.2。
P2902参数范围在2000…3999之间，根据表2-1设置分区索引值为0x80。
PNU = 2902-2000 = 902（十进制）= 386 （十六进制）。
通过变量表模拟程序读取参数P2902[5] = 100.0，参考图3-4。

图3-4 S7-1200读P2902[5]参数

S7-300与G120 PN通讯

1 系统要求

? PC机：安装STEP7和Starter软件
? G120装置：选择支持PROFINET的控制单元，CU240S PN 或CU240S PN F
? S7-300机架：需要选择支持PROFINET的CPU，本实验使用CPU317-2DP/PN
? PROFINET 连接电缆
网络连接如下图所示：

2 G120和S7-300之间的PN连接和设置

2.1 设置通讯接口

? 选择TCP/IP接口

? 分配IP地址

2.2设置PG/PC

2.3分别对CPU和驱动装置G120分配相应的网络地址

? 点击 Edit Ethernet Node编辑站点信息

? G120 的IP地址须由控制器来分配，在变频器内部可以通过参数r61001来读取

? 确保硬件组态中的Device name与设备已分配的Device name一致，否则CPU会报通讯故障

2.4 对变频器进行组态并把它连接到PROFINET网络中

? 在硬件组态时需要GSDML文件，G120 GSDML下载地址：
26641490

2.5 选择报文结构
? 根据实际需要，选择相应的报文结构。此处选择的报文结构应与变频器参数P0922中设定的一致。如果不一致，会出现F00401故障。

2.6 G120(CU240S PN F)相应的参数设置

参数	G120
P700	6
P1000	6
P0922	353
P2051 In000	52
P2051.In001	21
P8840	20ms

3 周期性通讯数据结构
周期性通讯的报文可以分为两个部分：
? 过程数据PZD：
过程数据包括控制字 (状态信息) 和设定值 (实际值)。必须要将控制字的*十位置“1”选择由PLC来控制变频器，这些过程数据才能在变频器和PLC之间传递。
? 参数通道Parameter Channel：
这一数据区用来对参数的值进行读/写操作，可以用来监控或者更改变频器的参数。

? 数据结构如下表所示：

? 参数标示符PKE：

√ PNU：bit0~bit10，表示参数号 ，有效范围 0 到 1999。如果参数号≥ 2000 ，则必须在参数通道的*二个字IND（参数变址）的高字节位 (非周期通讯) 或低字节位 (周期通讯) 添加页号；
√ SPM：bit10，保留位，总设为0；
√ AK：bit12~15，表示请求或应答的标识符。
AK响应标示符：

响应标识符	描述
0	无应答
1	传送参数数值 (word)
2	传送参数数值 (double word)
3	传送描述信息
4	传送参数数值 (array, word)
5	传送参数数值 (array, double word)
6	传送数组元素的数目
7	任务不能执行 (有错误的数值)
8	没有主站控制权或对参数借口没有修改权

AK请求标示符

任务标识符	描述	响应标识符
		正	负
0	无请求	0	7/8
1	读取参数值	1/2	1
2	修改参数值 (word)	1	1
3	修改参数值 (double word)	2	1
4	读取描述信息	3	1
6	读取参数值 (array)	4/5	1
7	修改参数值 (array, word)	4	1
8	修改参数值 (array, double word)	5	1
9	读取数组元素的序号，即下标的序号	6	1
11	修改参数值 (array, double word) 并保存在EEPROM	5	1
12	修改参数值 (array, word) 并保存在EEPROM	4	1
13	修改参数值 (double word) 并保存在EEPROM	2	1
14	修改参数值 (word) 并保存在EEPROM	1	7/8

? 参数索引号IND

√ 高字节（bit15~bit8），用来表示参数的下标号；
√ 低字节（bit7~bit0），表示参数的页号。其中有效位是bit7~bit4。与PKE中的PNU共同确定参数号。例如P2240.1，需要将IND写成0180。
√ 参数索引号IND，在非周期数据传输模式下，高字节和低字节表示的意义对换，例如P2240.1需要写成8001。

? 参数值PWE

√ 当使用PROFIBUS进行数据通讯时，参数值(PWE)是双字形式 (32位)。并且在一个通讯报文中只能传输一个参数的数值;
√ 如果该参数为32位的数据类型，则会包括PWE1(高字位,PKW的*三个字)和PWE2(低字位,PKW的*四个字);
√ 如果操作的参数是16位的数据类型，则只会由PWE2 (低字位, PKW的*四个字)来表示，此时需要在PROFIBUS DP Master 中将PWE1(高字位, PKW的*三个字) 置为0。

? G120周期通讯报文结构：PROFIdrive规范规定了不同的报文类型。进行循环通讯的报文包含具有特定意义和顺序的数据包。SINAMICS G120变频器具有下表中所列的报文类型：

对于报文353和354，软件版本在V3.0及以上的G120/G120D控制单元CU240S/DP/DP-F 才有。 也就是说只有V3.0及以上的控制单元才有PKW结构。

过程数据：

STW1/2	控制字 1/2
ZSW1/2	状态字 1/2
NSOLL_A	速度设定值
NIST_A_GLATT	速度实际值
IA_IST	输出电流
MIST	转矩实际值
PIST	实际功率
M_LIM	转矩限幅
FAULT_CODE	故障代码
WARN_CODE	报警代码

当选定某种报文结构（报文999除外）时，相应的BICO连接将被确定，并且不能修改。如果P0922 = 999，将保持当前的BICO联接，但是可以对其进行更改。

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