西门子PLC安全组态和编程

肖雄兴

摘要：在当下国内乃至全球的冲压生产现场，凡涉及安全层面的问题越发受到重视，安全管理也是生产管理的基础及焦点所在。以往确保安全的工作主要依靠现场人员的注意力，但是人总会出错，由人的因素确保安全的思路，业内已不受认可。安全问题应当首先要在技术方面来实现，即一旦人出错，压力机出现故障，安全装置立即切断动力源，让压力机有规则地动作，避免人身伤害，这才是安全技术的精髓所在。压力机安全技术的实现主要体现在机械设计和电气设计上，而西门子的安全系统在当前的压力机电气控制领域位居前列，所以对西门子安全系统的研究很有必要。

关键词：西门子;PLC;组态

1 安全模块

如图1所示，西门子的安全系统一般包含以下组件：（1）具有故障安全功能的中央处理单元（需要在上面执行安全程序），本文以CPU 1515F-2PN为例;（2）故障安全输入，本文以F-DI16x24VDC为例;（3）故障安全输出，本文以F-DQ8x24VDC为例。

CPU 1515F-2PN比普通CPU相比有更高的可靠性，通过冗余措施避免整个系统的功能失效，即使失效，也是以可预见、安全的方式出现。同时强调内部诊断，通过硬件和软件的有机结合，对检测出系统的异常运行状态，做出针对性的处理。

F-DI16x24VDC安全输入模块拥有安全等级为SIL3的16个（Category3/PLd）类型输入或8个（Category 4/PLe）类型输入，每个通道组内部集成防短路保护传感器电源，可以有效避免传感器短路后损坏模块。同时每个通道都可以进行特定自诊断，例如短路、负载电压缺失等。

F-DQ8x24VDC安全输出模块拥有安全等级为SIL3的8个（Cat.4/PLe）类型输出PM开关或PP开关，每个输出通道的输出电流达到2A，可直接驱动电磁阀、接触器和信号灯。同样每个通道也具備特定自诊断功能。

由以上安全模块组成的故障安全系统不仅可以满足IEC 61508：2010的安全完整性等级SIL3的安全要求，也符合ISO 13849-1：2015或EN ISO13849-1：2015的性能等级（PL）e和类别4的安全标准。

2 安全组态

西门子安全组态就是对博途平台中的拓扑或网络视图设备和模块进行排列、设置和联网，将各自模块自动分配一个I/O地址，当然这些I/O地址可以随后进行修改。同时将预设组态与系统当前的实际组态进行比较，这样可以检测可能发生的错误并报告。

对F-CPU模块进行组态的方式与对标准自动化系统进行组态的方式基本相同，特别注意的是在安全组态中，更改标准用户程序时不允许通过F-CPU密码进行访问，否则会造成安全程序的更改。要排除这种可能性，组态保护级别必须为“1”。如果仅有一个人经过授权可以对标准用户程序和安全程序进行更改，则组态保护级别应为“2”或“3”，从而使其他人员仅能有限地访问或根本无法访问整个用户程序。

对F-DI和F-DQ模块的组态方式与标准I/O相同，但是F模块使用前，必须为其分配PROFIsafe地址（F目标地址和F源地址），地址分配完毕后根据需要对组态中的传感器电源、评估等参数进行设置，其中传感器电源参数通过该参数组，可指定是否使用内部传感器电源，以及内部传感器电源的类型和所用通道组，相应的选择适用于整个通道组。通过传感器评估参数选择传感器评估类型，图2中选择1oo1 evaluation，表示传感器占用一个输入通道。其中需要注意的是，使用一个双通道传感器或两个单通道传感器测量同一个的过程变量，由于精度限制而导致传感器间因存在极小时间的延时而互相影响。另外，在故障安全输入的对等/非对等偏差分析，可用于检测因两个相同功能信号的时间特性导致的误差。检测到两个相关输入信号的电平不同时，则启动误差分析。并通过检查确定电平误差是否在超出指定时间后消失，即差异时间。如果仍未消失，则表示存在差异错误。

3 编程实例

西门子S7-1500的安全程序由FBD或LAD编程语言创建的F块和系统自动添加的F块组成。系统将在用户创建的安全程序中自动添加故障检测和响应措施，并且会执行额外的安全相关测试。此外，用户也可以在安全程序中添加指令形式的特殊预制安全功能。其主要的编程工作在Main_Safety_RTG1块中进行，在基于西门子S7-1500的压力机电控系统中调用最多的安全指令为“ESTOP1”，所以在本文中对该指令做详细的剖析，首先在指令库中找到该指令将其拖拽到Main_Safety_RTG1块中，系统会自动提示创建背景数据块，使用默认名称即可。初始添加的“ESTOP1”指令如下图3所示。该指令的主要输入参数包括：E_STOP、ACK_NEC、ACK和TIME_DEL。主要输出参数包括：Q、Q_DELAY、ACK_REQ和DIAG。

当输入信号E_STOP的值从1变成0时，输出信号Q的值立刻变为0，延时TIME_DEL时间到达后，输出信号Q_DE-LAY的值变为0。ACK_NEC参数用来设置故障发生后是否需要手动确认。设置好以上参数，编译程序没有错误后下载到PLC中运行。

4 结论

随着生产安全成为冲压现场管理的重中之中，安全控制也成为压力机制造的第一要素，西门子安全型PLC可以大幅提高压力机电气控制的安全等级和标准，有效降低因人为、意外故障引起的安全事故，给工人们提供一个安全的生产环境。

参考文献

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