西门子安全模块

西门子安全系统
一、安全系统概述
西门子的安全系统（F-Systems）用于对安全性要求十分严格的系统中，该系统可以控制生产过程迅速达到安全状态，例如，可以迅速关闭没设备以保护人身及财产的安全。

西门子安全系统的安全功能可在发生危险状况时实现：
将系统至于安全状态
将系统保持在安全状态
安全系统主要包括在安全CPU（F-CPU）中的安全用户程序和一系列安全输入输出模块（F-I/O）。

二、安全系统介绍
安全系统在自动化过程控制系统中的使用示例如下图所示。

安全系统的硬件及软件组态介绍
下图显示了对安全系统的硬件及软件组件的配置及操作的总览。

硬件组件
西门子硬件组件包括如下部分：
F-CPU (CPU 412-3H, CPU 414-4H, or CPU 417-4H)
安全输入输出模块，例如：
S7-300 fail-safe signal modules in ET 200M (distributed configuration)
Fail-safe power and electronic modules in ET 200S
ET 200eco fail-safe I/O module
ET 200pro fail-safe modules
Fail-safe DP standard slaves
Fail-safe PA field devices
软件组件
安全系统的软件组件包括：
在工程师站配置和编程的安全系统选件包
F-CPU的安全编程
三、安全系统软件安装
西门子安全系统的软件包包括以下两个组件：
S7 F Configuration Pack V5.5 SP3
S7 F Systems V6.0
通过安装该组件，可以实现在SIMATIC MANAGER下，进行安全系统的组态及编程。

软件要求
在安装安全系统组件之前，必须确认安装如下组件：
工程师站
–STEP 7 V5.3 HF4 或更高版本
–CFC V6.0 SP2 HF1或更高版本
–Optional: PCS 7 V6.0 SP3 PF或更高版本
操作员站
–PCS 7 V6.0 SP3 PF或更高版本
离线测试
–S7-PLCSIM V5.3 SP1
可用的安装设备
西门子安全系统包括如下安装组件
●S7 F Systems V6.0
●S7 F Systems HMI V5.2 SP3
●S7 F Systems Lib V1_3
●S7 F Configuration Pack V5.5 SP3
●S7 F Configuration Pack V5.4 SP1
●Automation License Manager V3.1 HF3
西门子安全系统的安装步骤
进入S7Fsystems_V524文件夹，双击setup.exe文件，启动安全系统安装。

选择相应语言，并点击下一步。

确认授权。

进入下一步，选择所需安装的组件，包括S7 F Configuration，S7 F System 等。

开始进行安装。

安装完成后，在SIMATIC软件的安装信息中可以查找到相关的软件安装信息。

四、安全模块介绍
西门子安全输入模块有两种不同分析：
具备1oo2赋值的数字量输入模块
具备冗余的模块
在1oo2赋值模式下，当两个输入在指定的时间内不匹配时，该输入信号被
设定为0。

在模块诊断缓冲区中同时生产一个（不一致错误）的诊断信息。

模块举例
SM 326; DI 24 x DC 24V
模块地址指派
通道数目
通过通道配置可以设定输入信号为1oo1或者1oo2模式，对应使用但通道或双通道。

SM 326;DI 24 x DC 24V模块内部接线图
外部传感器供电
下图为该模块的外部通道的连接方式，每个通道组的六个通道（0至5；6至11；12至17；18至23）均需连接相同的供电。

标准模式接线
下图为标准模式接线以及参数设置，对于每个过程信号只需要一个传感器连接到单个通道，该传感器也可以连接一个外部传感器供电。

高可用性标准模式
下图为高可用模式接线，一个传感器连接到两个数字模块的相同通道，该传感器需借外部供电。

安全模式
下图为安全模式接线，一个传感器连接一个通道（1oo1）。

高可用性安全模式
下图为安全模式接线，单个传感器连接到两个数字量模块的相同通道，该传感器必须连接单独供电。

下图为单个传感器连接到数字量模块的对应两输入通道
SM 326; DI 8 x NAMUR
该模块为西门子防爆（Ex）数字模块，适合连接在防爆区域的信号。

8输入通道或者4个双通道输入，电气隔离。

连接信号入下图所示
传感器信号检测：接触器信号检测：
短线短线
短路短路
接线图如下所示
SM 326模块安装注意事项：
始终保证将SM 326;模块安装在S7-300或ET 200M机架的最后部位置。

在防爆模块及标准模块直接要安装DM370空模块。

下图为SM 326模块的接线。

单通道传感器连接数字量模块的单个过程输入信号（1oo1）。

SM 326; DO 8 x DC 24V/2A PM
模块内部接线如下图所示。

模块的现场接线如下图所示。

每个输出通道接一个DOx P-switch(电流输入)和一个DOx M-switch（电流输出），P和M直接连接负载。

下图为模块控制双继电器的接线方式。

SM 336; AI 6 x 13 Bit
在4－20mA信号内，可以进行断线检测和溢流检测。

如果已指派断线检测，则溢流检测将不执行，在S7 F/FH系统中，当电流小于3.6mA，断线输出为7FFF H。

当未配置断线检测是，当电流小于1.18 mA，则包括溢流，输出为8000 H。

在标准模式下，该6通道可以用作电流测量，也可以前四个用于电压测量，其余两个为电流测量。

在安全模式下，所以6个通道均测量4－20mA电流信号。

模块内部接线如下图所示。

传感器接线如下图所示。

接两线制传感器。

接四线制传感器。

电隔离模拟输入模块
电隔离模拟输入模块在测量电路的参考点MANA和M－端子处未进行电气
互连。

如果测量电路的参考点MANA 和M-端子间存在任何电位差VISO的风险，请务必使用电隔离模拟输入模块。

通过M－和端子MANA之间的等电位互连，可以避免电位差V ISO超过限制值。

非隔离模拟输入模块
非隔离模拟输入模块要求在测量电路的参考点MANA 和M－端子之间为低阻值连接。

将端子MANA 与M－端子互连。

MANA和M－端子间的任何电位差都有可能破坏模拟信号。

改进型的电流测量的连接
当使用0－3通道进行电流测量时，建议将未使用的电压输入连接到相应的电流输入通道，以提高测量精度，连接方式如下图所示。

连接两线制传感器。

连接四线制传感器。

标准模式
下图为SM 336; AI 6 x 13Bit模块标准接线方式。

接两线制传感器。

接四线制传感器。

安全模式
下图为模块的安全模式下的接线。

两线制传感器。

四线制传感器。

高可靠性的安全模式
可将该模块与两个冗余传感器进行连接，如下图所示，以增加信号的可靠性。

SM 336; F-AI 6 x 0/4 ... 20 mA HART 模块内部接线如下图所示。

连接两线制传感器接线图如下。

下图为外部电压供电的两线制模块接线。

内部供电的四线制传感器接线如下图所示。

外部供电的四线制传感器接线如下图所示。

安全保护模块
安全保护模块用于包括安全输入输出模块在发生问题或故障时避免造成过电压。

安全保护模块不占用地址，不产生诊断信息，无需在STEP 7中进行指派。

该模块的配置方式如下图所示。

(1) 电源模块
(2) IM 153-2 通讯模块
(3) 标准模块
(4) 安全保护模块
(5) 安全模块
五、安全系统配置
配置F-I/O
安全系统的输入/输出模块可以通过硬件组态中进行配置。

在硬件组态中双击需要配置的模块，或右键选择Object Properties，打开配置对话框。

切换到Parameters标签，如下图所示。

具体参数设置可以参见手册《ET 200S Distributed I/O System Fail-safe Modules》
打开具体的通道可以设置相关数据。

配置fail-safe DP标准从站
使用fail-safe DP标准从站，需要在PROFIBUS DP网络上配置且支持PROFIsafe总线协议。

要配置DP从站需要在STEP 7中安装相应的GSD文件。

fail-safe DP标准从站的属性如下图所示，具体参数的定义可参加手册《S7 Distributed Safety Configuring and Programming》。

六、安全系统编程介绍
S7安全系统的编程使用标准的STEP 7编程语言。

详细的编程说明可参见手册《S7 Distributed Safety: S7 Distributed Safety Configuring and Programming》和《S7 F/FH Systems: Programmable Controller》。

下图为安全系统在STEP 7中的程序结构，包括编程设备和引擎系统等。

无论使用STEP 7编程，如LAD、STL等，或者CFC编程等，都可以调用西门子提供安全程序的程序库进行编程。

下图为安全程序的结构，每个安全程序包括一到两个安全运行组（F-runtime），包括如下两个组件：
由用户从安全程序库创建的安全块。

自动添加的安全块。

安全程序通过标准用户程序进行读取调用，且一般在循环中断OB块内进行调用（例如OB35）。

循环中断OB块与循环程序OB1相比的优势为调用时间是固定的，由此，则安全程序可以在循环中断程序中在固定时间内调用并运行。

安全程序中的一个安全运行组包括以下几部分。

一个安全调用（F-CALL）
一个安全程序块
附加的使用安全FBD或安全LAD编写的安全FB或安全FC程序，根据需要
一个以上安全DB块，根据需要
安全I/O DB块
来自安全程序库的安全块（F-blocks）
安全运行组的安全块说明
安全调用
安全调用用于在标准用户程序中调用安全运行组，安全调用包括用于调用的安全程序块及自动添加的安全块。

安全调用有用户创建但不能被编辑。

安全FB、安全FC
使用安全FBD或安全LAD编写安全程序。

调用其他安全程序，
插入安全库中的安全应用块
安全DB
安全数据块可以连接到任意的安全程序中
安全I/ODB
安全I/O DB是在硬件组态中编译后对应于安全输入输出模块自动生成。

在S7 F/FH系统的安全程序结构如下图所示，一个安全程序包括有CFC图表，包含安全程序块。

安全I/O的读取
在安全系统中，通过安全驱动块进行安全输入/输出信号的读取。

数字量输入使用程序块F_CH_DO 和F_CH_BO
数字量输出使用程序块F_CH_DI, F_PA_DI, 和F_CH_BI
模拟量使用F_CH_AI 和F_PA_AI
程序举例如下图所示
在CFC程序中，通过在编译时选择"Generate module drivers"（生成模块驱动）实现与模块对应。

通讯编程
可以通过调用F_SENDBO/F_RCVBO, F_SENDR/F_RCVR, 和F_SDS_BO /F_RDS_BO进行安全通讯编程。

程序架构如下图所示。

安全数据写入功能
当从操作员站对安全程序进行修改时，需要执行安全数据写入功能。

安全数据写入功能，允许在安全模式下进行安全参数更高，该动作需要规定时间并按照规定步骤进行。

整个更改过程需要一个操作员进行设定，另一个操作员进行确认。

实现上述功能，需要编写F_CHG_R 和F_CHG_BO程序，在PC站内配置安全数据修改的faceplate。

插入安全数据修改程序，若模拟量，则使用F_CHG_R，如下图所示。

连接到输入端U_HL的为需要在安全模式下进行修改的数据。

若对数字来进行修改，则使用F_CHG_BO，如下图所示。

连接到IN1的为要进行修改的数据。

该程序在编译后，在上位画面生成对应块图标。

如下图所示
可对其参数进行设置。

在上位系统创建两个用户，分别作为数据设置人员和数据修改人员，并赋予相应权限。

如果只创建一个用户则需赋予该用户同时具备上述两项权限。

具体操作说明
初始设定：
使用初始设定授权登录操作员站，点击上位图标，打开如下画面。

在新值框中输入要修改的值，点击“更改”按钮。

比较新值和读取反馈值，两值一致则点击“确认”按钮。

如下图所示。

在操作时，超时监控自动启动，当操作过程不能超过设定时间。

出现如下图画面，等待确认操作。

确认设定：
以确认授权登录操作员站。

单击图标打开如下对话框。

在确认新值框中，输入新值，如果与初始设定值不符，则有“确认按钮不能激活”报警。

点击“确认”按钮。

比较确认值和反馈值，如果一致，则点击“同意”按钮，不一致，则点击“取消”按钮。

更改成功，则进入如下图所示画面。

S7程序编译
在SIMATIC Manager的菜单栏，选择“Options > Edit Safety Program”，如下图所示。

则出现如下图的对话框。

“归档”按钮
点击“归档”按钮可以显示查看编译和下载的信息。

“库版本”按钮
“库版本”按钮用于更新项目的安全库的版本。

“安全程序密码创建”对话框
每个安全程序需要创建一个密码，在执行下列操作时，需要在安全程序对话框中输入正确密码：
编译安全程序的更改
使能/禁用安全模式
下载安全程序修改
安全数据类型
安全数据的格式用于显示出数据和地址的错误。

F_BOOL:
STRUCT DATA BOOL
PAR_ID WORD
COMPLEM WORD
END_STRUCT 其中
DATA 表示数据值
PAR_ID 用于检测通讯匹配信号
COMPLEM 用于校验值
如下图所示，对于安全程序则可以通过检测上述三个信号均有效，以判断该信号点为有效，否则认为该信号有问题。

如果要更改块接口的安全数据类型的值，则只可以修改DATA组件。

当S7程序已被编译，则不允许更改PAR_ID和COMPLEM。

如果安全程序运行时安全数据格式出现错误，则触发安全停止。

安全程序库举例
七、安全系统在焦炉系统应用
在焦炉控制系统中的煤气短缺系统和荒煤气放散系统根据工艺和安全需求，使用安全模块。

煤气短缺系统与交换机系统共用一套系统，其硬件组态如下如所示。

其中AI16模块的配置如下图所示。

荒煤气系统的硬件组态如下如所示。