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SIMATIC DP，總線模塊，針對 ET 200M 用于安裝兩個 40mm 寬的周邊組件 針對插拔功能

長沙玥勵自動化設(shè)備有限公司（西門子系統(tǒng)集成商）長期銷售西門子S7-200/300/400/1200PLC、數(shù)控系統(tǒng)、變頻器、人機(jī)界面、觸摸屏、伺服、電機(jī)、西門子電纜等，并可提供西門子維修服務(wù)，歡迎來電垂詢 

.液壓伺服系統(tǒng)簡介
液壓伺服系統(tǒng)以其響應(yīng)速度快（相對于機(jī)械系統(tǒng)）、負(fù)載剛度大、控制功率大等獨特的優(yōu)點在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。而電液伺服系統(tǒng)是通過使用電液伺服閥，將小功率的電信號轉(zhuǎn)換為大功率的液壓動力，從而實現(xiàn)了一些重型機(jī)械設(shè)備的伺服控制。

1.1 液壓伺服系統(tǒng)的組成
液壓伺服系統(tǒng)主要由以下幾部分組成（如圖 1）：

• 儲油缸
• 油泵
• 比例換向閥
• 液壓缸
• 測量反饋系統(tǒng)
• 控制系統(tǒng)

圖1. 液壓伺服系統(tǒng)

使用TCPU控制液壓伺服系統(tǒng)時，TCPU就是該系統(tǒng)中的控制器；TCPU可以通過脈沖或者模擬量輸出來控制比例換向閥的開度和方向從而控制液壓缸的運動方向和速度；測量反饋系統(tǒng)可以由設(shè)備編碼器或者模擬量信號通過IM174接口模板或模擬量輸入模板將信號反饋給TCPU。

1.2 液壓伺服系統(tǒng)與電氣伺服系統(tǒng)區(qū)別
控制電氣伺服系統(tǒng)時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)（通常為伺服電機(jī)）能夠根據(jù)速度給定改變運行速度，響應(yīng)快，動態(tài)特性好，給定與輸出之間呈線性比例關(guān)系；而液壓伺服系統(tǒng)由其液壓油的物理特性決定了其響應(yīng)速度和動態(tài)特性都較低，而且在液壓伺服系統(tǒng)啟動、停止以及換向時都會出現(xiàn)大滯后性，這樣就導(dǎo)致輸出給定與執(zhí)行速度之間的關(guān)系并不是線形的（如圖 2），這樣，一旦我們還以控制線性電氣軸的模型來控制非線性液壓軸時，速度會非常不穩(wěn)定，而且位置閉環(huán)會不停的修正由速度不穩(wěn)定所帶來的位置偏差，這時液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會來回跳動或者抖動，造成定位誤差大甚至損壞機(jī)械設(shè)備。所以我們在控制液壓伺服系統(tǒng)時就應(yīng)該先了解該系統(tǒng)的給定與輸出之間的關(guān)系，確定補償曲線來保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運行。

圖 2. 給定與實際速度的關(guān)系

在 TCPU 中，補償曲線可以由多種方法來確定，例如 S7T Config 中的 Trace 工具，根據(jù)輸出不同的給定值和實際的速度值來確定差補點，將差補點的值以表格的方式添入到 Cam Disk （凸輪盤）中。
本文主要介紹使用自動獲得補償曲線功能塊 FB 520“GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData”來確定差補曲線。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟硬件要求

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的給定和反饋均使用高性能ET200M帶AI/AO模板來實現(xiàn)（如圖 3）：

圖 3. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件及軟件要求

表 1. 硬件及軟件要求

3.項目配置過程：

3.1 硬件組態(tài)
在 SIMATIC 管理器中創(chuàng)建新的項目并添加一個 SIMATIC 300 站點。根據(jù)實際硬件配置硬件組態(tài)，本例中使用模擬量輸入輸出作為給定和反饋信號。組態(tài)模擬量輸入輸出并分配 I/O 地址(圖 4)；

圖 4. 硬件組態(tài)

3.2 在 S7T Config 中配置液壓軸
在 S7T Config 的瀏覽器中，雙擊“插入軸”(Insert axis)（圖 5）

圖 5. 插入液壓軸

在“常規(guī)”(General) 選項卡中，選擇“速度控制”(Speed control) 和“定位”(Positioning) 控制然后打開軸向?qū)В?br /> 在軸類型話框中，選擇“液壓”(Hydraulic) 軸類型。 將閥類型定義為“Q 閥”(Q valve)（圖 6）。

圖 6. 選擇軸的類型

配置完液壓軸的物理單位及模度后，進(jìn)入到輸入輸出的配置界面，并選擇其輸出方式模擬量輸出模板（圖7 ）；

圖 7. 選擇輸出方式

選擇輸出設(shè)備為模擬量輸出模塊，填入相應(yīng)參數(shù):

• Output:模擬量輸出地址
• Format:ET200M/ET200S選擇Left-justified
• Resolution:模擬量模板的輸出精度（不含符號位）

點擊繼續(xù)進(jìn)入到位置反饋參數(shù)界面，填入使用的模擬量輸入的地址（圖 8）：

圖 8. 選擇反饋方式

點擊繼續(xù)，進(jìn)入到位置反饋參數(shù)分配界面（圖 9）：

圖 9. 反饋參數(shù)分配

相關(guān)輸入?yún)?shù)：

• Factor/Offset:輸入系數(shù)及偏置
• Usable bits: 模擬量模板的輸入精度（不含符號位）
• Minimum value:輸入的最小值
• Maximum value:輸入的最大值

分配完所有參數(shù)，單擊“完成”(Finish) 退出軸組態(tài)對話框。

3.3 建立補償曲線凸輪盤
根據(jù)前文所提到的，液壓伺服系統(tǒng)需要確定一條補償曲線來線性化輸出變量與液壓軸速度之間的關(guān)系。在 TCPU 中通過使用凸輪盤（Cam Disk）工藝對象來確定補償曲線，液壓伺服軸的補償曲線反映了液壓比例閥輸出給定與液壓軸速度之間的對應(yīng)關(guān)系。由于本文使用功能塊 FB 520 “GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData” 來自動獲得補償曲線，所以需要建立兩個凸輪盤（Cam Disk）來確定補償曲線。其中第一個凸輪盤是用來測量、尋找補償點，而測量后的結(jié)果會寫入到另外一個凸輪盤，這個被寫入的凸輪盤也就是當(dāng)前液壓伺服系統(tǒng)的最終補償曲線。
在 CAMS 下面建立兩個凸輪盤，分別取名為：Cam_Profile 與 Cam_Reference，并填入兩個差補點描繪一條輸出給定與執(zhí)行速度間的參考關(guān)系曲線，如圖 10：

圖 10. 建立補償曲線凸輪盤

做好以上工作后，將 S7T-Config 存盤編譯，并將組態(tài)好的軸和凸輪盤等工藝對象生成相應(yīng)的工藝對象數(shù)據(jù)塊，并下載到 TCPU。本例中工藝對象數(shù)據(jù)塊對應(yīng)為：

• Axis：DB3;
• Cam_Reference: DB4;
• Cam_Profile: DB5;

4.編寫用戶程序

4.1 使用 FB 520 和 FB 521 自動獲得補償曲線
FB 520 “GetCharacteristics” 和 FB 521“WriteCamData”兩個功能塊并沒有在 S7-Tech 庫中提供，所以需要到以下鏈接下載例子項目，并將項目中的FB520和FB521復(fù)制到自己的項目中來。
下載鏈接：27731588

4.2 FB 520 和 FB 521 的功能介紹

4.2.1 FB 520 “GetCharacteristics”
通過該功能塊，系統(tǒng)能夠執(zhí)行測量并得到當(dāng)前液壓系統(tǒng)的補償曲線，并將相應(yīng)的Cam Disk激活為當(dāng)前液壓系統(tǒng)的Profile。其內(nèi)部調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖 11：

圖 11. FB 520 結(jié)構(gòu)

4.2.2 FB 521 “WriteCamData”
該功能塊能夠?qū)y量的補償曲線寫入到相應(yīng)的Cam Disk中。其內(nèi)部調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖 12：

圖 12. FB 521 結(jié)構(gòu)

由這兩個功能塊的結(jié)構(gòu)圖可以看出，其內(nèi)部調(diào)用了很多S7-Tech里面的功能塊，所以需要將這些功能塊復(fù)制到當(dāng)前的項目中來。而且，可以看到在FB520功能塊內(nèi)部已經(jīng)調(diào)用了FB521，所以只要保證FB 521在項目中存在就可以了，不需要在程序中單獨調(diào)用。表 2 為FB520,FB521所使用到的S7-Tech功能塊：

表 2. 使用的 S7-Tech 功能塊

4.2.3 FB520的管腳及其定義（圖 13 及表 3）：

圖 13. FB 520 管腳定義

表 3. FB 520 管腳定義

4.3 在OB1中調(diào)用FB520（圖 14）

圖 14. 在 OB1 中調(diào)用 FB 520

使用步驟：

• 將工藝對象的 DB 號填入到相應(yīng)的管腳上；
• 通過點動（Jog）管腳，將液壓軸移動到要運行的最初始位置；
• 在 maxDistance 管腳上填入要執(zhí)行測量的最大行程，這里建議填入的行程距離要大于正常運行時的工作行程，但注意不要超過液壓缸的最大行程；
• 準(zhǔn)備工作就緒后，將使能位（Enable）置 1，這時液壓缸會啟動檢測過程，可以通過狀態(tài)字（State）觀察當(dāng)前的執(zhí)行情況。
• 當(dāng)測量結(jié)束后，完成位（Done）置 1，表示測量工作已經(jīng)完成，而且測量出來的補償曲線已經(jīng)寫入到 Cam_Profile 凸輪盤中。

4.4 FB 520 “GetCharacteristics” 的測量原理（圖 15）

• TCPU 通過模擬量輸出將給定發(fā)送給液壓閥，并激活其動作；
• 液壓閥開啟后，相應(yīng)流量的液壓油注入到液壓缸并推動液壓軸運動；
• 液壓軸的移動速度由位置反饋系統(tǒng)檢測并存儲在 TCPU 內(nèi)；

圖 15. FB 520 的測量原理

4.5 FB 520 “GetCharacteristics” 補償曲線的寫入過程（圖 16）：

• 當(dāng)所有位置上的測量值記錄完成后會以凸輪盤的形式存在 TCPU 中；
• 凸輪盤的坐標(biāo)分別對應(yīng)的是閥的給定開度和液壓軸的當(dāng)前速度；
• 最后 TCPU 會執(zhí)行 FB439 MC_SetCharacteristic 將當(dāng)前凸輪盤激活為液壓軸的補償曲線。

圖 16. 補償曲線的寫入過程

4.6 FB 520 “GetCharacteristics” 執(zhí)行時的基本步驟

• 初始化 FB 520：
  生成的線性參考凸輪盤被激活，并且液壓軸被設(shè)置為閉環(huán)模式；
• 檢測液壓軸的死區(qū)：
  根據(jù) TCPU 發(fā)出的目標(biāo)給定以及液壓軸的響應(yīng)時間計算出死區(qū)；
• 由正方向開始測量補償曲線：
  由正方向開始，TCPU 在不同的位置上給出一系列給定速度，并根據(jù)反饋速度測量補償點，測量結(jié)束后回到初始位置；
• 由負(fù)方向開始測量補償曲線：
  由負(fù)方向開始，TCPU 在不同的位置上給出一系列給定速度，并根據(jù)反饋速度測量償點，測量結(jié)束后回到初始位置；
• 寫入并激活測量出的補償曲線：
  TCPU 將測量的補償曲線寫入到另外一個凸輪盤，并將其激活為當(dāng)前液壓軸的最終償曲線。

4.7 FB 520 “GetCharacteristics” 的 42 種執(zhí)行狀態(tài)（圖 17）：

• 0-41：初始化
• 42-44：死區(qū)檢測
• 45-47：移動到初始位置
• 50-101：正向檢測
• 110-111：移動到正向最大位置
• 120-171：反向測量
• 180-181：移動到初始位置
• 190-210：寫入并激活補償曲線

圖 17：FB 520 的42種執(zhí)行狀態(tài)（State）

5.執(zhí)行結(jié)果
在FB520執(zhí)行自動檢測之后，可以通過在線的方式察看測量出來的補償曲線，如圖 18：

在許多應(yīng)用場合，我們需要PLC控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)熱插拔功能，所謂熱插拔就是在系統(tǒng)通電運行狀態(tài)下，進(jìn)行硬件的更換和調(diào)整。

1. SIEMENS PLC控制系統(tǒng)關(guān)于熱插拔功能的定義：

2.SIEMENS的PLC控制系統(tǒng)對熱拔插的支持：

√ S7-200系列PLC不支持熱插拔功能；

√ S7-300 CPU直接帶I/O模塊的方式不支持熱插拔；

√ S7-300作為PROFIBUS DP主站下掛DP從站ET200M、ET200S、ET200iS，支持熱插拔功能； （需要使用有源總線底板，如下說明）

注： 采用S7-300作為主站的軟冗余系統(tǒng)無法實現(xiàn)熱插拔全部功能，不具備以上所列第3，4條目中的全部功能。當(dāng)您將ET200M從站上的模塊拔出時，CPU不停機(jī)，主CPU、備用CPU上的SF燈亮，BUSF燈閃爍，ET200M從站上的2塊IM153-2模塊的SF燈亮，BF燈閃爍，該ET200M從站上所有模塊的I/O值被清0，S7-300主站失去對該ET200M從站的控制能力。當(dāng)您再次將模塊插入到ET200M站上時，系統(tǒng)從主CPU切換到備用CPU，SF、BUSF、BF燈熄滅，軟冗余系統(tǒng)重新回到正常運行狀態(tài)。（新CPU支持“Startup when expected/actual config. differ.”功能，功能見下文；軟冗余系統(tǒng)不支持使用GSD文件組態(tài)ET200M站點）
若要在軟冗余系統(tǒng)中實現(xiàn)熱插拔的全部4項功能，您必須使用S7-400作為軟冗余系統(tǒng)的主站。

√ S7-400作為PROFIBUS DP主站下掛DP從站ET200M、ET200S、ET200iS，支持熱插拔功能； （需要使用有源總線底板，如下說明）

√ S7-400 CPU直接帶I/O模塊的方式支持熱插拔。
S7-400系統(tǒng)由于很好的電磁兼容性和抗沖擊、耐震動性能，因而能最大限度的滿足各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，模板能夠帶電插、拔，當(dāng)S7-400機(jī)架上插入或取出模板時，都會在CPU中產(chǎn)生一個中斷信息，供客戶在用戶程序中對模板更換的動作進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3.ET200M的有源總線底板配置與說明：
ET200M是在工業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常使用的PROFIBUS DP分布式從站，一個ET200M從站一般由導(dǎo)軌（S7-300系列通用導(dǎo)軌）、IM153接口模塊、若干塊S7-300系列的模塊（PS電源模塊、I/O模塊、CP通訊模塊、FM功能模塊）組成：

這樣的ET200M從站是不支持熱插拔功能的。為了實現(xiàn)ET200M從站的熱插拔功能，我們需要對ET200M的硬件配置進(jìn)行一些調(diào)整，通用導(dǎo)軌更換成帶有有源總線模板的導(dǎo)軌，下圖向您展示了1個有源總線導(dǎo)軌和5個有源總線模板組裝后的情形：

如下是關(guān)于有源總線模板的訂貨信息和實物照片：

6ES7 195-1GA00-0XA0

    6ES7 195-7HA00-0XA0           6ES7 195-7HB00-0XA0         6ES7 195-7HC00-0XA0

6ES7 195-7HD10-0XA0                                             6ES7 153-2BA02-0XB0

下圖向您比對了有源總線導(dǎo)軌與S7-300通用導(dǎo)軌的區(qū)別：

下圖向您展示有源總線導(dǎo)軌、有源總線模板和2個IM153-2接口模塊組裝后的情形：

關(guān)于ET200M站"Module change during operation"（運行中更換模塊）功能實現(xiàn)的說明：
"Module change during operation" (or "Insert/Remove module") 功能使得您能夠在系統(tǒng)下運行過程中，在ET200M站上帶電拔出或插入模板，即熱插拔功能。

硬件要求:
使用普通的S7-300導(dǎo)軌和U型總線連接器是不能實現(xiàn)熱插拔功能的，您必須購買有源總線底板，才能實現(xiàn)該功能。另外，您在配置時，必須使用MLFB 6ES7 153-1AA02-0XB0版本以上的接口模塊，因為它支持DP協(xié)議的DPV1版本，而MLFB IM153-1AA00-0XB0模塊是不支持該功能的。目前您能夠購買到的IM153接口模塊都支持熱插拔，只有2-3年以前的IM153接口模塊不支持熱插拔。

注意:
如果想知道您的模塊是否支持熱插拔功能，您可以在STEP7的HW Config硬件組態(tài)窗口中的產(chǎn)品目錄里選擇對應(yīng)模塊，閱讀窗口右下角對該模塊功能的描述，或直接閱讀"SIMATIC Distributed Peripheral Deviced ET 200M"手冊中第9章里的描述內(nèi)容，下載該手冊點擊：1142798

軟件要求：您必須在STEP7 5.1版本以上進(jìn)行配置；
如果您采用S7-400 CPU或S7-400 CP作為DP主站，那么您可以直接在IM153的屬性窗口的"Operating Parameters"標(biāo)簽頁里配置熱插拔功能。 如下圖所示：

STEP1：在STEP7的硬件組態(tài)窗口的PROFIBUS DP目錄中選擇相應(yīng)IM153模塊，可以看出該模塊支持“module exchange in opration”（熱插拔）；
STEP2：將IM153模塊拖到PROFIBUS總線上；
STEP3：選擇I/O模塊，插入到ET200M站的各個槽位中；
STEP4：雙擊ET200M站，打開屬性窗口，選中“Replace modules during operation“(熱插拔)選項；
STEP5：屬性窗口中提供了ET200M站熱插拔功能所需的有源總線導(dǎo)軌的訂貨號；
STEP6：屬性窗口中提供了該型號IM153，插入的I/O模塊對應(yīng)使用的有源總線底板的訂貨號；
除了以上的硬件組態(tài)之外，還要向S7-400中下載OB82、OB83、OB84、OB85、OB86、OB87、OB121、OB122等組織塊。當(dāng)ET200M從站上進(jìn)行模塊的熱插拔時，中斷組織塊OB83 ，OB85，OB122被調(diào)用。
如果您采用老款S7-300 CPU ，那么您只能夠通過安裝GSD文件的方式將IM153模塊組態(tài)成DP從站，并雙擊IM153，打開它的屬性窗口，進(jìn)行設(shè)置來實現(xiàn)熱插拔的全部功能。否則您在STEP7的硬件組態(tài)窗口中直接將PROFIBUS DP目錄ET200M文件夾下IM153模塊掛在PROFIBUS總線上，如下圖：

從上圖可以看出，當(dāng)你從右側(cè)的PROFIBUS DP樹型目錄中將IM153-2模塊拖到PROFIBUS總線上后，雙擊點開IM153的屬性，“Repalce modules during operation”(熱插拔功能)選項為灰色，所以在這種方式下，無法實現(xiàn)熱插拔的全部功能，只能實現(xiàn)第1、2兩條，不能實現(xiàn)第3、4條功能。
新款的S7-300可以支持“Startup when expected/actual config. differ.”，如下圖：

此功能表示，當(dāng)組態(tài)和實際不符時是否啟動。如果選擇此選項，當(dāng)插拔模塊時，可以實現(xiàn)熱插拔定義的第3條功能。但是，在插拔模塊時，其他模塊通道的I/O會有瞬間的清零然后恢復(fù)；該站點瞬間掉站，然后恢復(fù)。所以僅以此功能，不能稱為嚴(yán)格意義上的熱插拔功能。
S7-300 CPU要實現(xiàn)熱插拔的全部功能，必須通過GSD文件。首先在 113498 處下載IM153的GSD或GSE文件，在STEP7軟件中導(dǎo)入該文件（參見 2383630 中的內(nèi)容），再在IM153模塊的屬性窗口中選擇熱插拔選項，如下圖所示：

添加IM153-2模塊到PROFIBUS總線上，設(shè)置熱插拔選項

設(shè)置IM153-1模塊的熱插拔功能選項
注意，GSD文件有DPV0和DPV1之分。但是S7-300的組態(tài)時，只有用DPV0可以實現(xiàn)熱插拔的功能（如上圖），如果用DPV1組態(tài)只支持“Startup when expected/actual config. differ.”的功能， 如下圖，這是因為 DPV1 "Insert/Remove module"功能，是通過OB83實現(xiàn)的，S7-300不支持OB83。S7-400使用DPV0 DPV1均可。

如果您采用CP342-5模塊作為DP主站，那么您可以直接在IM153的屬性窗口的"Operating Parameters"標(biāo)簽頁里配置熱插拔功能。 如下圖所示。同樣如果使用GSD文件組態(tài)，要實現(xiàn)熱插拔功能也必須使用DPV0。

除了以上的硬件配置之外，還要向S7-300的CPU中下載OB82、OB86、OB121、OB122等組織塊,才能保證當(dāng)您在ET200M站上進(jìn)行模塊熱插拔時，S7-300的CPU保持運行，而ET200M站上其他模塊的工作不受影響。同時，當(dāng)您進(jìn)行ET200M站上模塊的拔出或插入，系統(tǒng)都會調(diào)用OB82、OB86，您可以獲取OB86和OB82中的參數(shù)返回值，得知什么時間是哪一個主站下的哪一個從站上的模塊被插拔, 您可以根據(jù)系統(tǒng)控制邏輯的需要，在組織塊OB82，OB86中編寫用戶程序，調(diào)整I、O的數(shù)值，確保進(jìn)行模塊熱插拔時，生產(chǎn)機(jī)構(gòu)處于安全運行狀態(tài)。
您可以在S7-300的用戶程序中循環(huán)調(diào)用SFC13（DP總線診斷功能塊），不斷獲取DP網(wǎng)絡(luò)的診斷信息，當(dāng)ET200M從站上進(jìn)行模塊的熱插拔時，可以從SFC13的返回數(shù)據(jù)（在DB塊中）獲取插拔模塊的信息，在用戶程序中對返回的診斷信息進(jìn)行判斷、評估后，進(jìn)行相應(yīng)的邏輯控制和I/O處理，使生產(chǎn)機(jī)構(gòu)處于安全運行狀態(tài)；
如果您在ET200M站中使用了參數(shù)化的模塊（如FM354，CP340等非輸入輸出的模塊），在DP主站通電初始化過程中會對這些模板進(jìn)行參數(shù)化和配置。當(dāng)您帶電拔掉可參數(shù)化的模塊，再插入后，模塊原有的參數(shù)就會丟失。除非重新啟動DP主站，在主站進(jìn)行初始化過程中，對這些模塊在進(jìn)行一次參數(shù)化和配置，否則這類模塊在被拔掉，再插入后，只能夠以它的默認(rèn)參數(shù)運行。
如果您期望能偵測到系統(tǒng)中存在一個新的需要進(jìn)行參數(shù)化的模塊 ，您必須對模塊的狀態(tài)進(jìn)行分析，可以通過調(diào)用診斷系統(tǒng)功能塊SFC13 "DPNRM_DG"來實現(xiàn)，在S7-300/400系統(tǒng)軟件手冊中的16章4節(jié)里說明了該SFC13的用法，點擊 1214574下載。ET200M的手冊中，在6.4.6節(jié)中說明了ET200M從站里模板狀態(tài)信息的內(nèi)容和分配，點擊 1142798 下載。
當(dāng)你在程序中獲知是哪一塊模塊需要進(jìn)行新的參數(shù)化后，您可以通過調(diào)用系統(tǒng)功能SFC56 "WR_DPARM"，將CPU中保存的參數(shù)信息寫入到剛剛被插入到ET200站上的模塊，可以在S7-300/400系統(tǒng)軟件手冊中的7章5節(jié)里獲取SFC56的用法。