西门子F-AI 4xU电压型故障安全模块的使用

前面的文章我们介绍西门子ET200SP的故障安全型模拟量输入F-AI 4xI（电流型）信号模块，它是一种能连接两线制或四线制电流传感器的模块，支持0~20mA或4~20mA的电流信号。除了电流型故障安全模块，ET 200SP还有电压型故障安全信号模块。今天这篇文章，我们就来介绍下F-AI 4xU电压型故障安全模块。本文包括三个主题：

外观及接线；

硬件组态；

地址空间；

一、外观及接线

ET 200SP F-AI 4xU 0~10V HF模块，名称中的“F”是“Fail-safe”的缩写，表示“故障安全”；“AI”是“Analog Input”的缩写，表示“模拟量输入”；“4”表示有四个输入通道，“U”表示电压信号，“0~10V”表示接收的电压信号的范围为0~10V；“HF”是“High Feature”的缩写，表示“高性能型”。因此，从它的名称中可以看出，该模块是一个具有四个模拟量输入通道的、可接收0~10V电压信号的、故障安全型信号模块，其外观如下图所示：

模块的上方有一个“DIAG”诊断LED指示灯，它有如下几种状态：

熄灭：背板总线供电故障；

绿色闪烁：供电正常，尚未组态；

绿色常亮：供电正常，组态正常，无故障；

红色闪烁：有故障；

红绿交替闪烁：等待用户确认（发生故障以后）；

模块的下方有四排（八个）LED指示灯，第1排和第3排用来指示通道的状态，第2排和第4排用来指示通道的故障。比如第1排的“.0”和“.1”两个LED灯分别指示通道0和通道1的状态，第2排的“F.0”和“F.1”两个LED灯分别指示通道0和通道1的故障，其它两排功能类推。通道状态LED和通道故障LED有如下含义：

两者都熄灭：通道取消激活或电源电压L+缺失；

通道状态LED绿色常亮，通道故障LED熄灭：通道已激活并且无故障；

通道状态LED熄灭，通道故障LED红色常亮：通道有故障；

通道状态LED和通道故障LED交替闪烁：通道故障消除后需要用户确认；

PWR LED指示灯用来指示电源状态：

绿色常亮：模块供电正常；

熄灭：供电故障；

F-AI 4xU 0~10V HF模块使用A0和A1型基座，其引脚定义如下：

编号	名称	含义
1	Uv	内置传感器电源（正极）
3	U0+	通道0的电压信号输入（正极）
5	U0-	通道0的电压信号输入（负极）
7	Mv	传感器电源（负极）
9	Uv	内置传感器电源
11	U2+	通道2的电压信号输入（正极）
13	U2-	通道2的电压信号输入（负极）
15	Mv	传感器电源（负极）
17	L+	外部电源（正极）
2	Uv	内置传感器电源
4	U1+	通道1的电压信号输入（正极）
6	U1-	通道2的电压信号输入（负极）
8	Mv	传感器电源（负极）
10	Uv	内置传感器电源
12	U3+	通道3的电压信号输入（正极）
14	U3-	通道3的电压信号输入（负极）
16	Mv	传感器电源（负极）
18	M	外部电源（负极）

模块（含基座）内部结构如下图所示：

其中：

①背板总线接口；

②模数转换器（ADC）；

③传感器电源/反极性保护；

④用于对A1型基座的温度测量（该模块不支持）；

⑤颜色标签（编码CC00，可选）；

⑥外部电源滤波器（适用于白色基座）；

通道0连接两线制电压传感器的接线原理图如下图所示：

多数情况下，我们之所以选用这种故障安全型模拟量输入模块，是为了确保模拟量信号的正确性。因此，一般把两个通道组成一个通道组，即采用二选一（Ioo2）的传感器评估方式，每个通道都连接一个电压传感器，如下图所示：

连接四线制电压传感器接线原理图如下图所示：

其中：

通道0采用的外部电源供电，其它通道都是采用内部电源供电。建议使用内部电源供电，因为模块可以对电源进行检测，具有短路保护功能。

二、硬件组态

博途V16及以下版本的硬件目录中没有该模块，需要安装硬件支持包（HSP）才能使用。

首先去西门子官网下载博途相应版本的硬件支持包，然后单击博途开发环境的“选项”→“支持包”，弹出如下对话框：

单击按钮“从文件系统添加”，在对话框中找到HSP的路径，选中“HSP_V16_0308_001_ET200SP_FAI4_U_HF_1.0”（以博途V16）为例，如下图所示：

然后单击“安装”，等待安装完成。在网络视图中添加ET 200SP的接口模块，在其硬件目录中可以看到新添加的F-AI 4xU模块，如下图所示：

ET 200SP F-AI 4xU模块支持两种传感器评估方式：一选一（1oo1）和二选一（1oo2）。当组态为1oo2评估时，通道0和通道2组成一个通道组，通道1和通道3组成一个通道组。硬件组态如下图所示：

既然一个通道组中有两个通道，连接两个传感器，那么选择那个传感器作为通道组的值呢？

组态选项“标准值”（Unit Value，也称为Standard Value）用来设置通道组的值，有两种选择：MIN和MAX。

“MIN”：使用两个通道中比较小的值作为通道组的值；

“MAX”：使用两个通道中比较大的值作为通道组的值。

比如，某时刻某通道组连接的两个传感器的值分别为8.8V和9.0V，如果标准值设置为MIN，则选择8.8V（较小的值）作为通道组的值；如果标准值设置为MAX，则选择9.0V（较大的值）作为通道组的值。标准值会作为通道组的值发送给F-CPU（安全CPU）。

两个通道的传感器的信号值不可能绝对相同的，总是存在一些差异。因此需要设置容差窗口。有两种类型：绝对容差窗口和相对容差窗口。

绝对容差窗口（tolerance window abs）：在二选一（1oo2）传感器评估中，用来设置通道组中两个通道的差值的最大阈值，用满量程信号的百分比来表示。比如，对于0~10V的电压信号，设置绝对容差窗口值=5%，则两个通道的最大差值=10*5%=0.5V。绝对容差窗口和差异时间配合使用。假设差异时间设置为100ms，如果两个通道的信号差值大于绝对容差值（0.5V），且持续的时间超过差异时间（100ms），那么安全模块将检测到一个误差错误，并触发诊断中断。

相对容差窗口（tolerance window rel）：在二选一（1oo2）传感器评估中，用来设置通道组中两个通道的差值的最大阈值，用标准值的百分比来表示。接上面的例子，假设标准值选择两个传感器的最大值（9V），相对容差窗口设置为5%，则两个通道的最大差值=9V*5%=0.45V。如果超过该值并且持续时间超过差异时间，则安全模块将检测到一个误差错误，并触发诊断中断。

三、地址空间

该模块在安全CPU中占据的地址空间如下面的表格所示：

在F-CPU中占据的字节空间

其中，x是模块在硬件组态中的起始地址。比如起始地址是27，则在S7-1200/1500 CPU中，该模块占用的输入存储区地址范围为27~40，占用的输出存储区地址范围为27~31。各字节的含义如下面的表格所示：

*表示仅对S-1200/1500的CPU适用，x=模块的起始地址。

审核编辑：郭婷