馬 霞連云港沃利帕森工程技術有限公司上海分公司 上海200001

1 項目介紹

AS－i總線接口是英文Actuator Sensor Interface的簡稱，是目前最簡單的和最低成本的底層現(xiàn)場總線，可以在簡單應用中自成系統(tǒng)，也可以通過連接模塊與各種高層總線連接。使用非常簡潔、方便，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，優(yōu)點有:①成本低。AS－i安裝成本小于傳統(tǒng)方式的5%;組裝成本小于傳統(tǒng)方式的75%;材料成本大約為傳統(tǒng)方式的20%;②應用簡便。AS－i的機電一體化設計使它所有的模塊都具有“即插即用”的功能，即可進行“熱插撥”的操作;③速度快。1個主站和31或62個從站的系統(tǒng)中，AS－i總線的通信周期大概是5ms或10ms，也就是說主站在5ms或10ms內就可以對31或62個從站輪流訪問一遍，所有從站的輸入輸出操作也完成一遍;④功能可靠。AS－i總線在許多方面都采取了抗干擾措施;⑤靈活的拓撲結構，布線非常方便;⑥對所有流行總線開放。

基于以上優(yōu)點，AS－i總線在各行各業(yè)的自動化場合中得到廣泛使用。某汽車尾氣催化劑項目，是生產對汽車尾氣進行凈化處理的催化劑產品，使汽車尾氣在排放到大氣前，經(jīng)過該催化劑產品，能更好地吸收掉汽車尾氣中的有毒有害部分，使尾氣達到國際要求的凈化標準后再排放到大氣中。該產品生產過程中采用了Hollys(和利時)的DCS系統(tǒng)作為主控制系統(tǒng)，其中，處于非防爆區(qū)的漿料平臺有大量的數(shù)字信號儀表點，主要是以順序控制為主，因為漿料中使用了一定的貴金屬元素，所以對漿料原材料的配比非常嚴格，控制一定要做到精密、可靠。綜合這些特點，最終項目選擇了IFM(易福門)的AS－i總線作為底層現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，以此對漿料平臺進行控制，并且在AS－i控制系統(tǒng)的網(wǎng)關中集合了Profibus－DP接口，因而能夠通過Profibus總線與DCS控制系統(tǒng)進行通訊，使操作人員在DCS操作間即可實現(xiàn)對現(xiàn)場儀表的遠程控制和操作。

2 AS－i總線系統(tǒng)主要元器件介紹

2.1 網(wǎng)關

網(wǎng)關是AS－i的“心臟”，也是AS－i總線系統(tǒng)中的主站(Master)，它的主要任務是將下層的I/O信號傳送給上層PLC或DCS控制系統(tǒng)，客戶可以將網(wǎng)關看做是一個大量I/O信號的采集卡，無論上層總線如何變化，下層I/O模塊都不會受影響。當傳感器和執(zhí)行器被正確連接后，與PLC或DCS方面的編程會十分方便和快捷。

2.2 電源

AS－i電源是AS－i網(wǎng)絡中不可缺少的一部分，不同于一般的直流電源，除了給AS－i回路提供30VDC電源，還負責數(shù)據(jù)去藕功能，見圖1。數(shù)據(jù)信號和直流電源能在同一根電纜上傳輸。

整個網(wǎng)絡在長時間過載情況下不會損壞電源，當過載故障排除后，電源可以自動恢復到正常供電狀態(tài)，電壓保持在29.5～31.6VDC之間，一次側小于10ms的中斷不會影響AS－i總線網(wǎng)絡的正常運行，啟動供電延時小于2s。

圖1 帶有數(shù)據(jù)去藕功能的AS－i專用電源電路

2.3 I/O模塊

I/O模塊是AS－i網(wǎng)絡中重要的部件，也是AS－i總線系統(tǒng)中的從站(Slave)，它負責接受傳感器的信號并傳給網(wǎng)關，再發(fā)送PLC或DCS的指令給繼電器和各種閥門等執(zhí)行器。主要包括現(xiàn)場型和控制箱型，可以通過可移動端子或M12螺紋接頭連接傳感器和執(zhí)行器，也可以通過扁平電纜或圓電纜連接AS－i網(wǎng)絡。

2.4 傳感器/執(zhí)行器

AS－i總線特別適用于連接需要傳送開關量的傳感器和執(zhí)行器系統(tǒng):傳感器可以是各種原理的位置接近開關以及溫度、壓力、流量、液位開關等;執(zhí)行器可以是各種開關閥門，聲、光報警器，也可以是繼電器、接觸器等低壓開關電器。同時AS－i總線也可以連接模擬量設備，只是模擬信號的傳輸要占據(jù)多個傳輸周期。

2.5 AS－i電纜

AS－i總線系統(tǒng)常用的電纜是黃色扁平電纜。該種電纜帶有機械編碼式外形，具有反極性保護，放置在線槽里正負極性不會錯接，不需要絞接，也不需屏蔽，現(xiàn)場安裝非常方便。在電纜上同時傳輸30VDC電源和AS－i通信信號，最大的功耗為240W(30VDC，8A)。由于I/O模塊的輸出端口需要大的功率電流，因此可外接輔助電源供電，同樣外形的黑色扁平電纜提供24VDC的輔助電源。黃色扁平電纜和黑色扁平電纜中都是2 mm×1.5 mm的電線，電線外皮一根為棕色，一根為藍色。其中棕色線接AS－i+，藍色線接AS－i－，黑色扁平電纜中的棕色電線接AUX+(輔助電源)，藍色電線接AUX－(輔助電源)。需要注意的是黃色扁平電纜不僅給傳感器提供電源，也傳輸AS－i網(wǎng)絡里所有的通信信號，包括輸入和輸出信號。

扁平電纜還有一個突出優(yōu)點是采用一種專門的絕緣穿刺安裝方法把線壓在連接件上，既簡單又可靠，它采用特殊的合成橡膠作為絕緣保護層，所以當它從連接件上被拔起后，穿孔處會自動閉合，絕緣特性仍可保持，因此可以反復使用。在施工安裝過程中非常方便快捷。

3 AS－i總線系統(tǒng)結構

AS－i總線系統(tǒng)多變的拓撲結構(有星型、線型、樹型和環(huán)形)以及多類型的連接模塊，使AS－i總線在現(xiàn)場安裝中靈活多變，十分便捷。在AS－i總線系統(tǒng)中，有三類接口，分別為:傳感器/執(zhí)行器端接口(接口A)、傳輸系統(tǒng)接口(接口B)和控制端接口(接口C)。從站模塊輸入端接傳感器，輸出端接執(zhí)行器;模塊輸入端的電源，由AS－i電源提供30VDC的電壓，只能用于給傳感器或其他輸入設備供電，特殊的模塊也可以通過外部輔助電源來供電，但是需要在使用前根據(jù)自身的撥碼開關來選擇;模塊輸出端的電源，一般由外部輔助電源來提供24VDC的電壓，有的模塊可以由AS－i電源來供電，大多數(shù)是小型模塊，它們自身及輸入端口的功耗非常小，輸出端大多是給指示燈發(fā)送信號，所以也可以由AS－i電源來供電。其結構原理見圖1。

圖1 AS－i總線系統(tǒng)結構原理圖

在該汽車尾氣催化劑項目中，共采用了兩種從站。一種是帶有AS－i通信接口的智能傳感器/執(zhí)行器，在它內部裝有AS－i從機專用芯片，加上一些外圍元器件和存儲器就構成了一體化的從站，每個一體化的從站占有一個地址碼。在現(xiàn)場，所有的普通開關閥上均安裝有凸輪和閥門驅動模塊，凸輪能夠顯示閥門的開關狀態(tài)，而閥門驅動模塊使普通的開關閥變成智能型開關量執(zhí)行器。另一種是分離型結構，它由專門設計的AS－i的I/O接口模塊和普通的傳感器/執(zhí)行器構成，在I/O接口模塊中帶有從機專用電路，I/O接口模塊和普通的傳感器/執(zhí)行器組合在一起成為分離型從站，每個分離型從站占有一個地址碼。從機電路除了有I/O接口外還帶有通信接口，通信接口用非屏蔽、非鉸接的兩芯電纜把主站和多個從站連接起來形成控制總線網(wǎng)絡系統(tǒng)。現(xiàn)場所有的電磁閥、限位開關和液位開關均采用該類結構連接至AS－i系統(tǒng)。電磁閥、限位開關和音叉液位開關雖然都是采用的分離型結構，但是，根據(jù)它們在現(xiàn)場分布的特點，又選用了兩種完全不同的I/O接口模塊搭配使用。限位開關與電磁閥因為點數(shù)少而分散，所以采用的4DI/4DO從站模塊，型號是IFM AC2257，這類模塊的防護等級只有IP20，因此直接安裝在AS－i控制箱內。而音叉液位開關信號因為點數(shù)多，分布比較集中，本著節(jié)約電纜的目的，選用了4DI類的 ClassicLine現(xiàn)場模塊，型號是 IFM AC5290，該類模塊具有IP67的防護功能，可以安裝在液位開關點比較集中的位置，非常方便實用。

4 AS－i總線系統(tǒng)需要注意的問題

4.1 選型中需要注意的問題

(1)音叉液位開關信號有兩種類型，一種是Namur信號，一種是機械接點式信號。Namur信號屬于兩線制，屬于回路供電，布線簡便。機械接點式音叉，則需要進行外供電，屬于四線制，布線比較麻煩。在進行音叉開關選型的過程中，考慮到AS－i總線提供的是30VDC電壓，而Namur信號所用電壓遠低于該值，在此處顯然不適宜用Namur信號，因而改用機械接點式音叉開關。其外供電直接來自于配電室內的配電柜，采用的是普通1 mm×2.5 mm供電電纜。音叉信號則通過AS－i從站模塊進入AS－i總線系統(tǒng)。但要注意的是音叉開關與AS－i從站模塊之間的電纜選擇，從站模塊(IFM的ClassicLine現(xiàn)場模塊)的輸入是M12接口，因此一定要注意選用特定的帶M12插頭的電纜，不能用普通的信號控制電纜(比如1×2 mm×1.0 mm)代替，因為普通的信號控制電纜無法連接上模塊。IFM的ClassicLine現(xiàn)場模塊每個模塊可以接4個音叉開關。

(2)在選用閥門上的電磁閥時，需要注意電磁閥的功率值。因為閥門上安裝有一個閥門驅動模塊，該模塊的功率參數(shù)是100mA、2W。如果選用的電磁閥高于該參數(shù)，這閥門驅動模塊不能帶動電磁閥工作。經(jīng)過計算驗證，在項目中選用了功率為0.7W的電磁閥，完全滿足模塊的低功率要求。

4.2 安裝中需要注意的問題

4.2.1 網(wǎng)絡擴展問題

一般情況，AS－i總線的一個網(wǎng)段電纜長度不能超過100m(包括主干和支線的電纜總長度)，超過100m會影響網(wǎng)絡上的通信質量，但在實際使用中，總線電纜超過100m的情況非常多，這就需要采取措施來擴展網(wǎng)絡，通常有兩種方法擴展網(wǎng)絡長度。

(1)增加中繼器(repeater)。

增加一個中繼器可將網(wǎng)絡長度增加100m，同時需要增加一個AS－i電源。因為中繼器把整個網(wǎng)絡分成兩段，形成了電氣隔離，通過光耦元器件傳輸信號，需要AS－i專用電源來解耦并提供能源。另外從站到主站的線路上不能超過2個中繼器，因為超過兩個中繼器，會讓最遠端從站到主站的通信質量變得很差。通過中繼器可以將AS－i網(wǎng)絡最大擴展到500m，方法就是將網(wǎng)關放置在拓撲結構中間，再向左右兩邊通過中繼器來擴展網(wǎng)絡長度，見圖2。

圖2 把網(wǎng)關放置在拓撲結構中間來擴展網(wǎng)絡長度

(2)采用終端電阻或調節(jié)器來擴展網(wǎng)絡長度。

增加終端電阻能擴展AS－i網(wǎng)絡到200m，或增加調節(jié)器能擴展AS－i網(wǎng)絡到300m，其中調節(jié)器自身帶有終端電阻，還可以主動調節(jié)AS－i網(wǎng)絡的通信質量，在現(xiàn)場是非常有用的。安裝時還需要注意調節(jié)器和終端電阻不能緊靠電源，需要將電源放置在一端，而調節(jié)器和終端電阻放置在另一端，這樣AS－i系統(tǒng)運行起來更可靠。

本項目從樓層之間方便維護的角度考慮，采用了三個帶網(wǎng)關的AS－i主站，每個網(wǎng)段的電纜長度均在100以內，無需再進行網(wǎng)絡擴展。

4.2.2 現(xiàn)場施工安裝問題。

現(xiàn)場施工安裝不當會引起信號的干擾?，F(xiàn)場安裝建議:

(1)現(xiàn)場安裝時模塊需與強干擾源保持至少50cm間距，與中等干擾源保持至少10～20cm的間距，特別是在現(xiàn)場控制箱內，AS－i模塊與帶干擾源的設備不要安裝在一起，如果要安裝在一起，最好中間加一塊金屬板，并且兩者的連接電纜不要放置在同一個方向或靠得太近，以免影響AS－i的通信質量。

(2)AS－i總線電纜盡量遠離大電壓的交直流電源線，從站模塊盡量靠近傳感器和執(zhí)行器安裝，縮短接線。黃色為AS－i電纜，棕色為正極，藍色為負極。為了減少干擾，不要離電力線太近，對超過60VDC或250VAC的電纜，距離至少為10cm。對超過400VDC/AC的電纜，距離至少為20cm。不可避免要接近時，盡量正交而不并行。

(3)為提高抗干擾性能，傳感器或執(zhí)行器的接入端不能接入AS－i網(wǎng)絡，無論是黃色扁平電纜的棕色線還是藍色線都不可以接入接地端，否則會干擾網(wǎng)絡的通信，如果有專用的接地端，又與AS－i系統(tǒng)隔離開，可以連接接地端，見圖3。

圖3 AS－i模塊與帶干擾源的設備安裝示意圖

(4)標準設備不能直接連接到AS－i網(wǎng)絡，必須是通過ASI國際協(xié)會認證的設備才可以連接到AS－i網(wǎng)絡中，因為它們帶有特殊的過濾元器件，能從AS－i網(wǎng)絡獲得電源和信號以保證正常工作，這些設備上都有AS－i標志可以識別;AS－i設備上的端子接口AS－i+與AS－i–連接的導線不要分隔開來，使用時需包裹在同一根電纜外皮中，也就是盡量使用AS－i標準的黃色扁平電纜或圓形電纜，AS－i回路的對地平衡電路設計可以消除電流環(huán)和抑制噪聲。AS－i模塊盡量與所連接元器件靠近，兩者之間的接線不要太長，在布線時注意不要靠近干擾源。

以上建議都是在現(xiàn)場安裝時需要注意的，它可以保證AS－i系統(tǒng)在運行時正常工作，減少出錯的概率，從而減少維護時間。工業(yè)現(xiàn)場各種類型的總線和設備在現(xiàn)場的運行，相互關聯(lián)，一旦在現(xiàn)場出現(xiàn)問題，排查起來非常麻煩，會延誤生產周期，時間過長會給用戶造成很大的損失，所以在設備運行之前，根據(jù)產品手冊做好安裝布線是非常重要的。

5 結語

在項目的設計和施工過程中，設計者與產品供應商、系統(tǒng)配置商、以及施工單位及時溝通，發(fā)現(xiàn)問題及時協(xié)調處理，最終使項目成功開車。目前，該套AS－i控制系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運行一年，控制可靠性較高，維護也比較省心省力。相信在不久的將來，隨著AS－i技術的發(fā)展，AS－i產品的日益成熟，AS－i總線將會出現(xiàn)在越來越多的行業(yè)。

1 王俊杰，王 序.AS－i現(xiàn)場總線原理和系統(tǒng)［M］.機械工業(yè)出版社，2012.12.01.

2 馬天慶.ASI在雙向拉伸薄膜生產線應用中存在問題分析及對策 ［M］.河南化工，2010(07).

3 Frank Hinnah，Bernd Schneider.IFM AS － Interface manual，1st edition，2009.01.