淺談AS-I總線技術(shù)

 1 引言

as-i( actuator-sensor-interface)接口是整個(gè)工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)中最底層、最低級(jí)的總線，直接與現(xiàn)場(chǎng)的傳感器和執(zhí)行器等連接;它只負(fù)責(zé)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集與傳輸，雖然信息量的吞吐相對(duì)于高級(jí)的profibus等總線少了很多，但它的實(shí)時(shí)性和可操作性很高。

2 as-i概述

西門子as-i總線特別適用于連接需要傳送開關(guān)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(guān)以及溫度、壓力、流量、液位開關(guān)等;執(zhí)行器可以是各種開關(guān)閥門，聲、光報(bào)警器,也可以是繼電器、接觸器等低壓開關(guān)電器。同時(shí)as-i總線也可以連接模擬量設(shè)備,只是模擬信號(hào)的傳輸要占據(jù)多個(gè)傳輸周期。as-i的特性是應(yīng)用簡(jiǎn)捷、成本低、可靠性高、速度快、系統(tǒng)開放。它可以在簡(jiǎn)單應(yīng)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。它取代了傳統(tǒng)自控系統(tǒng)中繁瑣的底層連線，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)的數(shù)字化和故障診斷的現(xiàn)場(chǎng)化，智能化，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約安裝，調(diào)試和維護(hù)成本。

3 as-i的組成

構(gòu)建一個(gè)as-i 網(wǎng)絡(luò)，須具備四個(gè)單元：as-i 主站，從站模塊，供電單元，網(wǎng)絡(luò)部件[1]。圖1所示為as-i網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)圖。

圖1 as-interface組太示例

3.1 as-i主站

as-i屬于主從式網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)段只能有一個(gè)主站。主站是as-i總線是網(wǎng)絡(luò)通信的中心,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的初始化以及設(shè)置從站的地址和參數(shù)等，具有錯(cuò)誤校檢功能，發(fā)現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤將重發(fā)報(bào)文。主站模塊實(shí)質(zhì)為plc的通信處理模塊，通過它來完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與plc的cpu的通信。附表是as-i主站模塊的一覽表[2]。

主站由as-i主機(jī)和控制器(如pc,plc等)組成。as-i主機(jī)的使用方式有兩種：一種是可以集成在可編程控制器上，例如以擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的形式集成;這種方式適合所需的信號(hào)較少的中小型系統(tǒng)。一種是網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)可以把a(bǔ)s-i系統(tǒng)連接到更高層的網(wǎng)絡(luò)中(如profibus、 ethernet等)。網(wǎng)關(guān)作為as-i主站的同時(shí)，也是高層網(wǎng)絡(luò)中的從站。大型復(fù)雜的分布式監(jiān)控系統(tǒng)常采用此方式，如圖1中主站單元所示。as-i的網(wǎng)關(guān)主要有兩種： dp/as-i網(wǎng)關(guān)是用于自 profibus 到 as-interface 的數(shù)據(jù)傳送， ie/as-i用于自工業(yè)以太網(wǎng)至 as-interface 的數(shù)據(jù)傳送。

以上兩種方式的硬件連接很簡(jiǎn)單，只需要將as-i網(wǎng)絡(luò)線連接到cp模塊或dp/as-i上的as-i連接端子即可，連接時(shí)應(yīng)注意電纜的正負(fù)特性與接地的連接，如圖2、3所示。

圖2 as-interface 接線圖

圖3 dp/as-i網(wǎng)關(guān)

圖4 i/o模塊

3.2 as-i從站

as-i從站是as-i系統(tǒng)的輸入/輸出通道，僅在被主站訪問時(shí)才被激活。其作用是連接現(xiàn)場(chǎng)i/o。根據(jù)安裝環(huán)境的要求分兩種防護(hù)等級(jí)：ip20 防護(hù)等級(jí)(用于安裝在控制柜內(nèi)) 、ip65/67防護(hù)等級(jí)(用于直接安裝在惡劣現(xiàn)場(chǎng))。

從站也分為兩種，一種是帶有as-interface通信芯片的智能傳感器/執(zhí)行器，另一種是分離型i/o模塊連接普通的傳感器/執(zhí)行器。在智能型裝置中，集成有通用的asic(as-i專用集成電路)，有自己的從站地址。它們可以通過電纜直接連接到as-i中，并具有診斷功能;例如圖1中的邏輯模塊logo!、電機(jī)啟動(dòng)器等。對(duì)于普通i/o設(shè)備來說，如果想接入as-i系統(tǒng)，必須提供一個(gè)帶有asic的as-i模塊，i/o設(shè)備與這些模塊連接，如圖4中的i/o模板，傳感器、執(zhí)行器、開關(guān)等元件直接通過電纜插接到模板上即可。

標(biāo)準(zhǔn)的as-i節(jié)點(diǎn)(從站)地址為5位二進(jìn)制數(shù)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)從站占一個(gè)as-i地址，最多可以連接31個(gè)從站。在最新的as-i總線技術(shù)規(guī)范2.1版本中，一個(gè)主站所能控制的從站數(shù)量由31個(gè)增加到62個(gè)，每個(gè)地址連接2個(gè)從站(分為a組)。

3.3供電單元

as-i 電源是 as-i 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分。它們提供系統(tǒng)的電子設(shè)備(as-i模塊和 as-i 主站)和連接的傳感器技術(shù)。而且，as-i電源的集成數(shù)據(jù)解耦可以確保數(shù)據(jù)和電能分隔，因此使 as-i能夠在一條線路上傳輸數(shù)據(jù)和電源，普通標(biāo)準(zhǔn)電源不適合。as-i網(wǎng)絡(luò)的電源模塊的額定電壓為dc24v，為31個(gè)從站的最大電流為2a;如果從站帶動(dòng)的某個(gè)執(zhí)行器功率較大,所需電流大于65ma時(shí),則必須外接輔助電源。它的連接方式可由圖2知。

3.4網(wǎng)絡(luò)部件

網(wǎng)絡(luò)部件包括黃色和黑色異形電纜、中繼器/ 擴(kuò)展器、編址和診斷單元。黃色電纜是2芯的，除傳輸信號(hào)外，還傳輸網(wǎng)絡(luò)電源。如圖2所示。黑色的異型電纜用于連接輔助電源和從站。中繼器用于 as-i網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，使用中繼器時(shí)，每個(gè)網(wǎng)段不能超過100m，并且每個(gè)網(wǎng)段有自己的電源。任何從站和主站之間不允許超過兩個(gè)中繼器，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度看起來最多為300m，但采取一定措施后，可以達(dá)到500m左右。as-i從站地址編址器專門用于as-i網(wǎng)絡(luò)從站地址、參數(shù)的設(shè)定，編址器可以與所有as-i從站進(jìn)行連接，并快速設(shè)定as-i從站網(wǎng)絡(luò)中的地址。

3.5安全系統(tǒng)

as-interface safety at work是一個(gè)基于as-i系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)可以兼容相關(guān)的安全產(chǎn)品，例如急停開關(guān)，防護(hù)開關(guān)，光幕，激光掃描儀，限位開關(guān)，并將它們的狀態(tài)信號(hào)傳送到智能安全繼電器(又稱安全監(jiān)視器)的網(wǎng)絡(luò)。它允許在確定的條件下，緊急停止數(shù)字/邏輯電路的動(dòng)作。主站采用處理其他任何從站相同的方式識(shí)別安全相關(guān)從站，并將其象所有常規(guī)從站一樣集成到網(wǎng)絡(luò)中。標(biāo)準(zhǔn)as-i的傳輸協(xié)議和電纜很健全，因而也可用于安全相關(guān)報(bào)文的傳輸[3]。

4 應(yīng)用編程

4.1 as-i從站編址[4]

西門子的as-i總線通過兩種方式對(duì)從站編址，一種是使用手持編址單元對(duì)從站進(jìn)行站地址分配;若不使用手持單元，也可以通過step7(主站模塊cp243-2、cp343-2及dp/asi link等)或者microwin軟件利用as-i 主站模塊對(duì)總線上的從站進(jìn)行地址分配。

4.2 主站編程

(1) 編輯從站地址：在s7系列as-i主站模塊中，通信處理模塊cp243-2、cp343-2、cp343-2p等可以通過step7軟件進(jìn)行從站組態(tài)，并對(duì)地址進(jìn)行設(shè)定。完成軟件組態(tài)以后，可以通過命令接口，利用用戶程序完全控制as-i主站的響應(yīng)，例如可以控制as-i主站的操作模式或通過as-i主站修改從站地址、參數(shù)以及參數(shù)的讀取等。在cpu程序中調(diào)用fc7(fc asi_3422可以從西門子網(wǎng)站上下載)通信功能建立cpu與as-i主站cp的通信。

(2) 訪問從站數(shù)據(jù)：主站訪問各種類型從站的方法是不同的。

標(biāo)準(zhǔn)從站或a類從站 對(duì)于as-i標(biāo)準(zhǔn)從站或a從站，主站與從站的通信接口區(qū)就是cp占有cpu的地址區(qū)，大小為16b輸入和16b輸出，每個(gè)從站最多占用4個(gè)數(shù)字量輸入和4個(gè)數(shù)字量輸出。傳載數(shù)據(jù)時(shí)使用數(shù)據(jù)裝載(l)與數(shù)據(jù)傳送指令(t)進(jìn)行。

b類從站 對(duì)于具有as-i擴(kuò)展功能的b類從站，相當(dāng)于訪問as-i總線上的32~62號(hào)從站;主站與b類從站的通信接口區(qū)存儲(chǔ)于cp內(nèi)部的數(shù)據(jù)記錄區(qū)中，cpu需要調(diào)用系統(tǒng)功能塊sfc58/sfc59，讀寫cp的數(shù)據(jù)記錄，訪問b類從站數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)b類從站的數(shù)據(jù)記錄區(qū)為150(96h)，長(zhǎng)度為16b。

模擬量從站 與訪問b類從站的方法類似，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于主站cp的數(shù)據(jù)區(qū)140(8ch)中。在 cpu中調(diào)用sfc58/sfc59，訪問cp數(shù)據(jù)記錄區(qū)中從站數(shù)據(jù)(2b~128b)。

5 結(jié)束語

as-i技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域， 比如說汽車生產(chǎn)、石油化工、煙草工業(yè)、電梯控制系統(tǒng)等等。這主要是因?yàn)閍s-i的接線簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸可靠、安裝維修方便，而且可以用于較為惡劣的工業(yè)環(huán)境，能為有較少i/o點(diǎn)的設(shè)備提供一種低成本的解決方案。另外，主站編程簡(jiǎn)單，節(jié)約不少開發(fā)時(shí)間，是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的絕佳選擇。