傳感器執(zhí)行器接口總線的研究與應用

沈思庭

摘要：文章通過對傳感器執(zhí)行器現(xiàn)場總線的技術研究，結合集裝箱碼頭行業(yè)在吊具系統(tǒng)上的應用情況，提出實用的現(xiàn)場故障檢測分析方法，以提高現(xiàn)場檢修效率，提升碼頭的服務水平。

關鍵詞：傳感器；執(zhí)行器；ASI；故障檢測；解決方案；技術特點

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）20-0062-02

傳感器執(zhí)行器接口總線（ASI，actuator sensor interface）是直接連接現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器的總線系統(tǒng)。工業(yè)生產過程的自動化是絕對離不開傳感器和執(zhí)行器的。傳感器作為過程控制的“視覺和聽覺”是無處不在的。 ASI總線使靠近現(xiàn)場的簡單模塊（傳感器、執(zhí)行器和操作員終端等）能夠連接成最底層控制系統(tǒng)，這是自動化技術的一種最簡單、成本最低的解決方案，優(yōu)勢非?？捎^。

1 應用現(xiàn)狀

從目前岸橋的故障情況分析，其中吊具的故障率占有50%左右，另外，在所有的故障處理時間上面，吊具故障處理時間占有很高的比率。在ASI總線系統(tǒng)中，現(xiàn)場裝置的故障率超過90%。另外，對于檢修人員最大的困難是檢查線路需要花費很長的時間。同時因為短時間內無法確定是岸橋本身故障還是吊具的故障，為了追趕效率，檢修人員往往一邊檢查線路，一邊安排備用吊具到橋邊，無形當中造成搶修資源的浪費。如果可以迅速診斷出吊具通信故障的具體點，將會極大地縮短吊具故障的檢修時間。

由于岸橋吊具作業(yè)工況惡劣，吊具故障率較高，對于碼頭操作而言，停機直接影響到操作效率，最大限度地減少故障處理時間顯得尤其重要。

2 存在問題

在碼頭操作或日常吊具維修中，雙箱吊具故障處理成為較大的難題，在整個ASI系統(tǒng)中，從主控邏輯控制器（PLC，S7-300）自身的CP343-2通訊模塊，到ASI電源模塊，一直到吊具上的現(xiàn)場從模塊（Slave）的輸入、輸出（I/O）點，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會導致通訊異常，從而導致吊具故障。連接到從模塊（Slave）上的傳感器（Sensor）、電磁閥（Actuator）等元件如果出現(xiàn)問題，雖然不會影響ASI通訊，但同樣會帶來吊具故障，影響碼頭正常操作。

根據傳統(tǒng)方式，查找故障點是非常困難的，通常要借助手提電腦查看岸橋上吊具PLC的控制邏輯，而判斷通訊是否正常則非常困難，需要檢修人員具有豐富的故障處理經驗。

3 解決方案

3.1 總體思路

基于ASI現(xiàn)場總線支持從站模塊熱插拔模式，研制一款便攜式監(jiān)測裝置，適合維修人員在操作現(xiàn)場進行吊具檢修工作。要求該裝置能夠準確、直觀、迅速顯示出吊具主站和各子站的通訊狀態(tài)以及各個傳感器和電磁閥在總線數(shù)據上的狀態(tài)，幫助檢修人員在極短的時間確定故障發(fā)生的具體機構和器件，同時技術方案的制定應充分考慮現(xiàn)場使用的方便性和實用性。

3.2 研制步驟和要點

研究ASI協(xié)議在吊具應用系統(tǒng)中的通信格式和硬件接口；硬件器件選型和電路設計；軟件代碼編寫和測試；樣機制作；現(xiàn)場測試與代碼調試。

3.3 技術方案

ASI總線數(shù)據標準時鐘周期為6us，這樣一來，要求單片機CPU在6us內完成總線1次電平變化量采集和數(shù)據譯碼、存儲，而且用時越短，數(shù)據誤碼率越低。由于MCS51系列單片機最高工作頻率為60MHz，所以對軟件技術有很高的要求。實際上做到了在4.8us內完成上述采集、譯碼和存儲，在時間上完全保證數(shù)據采集的完整性。

圖1 ASI吊具測儀原理框圖

本ASI吊具通訊監(jiān)測儀的軟件，根據ASI總線數(shù)據格式的特點，充分利用單片機的系統(tǒng)資源，分別對總線上電平的上升沿和下降沿進行判別處理，解碼方式獨特，而且使得數(shù)據采集和存儲同步完成，對總線數(shù)據解析完整，無一遺漏。

另外，軟件技術包括對靜態(tài)數(shù)據和動態(tài)數(shù)據進行分時處理，保障總線數(shù)據狀態(tài)的同步刷新，并通過用戶界面在LCD顯示屏上表現(xiàn)出來，維修人員可以根據觀察到的傳感器和電磁閥的開、閉狀態(tài)迅速發(fā)現(xiàn)故障點。

具體說明如下：

3.3.1 單片機采用ATMEL系列89C51RC2型號，最高工作頻率60MHz，32kByte存儲空間，完成ASI數(shù)據接收和譯碼以及顯示等功能。

3.3.2 ASI接口芯片采用德國ZMD公司產品ASI4U，完成總線數(shù)據的接收和校驗，通過光耦隔離，向單片機發(fā)出中斷請求信號和進行串行數(shù)據傳輸。

3.3.3 AD轉換器采用串行方式，在單片機的控制下，將總線瞬時電壓轉化成數(shù)字量信號，并傳輸給單片機。

3.3.4 LCD顯示屏為256色，320×240分辨率。

3.3.5 用戶使用測試界面選擇旋扭，吊具類型選擇開關進行功能選擇。

3.3.6 用戶按下復位按鈕可以對監(jiān)測儀器本身進行復位操作。

3.3.7 電源開關帶自保持功能和電源指示燈，按下通電，指示燈亮。再按下，按鈕彈起斷電。

4 實施效果

ASI吊具通訊監(jiān)測儀小巧輕便、功能強大，為吊具故障處理帶來極大的便利，可以替代手提電腦的部分功能，它不但能夠檢測ASI通訊的好壞，還能檢測主模塊（master，CP343-2）和從模塊（slave）輸入/輸出（I/O）點的狀態(tài)，實時檢測吊具自身的傳感器（SENSOR）信號通斷及電磁閥工作狀態(tài)并實時顯示。該儀器如同一只萬用表一樣可以隨身攜帶，不必安裝到機械設備上，因此對于一組設備檢修團隊，配備1～2臺儀器足以應付一般的設備檢修使用。即使檢修人員不具備豐富的故障處理經驗及較高的技術水平，也都可以根據觀察到的傳感器和電磁閥的開閉狀態(tài)，獨立、迅速查找到吊具故障點。

在鹽田國際集裝箱碼頭正式使用期間，從2008年4月至2009年4月，檢修、診斷的吊具數(shù)量超過100臺次。實踐證明ASI吊具通訊監(jiān)測儀可以幫助檢修人員快速、準確判斷出吊具的電磁閥和傳感器故障點，極大地提高了吊具此類故障的檢修效率。通過手提電腦查找ASI吊具故障至少需要30分鐘以上，現(xiàn)在通過ASI吊具通訊監(jiān)測儀瞬間即可判斷吊具故障點，極大地提高了工作效率。

表1給出了使用ASI吊具通訊監(jiān)測儀前、后檢修效果比較說明。

5 技術方案特點

（1）突破傳統(tǒng)的現(xiàn)場檢修模式，建立可視化和分析性維修模式。在吊具故障判別方面，從經驗維修模式轉向借助新型工具進行檢測，提高維修效率、可靠性和可預

期性。

（2）根據ASI總線采樣周期，采用獨特解碼方法和軟件技術，做到數(shù)據分時處理。

采用隨身攜帶的對講機電池，有效地解決了便攜式儀器現(xiàn)場使用時的電源問題。

（3）該方案雖然主要針對集裝箱吊具工況設計，但只要稍加改進，即可應用在采用ASI總線的各種機械設備上，可以提高相關機械設備故障檢修效率，節(jié)約人力物力。只要有用戶需求，在此基礎上都可以研制出類似的產品。

6 結語

以上關于ASI現(xiàn)場總線設備檢修技術方案和ASI吊具通訊監(jiān)測儀的研制是根據碼頭設備維修的實際情況，結合自身的維修經驗和專業(yè)知識，自主研制，在實際維修工作中有效地提高了吊具檢修工作的效率和可靠性。其核心技術方案并不局限于碼頭設備，對其他采用ASI總線的工業(yè)自動化設備檢修模式同樣具有一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] ASI4U 數(shù)據手冊.1.6 Copyright ? 2006， ZMD AG， Rev.1.6.