AS－i總線在汽車尾氣催化劑項(xiàng)目漿料平臺(tái)中的應(yīng)用

馬 霞連云港沃利帕森工程技術(shù)有限公司上海分公司 上海200001

1 項(xiàng)目介紹

AS－i總線接口是英文Actuator Sensor Interface的簡(jiǎn)稱，是目前最簡(jiǎn)單的和最低成本的底層現(xiàn)場(chǎng)總線，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。使用非常簡(jiǎn)潔、方便，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，優(yōu)點(diǎn)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(yīng)用簡(jiǎn)便。AS－i的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)使它所有的模塊都具有“即插即用”的功能，即可進(jìn)行“熱插撥”的操作;③速度快。1個(gè)主站和31或62個(gè)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(nèi)就可以對(duì)31或62個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，布線非常方便;⑥對(duì)所有流行總線開放。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，AS－i總線在各行各業(yè)的自動(dòng)化場(chǎng)合中得到廣泛使用。某汽車尾氣催化劑項(xiàng)目，是生產(chǎn)對(duì)汽車尾氣進(jìn)行凈化處理的催化劑產(chǎn)品，使汽車尾氣在排放到大氣前，經(jīng)過該催化劑產(chǎn)品，能更好地吸收掉汽車尾氣中的有毒有害部分，使尾氣達(dá)到國(guó)際要求的凈化標(biāo)準(zhǔn)后再排放到大氣中。該產(chǎn)品生產(chǎn)過程中采用了Hollys(和利時(shí))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(tái)有大量的數(shù)字信號(hào)儀表點(diǎn)，主要是以順序控制為主，因?yàn)闈{料中使用了一定的貴金屬元素，所以對(duì)漿料原材料的配比非常嚴(yán)格，控制一定要做到精密、可靠。綜合這些特點(diǎn)，最終項(xiàng)目選擇了IFM(易福門)的AS－i總線作為底層現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，以此對(duì)漿料平臺(tái)進(jìn)行控制，并且在AS－i控制系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)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(jìn)行通訊，使操作人員在DCS操作間即可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的遠(yuǎn)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(guān)

網(wǎng)關(guān)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(wù)是將下層的I/O信號(hào)傳送給上層PLC或DCS控制系統(tǒng)，客戶可以將網(wǎng)關(guān)看做是一個(gè)大量I/O信號(hào)的采集卡，無論上層總線如何變化，下層I/O模塊都不會(huì)受影響。當(dāng)傳感器和執(zhí)行器被正確連接后，與PLC或DCS方面的編程會(huì)十分方便和快捷。

2.2 電源

AS－i電源是AS－i網(wǎng)絡(luò)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)去藕功能，見圖1。數(shù)據(jù)信號(hào)和直流電源能在同一根電纜上傳輸。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在長(zhǎng)時(shí)間過載情況下不會(huì)損壞電源，當(dāng)過載故障排除后，電源可以自動(dòng)恢復(fù)到正常供電狀態(tài)，電壓保持在29.5～31.6VDC之間，一次側(cè)小于10ms的中斷不會(huì)影響AS－i總線網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，啟動(dòng)供電延時(shí)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(luò)中重要的部件，也是AS－i總線系統(tǒng)中的從站(Slave)，它負(fù)責(zé)接受傳感器的信號(hào)并傳給網(wǎng)關(guān)，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(chǎng)型和控制箱型，可以通過可移動(dòng)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(luò)。

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(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。

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(jī)械編碼式外形，具有反極性保護(hù)，放置在線槽里正負(fù)極性不會(huì)錯(cuò)接，不需要絞接，也不需屏蔽，現(xiàn)場(chǎng)安裝非常方便。在電纜上同時(shí)傳輸30VDC電源和AS－i通信信號(hào)，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(lán)色。其中棕色線接AS－i+，藍(lán)色線接AS－i－，黑色扁平電纜中的棕色電線接AUX+(輔助電源)，藍(lán)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(luò)里所有的通信信號(hào)，包括輸入和輸出信號(hào)。

扁平電纜還有一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)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(jiǎn)單又可靠，它采用特殊的合成橡膠作為絕緣保護(hù)層，所以當(dāng)它從連接件上被拔起后，穿孔處會(huì)自動(dòng)閉合，絕緣特性仍可保持，因此可以反復(fù)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(jié)構(gòu)

AS－i總線系統(tǒng)多變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(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(chǎng)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(shè)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(guān)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(hào)，所以也可以由AS－i電源來供電。其結(jié)構(gòu)原理見圖1。

圖1 AS－i總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

在該汽車尾氣催化劑項(xiàng)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(nèi)部裝有AS－i從機(jī)專用芯片，加上一些外圍元器件和存儲(chǔ)器就構(gòu)成了一體化的從站，每個(gè)一體化的從站占有一個(gè)地址碼。在現(xiàn)場(chǎng)，所有的普通開關(guān)閥上均安裝有凸輪和閥門驅(qū)動(dòng)模塊，凸輪能夠顯示閥門的開關(guān)狀態(tài)，而閥門驅(qū)動(dòng)模塊使普通的開關(guān)閥變成智能型開關(guān)量執(zhí)行器。另一種是分離型結(jié)構(gòu)，它由專門設(shè)計(jì)的AS－i的I/O接口模塊和普通的傳感器/執(zhí)行器構(gòu)成，在I/O接口模塊中帶有從機(jī)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(gè)分離型從站占有一個(gè)地址碼。從機(jī)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(gè)從站連接起來形成控制總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)所有的電磁閥、限位開關(guān)和液位開關(guān)均采用該類結(jié)構(gòu)連接至AS－i系統(tǒng)。電磁閥、限位開關(guān)和音叉液位開關(guān)雖然都是采用的分離型結(jié)構(gòu)，但是，根據(jù)它們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)分布的特點(diǎn)，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(guān)與電磁閥因?yàn)辄c(diǎn)數(shù)少而分散，所以采用的4DI/4DO從站模塊，型號(hào)是IFM AC2257，這類模塊的防護(hù)等級(jí)只有IP20，因此直接安裝在AS－i控制箱內(nèi)。而音叉液位開關(guān)信號(hào)因?yàn)辄c(diǎn)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(chǎng)模塊，型號(hào)是 IFM AC5290，該類模塊具有IP67的防護(hù)功能，可以安裝在液位開關(guān)點(diǎn)比較集中的位置，非常方便實(shí)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(guān)信號(hào)有兩種類型，一種是Namur信號(hào)，一種是機(jī)械接點(diǎn)式信號(hào)。Namur信號(hào)屬于兩線制，屬于回路供電，布線簡(jiǎn)便。機(jī)械接點(diǎn)式音叉，則需要進(jìn)行外供電，屬于四線制，布線比較麻煩。在進(jìn)行音叉開關(guān)選型的過程中，考慮到AS－i總線提供的是30VDC電壓，而Namur信號(hào)所用電壓遠(yuǎn)低于該值，在此處顯然不適宜用Namur信號(hào)，因而改用機(jī)械接點(diǎn)式音叉開關(guān)。其外供電直接來自于配電室內(nèi)的配電柜，采用的是普通1 mm×2.5 mm供電電纜。音叉信號(hào)則通過AS－i從站模塊進(jìn)入AS－i總線系統(tǒng)。但要注意的是音叉開關(guān)與AS－i從站模塊之間的電纜選擇，從站模塊(IFM的ClassicLine現(xiàn)場(chǎng)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(hào)控制電纜(比如1×2 mm×1.0 mm)代替，因?yàn)槠胀ǖ男盘?hào)控制電纜無法連接上模塊。IFM的ClassicLine現(xiàn)場(chǎng)模塊每個(gè)模塊可以接4個(gè)音叉開關(guān)。

(2)在選用閥門上的電磁閥時(shí)，需要注意電磁閥的功率值。因?yàn)殚y門上安裝有一個(gè)閥門驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)模塊不能帶動(dòng)電磁閥工作。經(jīng)過計(jì)算驗(yàn)證，在項(xiàng)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(luò)擴(kuò)展問題

一般情況，AS－i總線的一個(gè)網(wǎng)段電纜長(zhǎng)度不能超過100m(包括主干和支線的電纜總長(zhǎng)度)，超過100m會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)上的通信質(zhì)量，但在實(shí)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(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，通常有兩種方法擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度。

(1)增加中繼器(repeater)。

增加一個(gè)中繼器可將網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度增加100m，同時(shí)需要增加一個(gè)AS－i電源。因?yàn)橹欣^器把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成兩段，形成了電氣隔離，通過光耦元器件傳輸信號(hào)，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(gè)中繼器，因?yàn)槌^兩個(gè)中繼器，會(huì)讓最遠(yuǎn)端從站到主站的通信質(zhì)量變得很差。通過中繼器可以將AS－i網(wǎng)絡(luò)最大擴(kuò)展到500m，方法就是將網(wǎng)關(guān)放置在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中間，再向左右兩邊通過中繼器來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度，見圖2。

圖2 把網(wǎng)關(guān)放置在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中間來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度

(2)采用終端電阻或調(diào)節(jié)器來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度。

增加終端電阻能擴(kuò)展AS－i網(wǎng)絡(luò)到200m，或增加調(diào)節(jié)器能擴(kuò)展AS－i網(wǎng)絡(luò)到300m，其中調(diào)節(jié)器自身帶有終端電阻，還可以主動(dòng)調(diào)節(jié)AS－i網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，在現(xiàn)場(chǎng)是非常有用的。安裝時(shí)還需要注意調(diào)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(diào)節(jié)器和終端電阻放置在另一端，這樣AS－i系統(tǒng)運(yùn)行起來更可靠。

本項(xiàng)目從樓層之間方便維護(hù)的角度考慮，采用了三個(gè)帶網(wǎng)關(guān)的AS－i主站，每個(gè)網(wǎng)段的電纜長(zhǎng)度均在100以內(nèi)，無需再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。

4.2.2 現(xiàn)場(chǎng)施工安裝問題。

現(xiàn)場(chǎng)施工安裝不當(dāng)會(huì)引起信號(hào)的干擾。現(xiàn)場(chǎng)安裝建議:

(1)現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)模塊需與強(qiáng)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(chǎng)控制箱內(nèi)，AS－i模塊與帶干擾源的設(shè)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(gè)方向或靠得太近，以免影響AS－i的通信質(zhì)量。

(2)AS－i總線電纜盡量遠(yuǎn)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(lán)色為負(fù)極。為了減少干擾，不要離電力線太近，對(duì)超過60VDC或250VAC的電纜，距離至少為10cm。對(duì)超過400VDC/AC的電纜，距離至少為20cm。不可避免要接近時(shí)，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(luò)，無論是黃色扁平電纜的棕色線還是藍(lán)色線都不可以接入接地端，否則會(huì)干擾網(wǎng)絡(luò)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(shè)備安裝示意圖

(4)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備不能直接連接到AS－i網(wǎng)絡(luò)，必須是通過ASI國(guó)際協(xié)會(huì)認(rèn)證的設(shè)備才可以連接到AS－i網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)樗鼈儙в刑厥獾倪^濾元器件，能從AS－i網(wǎng)絡(luò)獲得電源和信號(hào)以保證正常工作，這些設(shè)備上都有AS－i標(biāo)志可以識(shí)別;AS－i設(shè)備上的端子接口AS－i+與AS－i–連接的導(dǎo)線不要分隔開來，使用時(shí)需包裹在同一根電纜外皮中，也就是盡量使用AS－i標(biāo)準(zhǔn)的黃色扁平電纜或圓形電纜，AS－i回路的對(duì)地平衡電路設(shè)計(jì)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(zhǎng)，在布線時(shí)注意不要靠近干擾源。

以上建議都是在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)需要注意的，它可以保證AS－i系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)正常工作，減少出錯(cuò)的概率，從而減少維護(hù)時(shí)間。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種類型的總線和設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行，相互關(guān)聯(lián)，一旦在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)問題，排查起來非常麻煩，會(huì)延誤生產(chǎn)周期，時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)給用戶造成很大的損失，所以在設(shè)備運(yùn)行之前，根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)做好安裝布線是非常重要的。

5 結(jié)語

在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工過程中，設(shè)計(jì)者與產(chǎn)品供應(yīng)商、系統(tǒng)配置商、以及施工單位及時(shí)溝通，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)協(xié)調(diào)處理，最終使項(xiàng)目成功開車。目前，該套AS－i控制系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行一年，控制可靠性較高，維護(hù)也比較省心省力。相信在不久的將來，隨著AS－i技術(shù)的發(fā)展，AS－i產(chǎn)品的日益成熟，AS－i總線將會(huì)出現(xiàn)在越來越多的行業(yè)。

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

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

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