现场总线及AS-I概述

1. 介绍

1.1 现场总线系统概述

在当今工业自动化中，一个复杂的系统包含大量的输入/输出信号，只通过一个中央控制器很难实现高要求的控制水平。工业实践证明，将庞大的控制任务分割成多个小的，易于实现的子任务，即分布式控制，更加具有实际意义。这就是需要通过总线系统将主控制器或PC与各个子系统连接起来。 输入和输出设备也不可能再与PLC的中央信号模块直接连接。他们通过一个I/O端子连接到相应地子系统中。各子系统间同样通过总线互相联系，形成一个完整的控制系统。 

这种解决方案具有下列特点： 

(1)信息（数据）通过总线传送。

(2)信息可以通过逻辑连接而传送到所有的网络设备中。

(3)将所有的传感器和执行器连接至主控制器中。

(4)各等级的控制器相互连接。

(5)对网络中各设备进行循环诊断。

网络的优点有： 

(1)灵活的系统结构，车间内可以很容易的在总线上增减设备。

(1)与传统接线相比，调试更加方便。

(1)数据集中处理。

(1)由于接线减少，故障率降低。

(1)故障处理更加优化，可靠性提高。

(1)维护成本低。

1.2 网络等级

为了更好的理解企业中的信号流，我们可以将网络分为几个等级。信号不仅在每个层中传输，在各层之间也相互联系，也就是说，在横向和纵向两个方向上延伸。 每个等级的网络都与上下相邻的网络连接，可以判定相互间通讯的需求。在最上层网络，存在众多复杂的计算机系统，能够不定期的对各种复杂数据进行响应，大量的通讯参与者和响应者在网络中相互协调。 在最底层，依然有很大的信息吞吐量，只是数据相对要少于上层结构。

在自动化系统网络中可以分为以下5层结构： 

(1)计划编制层（Planning Level），对来自生产层的信息进行评价，组织编排并协助生产部门进行决策。在这一层中，不论是信息量还是传输速率和距离都是最大的。 

(2)控制层（Control Level），对每个生产层进行协调。控制层得到来自上一层的生产编排信息，对低层进行编制。该层中的各计算机可以进行诊断，操作和记录工作。

(3)单元层（Cell Level），连接各个不同的生产层，被各单元计算机或PLC控制。

(4)现场层（Field Level），存在大量用于控制的可编程控制装置，调节和检测元件比如PLC或工业计算机等，并可以对执行器/传感器层进行评价。该层可以连接至可视化系统，对数据进行响应和传输。

(5)执行器/传感器层(Actuator/Sensor Level)，属于现场层得一部分并于现场层的控制器连接。该层的特点是输入和输出数据的传输速率极快。输入和输出数据的更新时间甚至低于控制器的循环扫描周期。

2．执行器传感器接口 AS-I

2.1 概述

在现场总线系统中，PROFIBUS等可以解决现场级和车间级设备的通信问题，但工业自动化现场信号均要落实到具体的传感器或执行器上，这些设备散落在工厂的每个角落，数量庞大。它们不可能全都连接到PROFIBUS等高级总线上。因此，必须有一种低级的总线可以完成该任务，通过这种总线，可以将最低级设备连接到高层网络中，从而构成完整的工业通讯网络。 

AS-I的意思源自actuator-sensor-interface。可以解释为：在执行器，传感器和PLC之间的接口。被公认为是一种最好的，最简单的和最低成本的底层现场总线，它通过高柔性和高可靠性的单根电缆把现场具有通信能力的传感器和执行器连接起来。它可以在简单应用中自成系统，也可以通过连接模块与各种高层总线连接。它取代了传统自控系统中繁琐的底层连线，实现了现场设备信号的数字化和故障诊断的现场化，智能化，大大提高了整个系统的可靠性，节约安装，调试和维护成本。 

1990年，在德国政府的支持下，由11个传感器和执行器方面的制造商开始研发AS-I，并一起颁布了它的机械和电气标准。随后，AS-I联合会在1991年建立，该联合会对各厂家的产品进行测试和认证，只有合格的产品才会被授予AS-I的标志进行销售。

2.2 AS-I特点和技术规范

通常来说，AS-I具有以下几方面优点：

1．简单 主站和从站的内部程序都是生产厂商预先在设备中写好的，用户只需按照要求做好基本的设置即可。而且传输电缆的连接也非常简单，不需要做传统的剥线等繁琐的工作。

2．成本低 和传统的底层接线和设备维护相比，AS-I可节约近40%的成本。在传统的接线中，每个装置的各个信号都要分别连接控制器或PLC，有些装置还需要提供辅助电源。所有这些都需要大量的接线，既增加了成本，也需要很多的时间，而且会增加使用中的故障率，不易维护。AS-I系统从根本上消除了这种缺陷，不仅省去大量的电缆连接，也省去了各种电缆槽、桥架和大量的端子，而且还提供了高智能的诊断功能。 以下数字可以看出AS-I总线与传统接线方式之间，惊人的成本差距： �AS-I安装成本小于传统方式的5%�组装成本小于传统方式的75%�材料成本大约为传统方式的20%。

3．可靠性高 数据通信的可靠性是现场总线通信的最重要因素。和其他总线一样，AS-I也采取了许多抗干扰措施，比如APM（Alternating Pulse Modulation，交变脉冲调制）调制技术和差错校验AS-I对网络和从站设备提供不间断的监控，此外还具有极强的诊断功能。从设备硬件到软件都按照高可靠性的规范和协议进行开发和制造，这些都保证了AS-I系统的高可靠性。

4．速度快 AS-I对整个系统的最大扫描时间不超过5ms，甚至超过了很多控制器的最小响应时间。 AS-I的技术数据和传输协议遵循EN 50295标准。主要包括： 

必须是标准化的接口，以便不同制造商的产品可以方便的互联。 

通信技术必须是低成本的，通信设备必须小型化，以便现场传感器和执行器可以最大限度的小型化和简单化。 

具有坚固的网络拓扑，不需要屏蔽和终端电阻，即使在恶劣环境中也能保证通信的可靠性。 

网络中只有１个主站，最多31个从站，每个从站有４位I/O可以利用。�最多124个I/O传感器和执行器。

主从站间采用循环方式进行访问。 

循环时间最大5ms。

网络连接电缆为双芯、非屏蔽、1.5mm²的黄色异型电缆或圆形电缆。最大长度为100m。使用中继器可扩展到300m。但最多只能使用两个中继器。

供电电源30VDC（29.5V—31.6V）。辅助电源也可为24VDC。从站能得到的最大供电容量为8A。AS-I总线属于单主站系统。因此，在一个系统中，只能有1个主站，最多31个从站。如果还需要更多的从站，就要安装另一个AS-I系统，通过增加一个主站的方式来扩展系统。

2. 3 AS-I基本模块

AS-I系统由不同功能的模块组成，主要可以分为主站、从站、供电电源和网络元件。 

 下面将具体介绍每种模块的功能和特点：  

(1)主站 AS-I是单主站系统，主站能在精确的时间间隔内完成和从站的通信任务，包括数据交换、参数设置和诊断等功能。AS-I主站的这些功能是由它内部的ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）和微处理器一起实现的。主站装置可以是PLC、PC或各种网关，其中网关最为重要（如Siemens CP343模块）。网关可以把AS-I系统连接到更高层的网络中（如PROFIBUS）。网关作为AS-I主站的同时，也是高层网络中的从站。

(2)从站 AS-I从站的作用是连接现场I/O。但从站也分为两种，一种是智能型装置，另一种是普通I/O设备。在智能型装置中，集成有通信用的ASIC，它们可以直接连接在AS-I中，并具有诊断功能。对于普通I/O设备来说，如果想接入AS-I系统，必须提供一个带有ASIC的AS-I模块，I/O设备与这些模块连接。

(3)供电电源 供电电源为30VDC，必须使用专用的AS-I电源，并且直接与数据线连接。AS-I从站正常工作的电压至少在26.5V以上。一个从站消耗的电流在100mA以上，一个分支上的所有从站消耗电流大约为2A，AS-I电缆能提供的最大容量为8A。当消耗的电流过大时，需要添加辅助电源。辅助电源为24VDC，用一个双芯黑色无屏蔽的电缆将辅助电源与从站连接起来。辅助电源线同样使用穿刺技术连接。

AS-I系统中，电源是非常重要的模块，它与一般的电源相比有很大不同。它的功能包括：  

(1)供电 平衡网络AS-I在对称的、非接地条件下工作。为了达到EMC要求，要求网络尽可能平衡。在平衡网络中，屏蔽线要接地，在AS-I网络中也只允许该点接地。

(2)数据解耦 数据解耦也集成在供电电源中，它有两组并联的39Ω电阻和50μΗ电感组成。作用是利用电感对电流的微分作用，把AS-I发送的电流信号转换成电压信号，并且可以在电源发生短路时对网络进行一定程度的保护。

(3)安全隔离 供电电源将220VAC转换为30VDC。

网络元件 AS-I的主要网络元件有电缆、中继器和从站服务器（PSG）。 AS-I的黄色异型电缆用于连接电源和主从站，提供供电和传送数据。另外黑色的异型电缆用于连接辅助电源和从站。 AS-I的数据电缆采用非屏蔽、异型端面的双芯非双绞线。防护要求达到IP67，即使使用过也可以保证该防护等级。独特的穿刺连接技术使安装更加简单，更加可靠，有很好的防水防尘特性。