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AS-I总线教程(一)-现场总线及AS-I概述

chenwh78  发表于 2009/7/13 15:20:01      3158 查看 8 回复  [上一主题]  [下一主题]

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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:
·信息(数据)通过总线传送
·信息可以通过逻辑连接而传送到所有的网络设备中
·将所有的传感器和执行器连接至主控制器中
·各等级的控制器相互连接
·对网络中各设备进行循环诊断
 
网络的优点有:
·灵活的系统结构,车间内可以很容易的在总线上增减设备
·与传统接线相比,调试更加方便
·数据集中处理
·由于接线减少,故障率降低
·故障处理更加优化,可靠性提高
·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:
·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。
·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。
·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。
·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。
·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。
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    chenwh78   发表于 2009/7/13 15:16:21

    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:

     

    ·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。

     

    ·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。

    ·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:

     

    ·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。

    ·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。

    ·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。

    2楼 回复本楼

    引用 chenwh78 2009/7/13 15:16:21 发表于2楼的内容

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    chenwh78   发表于 2009/7/13 15:17:13

    3AS-I通信
    3.1 AS-I通信过程
    当AS-I主站上电时,在设定阶段它将轮询访问各个已连接的从站(1-31)。如果从站有所响应,主站将对从站建立地址和行规的列表。
     
    行规(Profile)是对设备的一种描述和规定。AS-I的行规不仅对I/O做了规定,也对数据位和参数位的用途和功能也做了规定。行规使得有关设备具有了互操作性,即不同厂商的统一规格产品可互相替代。行规是由AS-I国际组织制定的,分为主站行规和从站行规两种。不同的行规编号有不同的定义,通过行规可以看出主、从站设备的特性。比如只能型电感传感器的行规是1.1。
     
    当访问过所有从站后,AS-I主站对从站建立了完整的地址列表。开始正常工作后,主站会定期按照列表访问各从站,当发现从站实际地址和行规与列表中的信息不同时,会向PLC发送地址错误或参与者不可用的故障信息。
     
    该通信按照一定周期进行,每次访问的时间最多5ms。所有存在的从站都将在这个时间内被访问一次,访问的内容包括从站地址信息、参数信息和诊断信息。
     
    AS-I主站采用轮询方式访问,即按照顺序一个一个的对从站进行访问。这个顺序就是在上电时,主站第一次访问时建立的地址列表。如果在访问时,从站在规定时间内没有对主站的请求作出响应,主站会立即重复访问一次。还没有响应的话,主站将访问下一地址。在后面的两个周期内,主站会继续尝试访问先前丢失的地址,如果依然没有回应,故障错误位会被置位,并将该信息发送给PLC。
     
    再者,在每个周期内主站都将访问从站的参数信息。同样,每一次还要访问诊断信息。当AS-I主站发现系统中出现了一个在列表中未曾出现的地址后,在随后的30 个周期(最多150ms)也同样读出了这个地址,便会将该地址写入列表并报告给PLC。
     
     
    3.2 AS-I的拓扑结构
    AS-I网络的拓扑结构包括总线型、星型和树型结构,可以完全适应各种工业场合。每个网段的最大长度不能超过100m,最大从站数量为31,如果按照AS-IV2.1版本,最大数量为62。如果网络段很长,就要使用中继器延长。但即使使用中继器,最大从站数量也不可能增加。 
                                                      总线型拓扑
     
                                              星型拓扑
                                                树型拓扑
    3.3 AS-I通信原理
    AS-I的数据通信是通过非屏蔽双芯电缆完成的,它与30VDC连接。信号以电压信号方式传送。为了满足传送的安全性,信号频率不能太高,以防止信号扩散,而且非屏蔽双芯电缆只适用于低频范围。除此之外,AS-I通信还采用了与PROFIBUS不同的调制技术,即APM。
     
    在数据收发过程中,发送装置所传输的数据按顺序被转换成Manchester码,然后经过正弦(sin)二次方信号脉冲调制,被平滑调制成电流信号,解耦装置最终会把电流信号转化为电压信号供接收装置接收。
    APM是在Manchester码的电平发生跳变时才产生脉冲,即在上跳变时产生一个正向正弦二次方脉冲,在下跳变时产生一个负向正弦二次方脉冲,解耦装置在最后把电流信号转换成s所有装置都能接收的电压信号。当电流通过解耦装置内的电感元件时会产生电压突变,增加的电流产生负向电压信号,减少的电流产生正向电压信号。接收装置再按照相反的过程进行解码,将电压信号转换成原始数据。
     
    3.4 AS-I报文
    AS-I网络中的主站通过轮询方式访问从站,每一次访问都是主站发送请求报文,从站检测到后,在一定时间内必须对此作出响应,发送一个响应报文。主站收到响应报文后,再访问下一站点。
     
    ST = 起始位,总为0
    SB = 控制位。为0时,表示报文为数据、参数或地址报文。为1时,为控制命令报文。
    A4…A0 = 从站地址 (5 bit)
    I4…I0 = 主站发送给从站的信息(5 bit)
    I3…I0 = 从站发送给主站得信息(4 bit)
    PB = 奇偶校验位
    EB = 结束位,总为1
     
    由于只能是主站发起通信请求,数据报很短,协议要求也不像高级总线那样复杂。再加上从站数量的限制,以致于输入/输出数据吞吐量小,传送速度非常快。这也是AS-I受电磁干扰的影响很小的原因。
     
    除了价格便宜外,AS-I设备还非常的皮实,以适应在各种环境(包括恶劣环境)下安全可靠地使用。
    AS-I中的主站和从站的数据交换按下列方式进行:
     
    主站请求
    ·起始位ST表示主站请求的开始(ST=0)。
    ·控制位SB为0时,表示报文为数据、参数或地址报文;为1时,为控制命令报文。
    ·A4…A0,5个位表示被呼叫的从站地址。
    ·I4…I0,5个位表示主站发送给从站的信息。
    ·奇偶校验位PB表示主站请求信息中“1”的数量,如果报文没有错误,从站会识别出这个位。
    ·结束位EB表示主站请求完毕(EB=1)。
    ·主站空闲的时间在3…10个码元时间内,以保证传输的安全性。
     
    从站响应
    ·起始位ST表示从站响应的开始(ST=0)。
    ·I3…I0,4个位表示从站对主站的响应信息。
    ·奇偶校验位PB表示从站响应信息中“1”的数量,如果报文没有错误,主站会识别出这个位。
    ·结束位EB表示从站响应完毕(EB=1)。
    ·从站空闲时间在3…10个码元时间内,以保证传输的安全性。
     
    通过上述的传输规则,可以获得非常高的传输安全性。任何情况下,都可以检测出1个,2个或3个错误。甚至对4-5个错误的检测,也能够达到99.9999%的正确率。这也是因为主站在每个循环周期内对所有从站进行访问,可以及时地探测到从站的故障。
     
    主站对于从站地址错误故障,通过和最初的地址列表对比,可以检测到地址是否正确。
                                  主站轮询访问从站的模型
    3楼 回复本楼

    引用 chenwh78 2009/7/13 15:17:13 发表于3楼的内容

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    chenwh78   发表于 2009/7/13 15:18:24

    4.as-i元件使用

    4.1 as-i主站与plc连接 

    下图为as-i主站cp342-2cpu 313c-2dpplc配置,以及标准的24vdc30vdcas-i专用电源的连接。

    4.2 as-i总线4位从站的连接

    4位输入输出模块的连接如下:

    as-i-m12-plug

    3线传感器的配置列表(输入信号):

    1 = +  = 棕线

    2 = 信号 = 黑线

    3 = -  = 蓝线 

     

    真空开关的配置列表(输入信号):

    1 = +  = 棕线

    2 = 信号 = 黑线

    3 = -  = 蓝线

     

    2线磁感应式接近开关配置列表(输入信号):

    1 = +  = 黑线 

    2 = 信号 = 棕线

     

    3线磁感应式接近开关配置列表(输入信号):

    1 = +  = 棕线 

    2 = 信号 = 黑线

    3 = -  = 蓝线

     

    微动开关配置列表(输入信号):

    1 = +  = 棕线 

    2 = 信号 = 绿线 

     

    指示灯/电机配置列表(输出信号):

    3 = -  = 棕线/红线

    4 = 信号 = 蓝线/黑线

    4.3  as-i总线8位从站的连接

    as-i从站的8位模块连接图(每个连接端子为in1out1)。

     

    3线传感器配置列表(输入信号)

    5 = +  = 棕线

    6 = 信号 = 黑线

    7 = -  = 蓝线

     

    真空开关的配置列表(输入信号):

    5 = +  = 棕线

    6 = 信号 = 黑线

    7 = -  = 蓝线

     

    2线磁感应式接近开关配置列表(输入信号):

    5 = +  = 黑线 

    6 = 信号 = 棕线

     

    3线磁感应式接近开关配置列表(输入信号):

    5 = +  = 棕线 

    6 = 信号 = 黑线

    7 = -  = 蓝线

     

    微动开关配置列表(输入信号):

    5 = +  = 棕线 

    6 = 信号 = 绿线 

     

    指示灯/电机配置列表(输出信号):

    8 = -  = 棕线/红线

    9 = 信号 = 蓝线/黑线

    4楼 回复本楼

    引用 chenwh78 2009/7/13 15:18:24 发表于4楼的内容

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    chenwh78   发表于 2009/7/13 15:19:32

    4.4 使用从站服务器进行编址

    as-i网络中的从站地址为1-31,即最多只能有31个从站设备。为了定义这些从站的地址,可以通过不同的方式来设置,包括主站设置,从站服务器设置,有些从站还可以通过按钮设置。下图是使用西门子从站服务器(psg, programming and service device)来进行设定。

     

     

    1. psg开机(start

    2. 确认指示灯(enter

    3. 选择主站(f3

    4. 选择操作模式(f1

    5. 选择新的从站(f1

    6. 确认as-i地址(enter

    7. 输入新的地址(2

    8. 确认进入(enter

    9. 回到主菜单(2xesc

    10.关机(f4

     

     

    下图是用as-i服务器设定地址。

     

     

    如图所示,使用从站服务器进行设定非常简单、方便,不需做过多说明。只是要注意在连接时,4i/4o模块的正负极不要接错。

    4.5 使用s7 plc进行硬件地址设置

    下面说明通过plc如何将连接在控制器上的as-i输入输出设备进行地址设置。

     

    as-i从站地址范围,由plc硬件决定

     

    ·输入字节地址范围256..271

    ·输出字节地址范围256..271

     

    由于as-i从站属于plc的外围设备,所以as-i从站的地址不能在程序中直接设置。但是在编程软件中,要按照程序要求在组织块中进行地址设置。下列的程序举例会说明如何进行设定:

     

    l pid256     load input dw256

    t id64       transfer to input dw64

    l pid260     load input dw260

    t id68       transfer to input dw68

    l qd64       load output dw64

    t pqd256     transfer to output dw256

    l id68       load output dw68

    t pid260     transfer to output dw260

     

    为了在组织块中方便地编写程序,外部设备dw和内部dw被相互转换。

     

    每一个输入/输出dw包括4个字节:

    id64 = ib64, ib65, ib66, ib67

    id68 = ib68, ib69, ib70, ib71

    qd64 = qb64, qb65, qb66, qb67

    qd68 = qb68, qb69, qb70, qb71

     

    单字节也可以被装载和转换,比如:

    l pib 256

    t ib  64

    l pib 257

    t ib  65

    ...

     

    t qb  64

    l pqb 256

    t qb  65

    l pqb 257

    ...

    输入和输出位的外部地址就是指所连接的传感器和执行器所属的从站地址。下表就是一个主站可以被分配的从站地址和plc内部地址。

    点击看原图

    如上图所示,as-i主站的输入和输出占用16个字节的内存。as-i主站cp343位与s7-300plc的第四个槽位。它可以自动的从plc中获得25627116个字节提供给外部装置。从站1的输入地址为i256.0i256.3,输出地址为q256.0q256.3。其他从站的地址的编制同样根据这个规则。

    5楼 回复本楼

    引用 chenwh78 2009/7/13 15:19:32 发表于5楼的内容

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    chenwh78   发表于 2009/7/13 15:20:01

     

    5. as-i网络的接线和安装要点

    正确和合理的现场安装非常重要,下面是as-i总线在安装时的几个注意问题:

     

    ·电源

    as-i的供电电源必须使用专用电源,且只允许该电源的平衡点接地,其他任何地方都不允许接地。压降会对从站性能产生影响。

    安装附加电源时,要使用黑色的电缆连接。

    标准的黄色非屏蔽双芯电缆的电阻是0.0135ω/m

     

    ·网络扩展

    使用中继器时,每个网段不能超过100m,并且每个网段有自己的电源。任何从站和主站之间不允许超过两个中继器,所以整个网络的长度看起来最多为300m,但采取一定措施后,可以达到500m左右。

     

    ·走线

    黄色as-i电缆,棕色为正极,蓝色为负极。为了减少干扰,不要离电力线太近,对超过60vdc250vac的电缆,距离至少为10cm。对超过400vdc/ac的电缆,距离至少为20cm。不可避免要接近时,尽量正交而不并行。

    6楼 回复本楼

    引用 chenwh78 2009/7/13 15:20:01 发表于6楼的内容

  • kkdro1984

    kkdro1984   |   当前状态:在线

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    kkdro1984   发表于 2011/11/25 10:59:17

    有个问题请教一下   我用的AS-I模块是倍加福的  现在手持编程器找不到了  我想修改模块的地址 用s7软件能直接修改么 怎么修改 谢谢

    7楼 回复本楼

    引用 kkdro1984 2011/11/25 10:59:17 发表于7楼的内容

  • weixinliandz

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    weixinliandz   发表于 2012/8/16 17:08:05

    好多啊,不知道连接器也是里面的一种吧,要用到哪些连接器
    8楼 回复本楼

    引用 weixinliandz 2012/8/16 17:08:05 发表于8楼的内容

  • wf11222000

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    wf11222000   发表于 2012/12/26 17:05:35

    http://murphyasi.blog.163.com/可进我博客看看,欢迎一起讨论AS-i,谢谢
    9楼 回复本楼

    引用 wf11222000 2012/12/26 17:05:35 发表于9楼的内容

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