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AS-i 总线技术及其应用AS-i 总线技术及其应用讲座第 10 讲 AS-i 总线辅助单元王俊杰AS-i 可被看作一个在它的应用领域中具有可以支持用户各种网络连接的外围设备元件的系统.下面将介绍一些虽然不是网络的重要元件,但却是有用的单元:电源单元,中继器,地址写入单元,接地故障监视器,过压保护器和监视器等.1 专用电源电源的电压范围为 29.5VDC 31.6VDC,符合 IEC的保护过低电压(PELV)的标准IEC 64.因为定义了指定的电压范围,所以在考虑了从机专用芯片 IC和 AS-i 电缆上产生电压降后(最高 3V),外围设备仍然可以得到 24V( + 10% / - 15%)的电源供给,这符合传统执行器电源的允许范围.通常情况下,电源提供的额定电流由制造厂家设定,现已有额定电流为 2.2A 到 8A 的系列产品可供选用.电源还必须能够提供较大的起动电流,并有持久的短路和过载保护功能的限流器.电源还应和 AS-i 网络中所有的元件一样,可以经受 1kV 和 2kV 的尖峰电压冲击的考验.具体细节在AS-i 完全规范和 EN50295 中都有规定.数据解耦电路也是电源单元的重要组成部分.它通过电感电路将主机和从机生成的电流脉冲转换成电压脉冲.同时,它还确保高频信号不会被电源短路或阻挡,而低频区(小于 10kHz)信号的波动会被拉平,电压尖峰会消失(有时这也可能会影响通信).应做到在一个 AS-i 网 络 环 中 可 以 开 关 31 个 带 有 4 个 线 圈(170mA 尖峰电流)的阀门岛,而不会发生通信差错.在市场上已形成了不同功能型号的电源系列产品,有为一个网络供电(最高到 8A)的标准电源单元;有为两个临近的相互隔离的网络供电的双电源单元;也有除了为一个网络供电外,还可以为执行器提供24V DC 辅助电源的组合电源设备.这些电源均具有输入电压为 24V DC 和 110 / 230V AC 的两种方式,保护级别符合 IP20 和 IP65 的特性.2 中继器和网络扩展单元在 AS-i 中电缆的最大长度为 100m,这是受信号传播的物理特性所限制,超过 100m 就会使得信号传输质量显着降低,这会使线路上的一些设备可能接收不到信号.因此,同其它现场总线系统一样,可以使用中继器进行网络扩展在实际应用中如果在两个网络中会遇到电缆长度限制时,中继器有时可以用双主机替代. 远程主机假设如图 1 所示的一种结构,网络的第一个从机在距离主机控制单元很远的地方,主机的模拟部分可以与数字部分分离,并移动到靠近第一从机的位置.在这个例子中,主机的数字和模拟部分的接口形成了一个长距离的互连.如果主机在数字接口处分为数字和模拟两部分,那么它被称为远程主机.图 1 远程主机结构接口可以被设计成符合 RS - 422 标准或带有光纤模块的单向全双工接口,它可以扩展到几百米.如果允许在无特定的数据协议的情况下进行全双工操作,也可以通过光学数据联接器进行扩展. 中继器在网络中,如果要进行超越长度允许范围的扩展,则需要采用中继器.中继器可以满足 AS-i 两方面的要求,一方面对主机,中继器应该像从机一样,对从机,则应该象主机一样.在这种方式下,中继器对所有在线设备都是透明的.中继器通常由两个信号收发器组成,其中第一个信号收发器由一个信号识别电路和一个信号发送器组成,信号发送器由可以被判定的逻辑激活信号输入控制.中继器应该可以自己识别信息的传送方向和信息的结尾.在信息的终止位后,当前被激活的发送器应76AS-i 总线辅助单元 王俊杰该被关闭,这样就可以无干扰地收到(向反方向传送的)来自被叫从机的下一条信息.进行转换的开关时间由中继器充当的不同侧面来决定.在从机一侧,开关时间等于三个位间隔的最大值,这就是指在同步从机开始回应主机的请求之前的最小主机暂停时间(在此之前到达的回应与系统不符合).在主机侧,从机暂停时间(在从机回应之后)规定为一位的间隔时间.因此,通用的中继器的开关时间必须能够小于一位的间隔(6s)时间,在这段时间内完成方向操作的转换工作.中继器内的接收器和发送器分别用于不同方向的信号传输.发送器由判定逻辑控制,如图 2 所示.位于两侧的信号检测器控制着判定电路.在接收器和发送器间,信号以数字形式传送并可以重写.图 2 带有电流隔离的 AS-i 中继器在这里电流是隔离的,在接收器的左侧,是AS-i电缆供电的,在输出部分有一个独立的电源.如果不需要电流隔离,就不需要使用光耦.判定电路有如下三个状态: 空闲状态两个发送器都不激活; 左侧发送:1(数据流向右侧); 右侧发送:r(数据流向左侧).当系统在空闲状态时,第一个下降沿(属于开始位)进入空闲检测器,使得在传送方向上产生判定,也就是激活反方向的传送器.判定所需要的时间导致了信息传送的延迟,必须保证整个信息传送过程中的持续作用,以保证开始位不会被缩短.在传送侧报告空闲状态(在信息结尾后)前,将会维持信号的方向.当前的技术可以做到在半位间隔时间内识别空闲时间,这就产生了传送方向上开关时间的相应的延迟.开始位的识别(也就是数字的重写)也可以在半位间隔时间内完成.因此,信号在每个方向上的延迟小于一位间隔时间(6s).延迟时间是限制增加使用中继器个数的原因,这也就限制了传输距离的进一步延长.在主机请求和从机响应通过中继器时,从机的响应到达主机的时间会产生延迟,它比主机直接呼叫从机所需时间大两倍,也就是两位的间隔时间.然而,从机响应的最大等待时间被限制在 10 位间隔时间内,以符合规定的周期循环时间.因为非同步的从机在 5 位间隔时间内不会应答,所以在主机暂停发生前只有 5 位的间隔时间.因此在一个网络线路上只能有不超过两个的中继器.可以在并行分支上使用更多的中继器,因为这并不会使延迟时间增加.理论上中继器可以将网络延伸到 300m 以上.然而在实际使用中,从经济角度考虑会限制使用这种用法.3 接地故障监视器监视器应该集成到网络中,这样在各种情况下,网络中执行器的非正常起动都可以避免.如按传统布线,在有些情况下接地故障可能会引起系统的重新启动.电源一端接地和使用 PE 电缆是传统的解决办法,而接地故障监视器为 AS-i 解决了接地故障的监测问题,它可以随时检测第一接地故障点,从而避免了危险情况的出现.接地故障监视器在网络中是一个被动设备.它持续监视着 AS-i + 和 AS-i - 这两根线上的电平,以避免接地.如果电平无法响应对称的命令,它会给出一个出错信号,并能够自动关闭系统.所有的细节如关闭状态,反应时间等可由生产厂家决定.AS-i 网络还可以用符合 IEC 61557 - 8 标准的绝缘监视器进行检查.它将持续检测 AS-i + 和 AS-i - 两根线上的电阻,这同检测系统电平有同样的效果.通过它的帮助,一样可以检测出绝缘的对称缺陷.ifm电子,Schneider 电气和 Siemens 等公司均可提供经过认证的接地故障监视器.4 过压保护模块Siemens 公司提供了一种过压保护模块,它可以保护过压所危及的元件.它用于确保一级和二级快速保护区间的信号传送.在过压模块激活时,会产生接地错误和短暂的通信干扰.在严重过载的情况下(超过了模块的限值),模块会通过将 AS-i 电缆永久性的开路来保护整个区域,此时模块自身也将损坏.5 地址写入和监测维修模块 地址写入工具86自动化仪表第 26 卷第 7 期 2005 年 7 月PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol.26 No.7 July 2005在系统第一次投入运行前,应先为所有的从机安排好操作地址.现在各公司生产的从机都具有可以将地址存储到一个非易失存储器中的功能,即使是非常小的从机也可以实现这一功能,并达到 IP67 的保护级别.可以通过以下两种方式写入地址:! 可以在 AS-i 电缆上,通过主机请求改变操作地址来写入地址,在地址写入过程中一定要确保在网络所连接的所有从机中只有一个从机的地址为零.在这种向从机写入地址的方式中,理应认为主机和更高级的控制单元具有写入地址的功能,这种主机应该是有 M1 外形的带有全部扩展功能的主机.整个过程实际上是非常复杂的,因此,通常只在只有一个从机接入总线中并需要写入地址的情况下使用,多个从机需要轮流写入. 使用专门的地址写入工具就简单多了.专用的手持地址写入器已经进入市场,许多厂家都可以供货.该工具只提供了最需要的功能,一次只能有一个从机连接到该工具上进行地址写入,带有不同形式接头的从机可以通过转换头连接.通过按键就可以确定所连接的从机的地址.在从机应答前,地址写入工具会向地址可能为 0 到 31 的从机发送读 I/ O 配置信息,所连接从机的地址会显示在屏上,这时就可以使用其它两个键选择要输入的地址,然后按下编程键修改已经确定的地址.这些操作和用主机进行的改变操作地址的过程基本上是一样的.同样的步骤还可以用来将从机地址重新设置为零,就象刚出厂时的地址一样,这样该从机就可以作为一个正常的备件来使用了.该工具有时被称作编程单元,其实 AS-i 从机不能被编程,它只能接收地址.标准手持地址写入器如图 3 所示.图 3 标准手持地址写入器 图 4 地址写入和维护单元# 地址写入和维护单元Siemens 公司提供的地址写入单元SIE 93还具有用于网络维护和监管的附加功能,如图 4 所示的照片,它也被设计成手持式终端,并带有 LED 显示屏和功能键.它可连接在 AS-i 网络中的任何位置工作.用户可以有监视,从机模拟,主机模拟,从机地址写入等四种操作模式.在监视模式下,它将对数据传送进行评估,数据信息会被记录一段时间,然后再对差错进行扫描.在从机模拟模式下,该手持设备就象是连接在电缆上的一个辅助的从机,可以自由选择操作地址.在主机模拟模式下,它可以生成所有的主机请求,但是,这一功能只能用于网络上只有一个从机的情况,该功能可以测试从机的参数,配置和地址.在从机地址写入模式下,可以对单个从机的地址进行记录和修改.$ 使用 PC 机的网络测试平台具体的网络测试检验可以使用主机(带有 PC 或控制器)自行配置的功能来完成.基本上,这是一个静态检验,将已安装好的网络先连接到一台装载有最新的网络配置软件的 PC 或控制器上,配置是在无需用户任何支持的配置模式下下载的.用来分析的软件将会在显示器上显示出所有检测到的从机的配置和数据,参数通道,用户可以观察到所有输入通道的状态,还可以用鼠标设置输出和参数通道.这样就可在 PC 机上方便地完成测试了.% 监视器在实际应用中,可以通过各种各样的监视器对AS-i网络或元件进行更有效的动态分析.这些监视器可以作为被动元件连接到网络上,在监视数据交换时,监视器能够检测到用户程序运行中系统的重要数据和线上的信息.这些监视器可以用于监管,差错检测,维护,并能完成以下功能:! 监视网络操作(实时); 记录主机和从机间的信息(可以设置信息的数量,并带有触发和过滤功能);& 为示波器提供触发引出端; 扩展差错检测;( 指定传感器,执行器设计参数的数据库;图 5 联接到 AS-i 网络上的维护系统) 支持用户的帮助功能.由德国莱比锡 HTWK 的 Steinbeis 数据交换中心开发的维护系统如图 5 所示,它使用一台快速硬件检验器进行实时通信过程在线数据的分析.真正的监视96AS-i 总线辅助单元 王俊杰和维护单元是一台 PC 机,它是人机通信的接口.一台 TMC-itec 出售的基于 Siemens 公司主机卡的Scope SW(短波示波器)可用来在线监听通信.Bihl + Widedmann 为他们的主机提供了短波扩展.它能够让用户在加入新从机过程中监视数据通信,包括差错计数器和电磁兼容性测试.6 启动者工具包和教学工具少数几家公司提供了教学工具或为能快速了解系统而开发的启动者工具包教学系统,通过它们,可以向初学者说明 AS-i 的各种功能和可能发生的情况.启动者工具包一般包括:! 1 个带有 RS 232C 接口的串行 AS-i 主机; 2 个电感性 AS-i 传感器;# 1 个 2I + 2O 的 I/ O 模块;$ AS-i 电缆;% 形象化演示系统的软件.德国 P + F 公司(Pepperl + Fuchs)提供了可以用于正规学校培训的更广泛的教学工具,它主要包括:!设计管理层:用户可以在AS-i桌面软件的帮助下设计系统.如图 6 所示给出了这一步骤在监视器上的显示情况.图 6 通过 AS-i 桌面进行设计 信息层:用户可以在AS-i 桌面的帮助下组合信息,还可以与主机通信.# 总线层:总线监视器从总线上接收并存储信息,可以通过AS-i 桌面设置触发点和过滤器功能,同样还可以通过AS-i 桌面确定输出.$ 物理层:它向用户演示了如何用存储示波器获得总线信号和如何解释总线信号.整个教学工具包括有 80 个相互联系的方案,用户可以按部就班地学习整个系统.(上接第 66 页)图 1 自动工作方式控制流程图阀,脉冲阀等进行调试,先手动,后自动,确保各机械部件无松动,无卡死现象,轻松灵活,密封性好.再对PLC 控制装置模拟空载运行试验,按定时自动控制方式对各箱体全过程清灰,确保定时准