As-i 全稱 Actuator-Sensor Interface (執(zhí)行器 - 傳感器接口),As-i 總線是屬于底層設(shè)備級的總線系統(tǒng)。As-i總線是針對現(xiàn)場大量的開關(guān)信號、傳感器、模擬量信號、安全數(shù)據(jù)、緊停設(shè)備等簡單的接線總線。As-i 總線又是一種全開放的非專有的總線系統(tǒng),其支持所有的主流的控制系統(tǒng)。憑借其安全可靠,快速便捷的接線方式,在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用。
結(jié)合 As-i 現(xiàn)場總線的特點,比較了這一技術(shù)應用于卸垛機上與傳統(tǒng)的控制方式,這一技術(shù)具有設(shè)計簡單、安裝方便、接線便捷、維護方便等優(yōu)點。
1 As-i 現(xiàn)場總線的構(gòu)成及原理特性
1.1 總線構(gòu)成
As-i 現(xiàn)場總線是由 As-i 主機及電源、As-i 總線電纜、As-i 現(xiàn)場模塊三部分組成。
As-i 主機又叫網(wǎng)關(guān),是與上一級控制系統(tǒng)的接口,現(xiàn)場信號通過網(wǎng)關(guān)傳送到上一級控制系統(tǒng),同時將上一級的控制命令傳送到現(xiàn)場執(zhí)行器,在主機上集成了不同的總線接口,包括 Profibus-DP、Devicenet、Eathernet、DeviceNet 等接口,可以很方便集成到上一級控制系統(tǒng)中,每一個主機最大帶 62 個從站模塊,連接多達 496個 I/O 信號 (見圖 1)。
圖 1 As-i 主機
As-i 電源,是將 24V DC 電源與信號進行疊加,提供從站所需要的電源和傳輸信號,As-i 電源的電壓為29.5V~ 31.6V,可根據(jù)網(wǎng)絡的長度自動調(diào)節(jié)電壓。As-i 總線使用的電纜是兩芯非屏蔽電纜,電源和信號在同一根電纜中傳輸,信號包括數(shù)字量 / 模擬量信號,電纜的連接采用針刺式,可達到很高的防護等級 IP67IP68 IP69K,電纜有特別的外形,具有反極性保護功能,可有效防止安裝中人為接線錯誤,每一根總線上可以連接 62 個從站模塊。
As-i 現(xiàn)場模塊,包括數(shù)字量輸入模塊,數(shù)字量輸出模塊,模擬量輸入模塊,模擬量輸出模塊,PT100 熱電阻輸入模塊及其他特殊功能模塊,如用于汽缸控制的AirBox 模塊等。
1.2 As-i 系統(tǒng)通訊原理
As-i 采用 APM 技術(shù)(Alternating Pulse Modulation)將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 Manchester 編碼進行傳輸。主機發(fā)送—開始位—控制位—地址 5 bit—信息 5bit—校驗位—結(jié)束位從站應答—起始位—信息 4 bit—校驗位—結(jié)束位
1.3 自由的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)
As-i 系統(tǒng)可以是星型、線型、總線型、樹形等形式(見圖 2)
圖 2 As-i 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2 As-i 現(xiàn)場總線在卸垛機電氣控制中的應用
2.1 系統(tǒng)概述
YPXGD70 型卸垛機適用于啤酒、飲料、食品、制藥行業(yè),對各種易拉罐進行分層卸垛處理,自動化程度高,運行平穩(wěn),產(chǎn)量大,維護方便。
卸垛機的邏輯控制相當復雜,系統(tǒng)共有 10 臺電機、20 個光電開關(guān)、12 個接近開關(guān)、4 個行程保護開關(guān)、12個汽缸、16 個閥、16 個磁性開關(guān)、另外還有門保護、欠壓保護、進出垛安全保護、真空檢測等大量元件。這些元件分散的分布在機器上,如電氣元件分布圖(見圖3)所示。
圖 3 電氣元件分布圖
2.2 系統(tǒng)方案
綜合考慮機器上的元件均為開關(guān)量的檢測和執(zhí)行元件,簡化設(shè)計、縮短安裝時間,降低安裝工作量、方便調(diào)試維護等因素,我們采用了 PROFIBUS-DP+As-i 現(xiàn)場總線的控制方案,改變以前所有 I/O 模板及控制器件全部集中在一組電控柜內(nèi)的控制方式,將現(xiàn)場的控制器件就地接入現(xiàn)場總線系統(tǒng),通過通訊的方式,高效、安全、可靠的與 PLC 進行數(shù)據(jù)交換,構(gòu)成一個高效控制系統(tǒng)。
2.2.1 器件選擇
在卸垛機的電氣控制中,選用西門子 S7-300 系列的 CPU 及擴展模塊,西門子 MP177 觸摸屏,丹佛斯變頻器,TUCK 的光電開關(guān)、接近開關(guān),PILZ 的安全繼電器等的電器元件。對于 As-i 總線控制,經(jīng)多方面的市場調(diào)研、性能比較、價格核算,選用了 IFM 的 As-i 系統(tǒng),配置了其現(xiàn)場型四點輸入 I/O 模塊 \ 閥集成模塊,其價格合理、設(shè)計簡單、安裝方便、接線便捷、維護方便、易于擴展,且其先進性、可靠性深得用戶信賴。
2.2.2 系統(tǒng)組成
根據(jù)卸垛機的機械結(jié)構(gòu)以及工藝性能,將卸垛機劃分為進垛、出垛、主提升、推罐四大部分,在每一個部分,根據(jù)控制元件(汽缸)和檢測元件(光電開關(guān)、接近開關(guān)等) 的位置和數(shù)量,合理分配了 I/O 模塊和閥模塊,且就近安裝,現(xiàn)場模塊間的連接使用樹形連接(見圖 4)所示。
圖 4 現(xiàn)場模塊間的樹形連接
電機動力線直接進電柜,行程保護、急停等安全控制元件由一根多芯線直接進電柜接入硬件控制回路。PLC 主控柜里面安置了 S7-313C 型 CPU、As-i 網(wǎng)關(guān)及電源、繼電器、安全繼電器、總空開、低壓短路器、接觸器等器件。
在設(shè)備操作平臺上裝有觸摸屏,與 PLC 和網(wǎng)關(guān),用 Profibus 進行通訊,實時進行信息傳送,控制執(zhí)行機構(gòu)的啟停和顯示設(shè)備的運行狀態(tài)及檢測開關(guān)的狀態(tài)。
2.2.3 現(xiàn)場調(diào)試
該項目的現(xiàn)場調(diào)試進行的比較順利;谡{(diào)試前As-i 的技術(shù)支持,以及 As-i 現(xiàn)場總線的應用,大大減少了現(xiàn)場電纜的布置和接線工作量,以及傳統(tǒng)分線盒二次傳線的故障錯誤,且故障易于定位并迅速排除。
3 As-i 現(xiàn)場總線與傳統(tǒng)控制的比較與體會
通過 As-i 現(xiàn)場總線在卸垛機上的應用,與傳統(tǒng)的集散型控制方式比較,深有體會。
3.1 圖紙設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)設(shè)計一致、程序設(shè)計靈活
由于采用了 As-i 現(xiàn)場總線控制方式,現(xiàn)場的檢測元器件無需單獨接 24V DC 電源,因為扁平電纜的傳輸已經(jīng)包括了電源和信號,同時采用了閥模塊,這樣閥就不需要從 PLC 輸出,用繼電器中轉(zhuǎn)再控制閥,且磁性開關(guān)為自帶線,更無需畫接線方式,且選擇的 4 點輸入模塊、閥模塊都一樣,所以設(shè)計結(jié)構(gòu)都一致,只要把每個檢測元件合理分布在就近的模塊上的,給它們分配好地址就可以,大大減少了圖紙的數(shù)量和復雜程度。同時由于采用位模塊化方法,組態(tài)更加快速容易,擴展和修改也簡便易行。
3.2 系統(tǒng)故障率低,安裝、調(diào)試、維護簡便
在生產(chǎn)現(xiàn)場,由于現(xiàn)場控制模塊 I/O 模塊和閥模塊就近放置在每個部位的檢測元器件附近,這樣就可以替代傳統(tǒng)控制方式的分線盒,使的整個項目的電纜開銷比傳統(tǒng)集散型控制系統(tǒng)大量減少,同時,現(xiàn)場的檢測元件直接接入現(xiàn)場模塊,而不需要經(jīng)過現(xiàn)場的分線盒中轉(zhuǎn),且可以預先接好光點開關(guān)、接近開關(guān)等傳感器的兩頭連接,等機械裝備好以后,根據(jù)分配好的模塊及地址,快速簡便的插在模塊里即可,大大縮短了放線、安裝的時間。同時因為模塊與模塊間只需要一根集信號與電源一體的扁平電纜,大大減少布線和接點,減少了系統(tǒng)的故障源,且 As-i 現(xiàn)場總線提供了卓越的故障診斷和故障排除功能,使錯誤識別、定位比較簡單,可直接對每一個現(xiàn)場模塊進行診斷,迅速將故障源定位到模塊,這樣大大縮短了調(diào)試時間。
4 結(jié)論
As-i 總線系統(tǒng)是設(shè)備設(shè)計和自動化中的新技術(shù),其在設(shè)備的設(shè)計、啟動和保養(yǎng)方面都具有經(jīng)濟實用的優(yōu)點,As-i 總線系統(tǒng)安裝方便,能夠與傳感器直接相連,有集成的閥模塊,其在卸垛機的應用上與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比,節(jié)省了很多的繼電器、接線端子、分線盒、多芯電纜、管接頭,降低了系統(tǒng)設(shè)計、制造、安裝、維護的成本,且易于擴展,可有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時,As-i 總線作為一個實時工作的網(wǎng)絡,一個能以多種方式和規(guī)模使用的網(wǎng)絡,一個安裝簡易、擴充快速靈活的網(wǎng)絡,一個在惡劣的環(huán)境中也能安全可靠地運行的網(wǎng)絡,是卸垛機電氣控制中最佳的現(xiàn)場網(wǎng)絡之一。
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