李天毅，楊春霞，汪華強(qiáng)

（北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

水力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，需要監(jiān)視和控制的設(shè)備對象非常多，而傳統(tǒng)的辦法是把這些設(shè)備對象通過大量電纜直接接入監(jiān)控盤柜或者通過分線盒的方式集中接入到監(jiān)控盤柜，使得監(jiān)控盤柜的安裝和接線工作量特別大，提高了出錯(cuò)的機(jī)率，使得調(diào)試時(shí)間長，同時(shí)也不利于設(shè)備的檢修和維護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)故障，面對大量的接線電纜，即使電纜標(biāo)號清晰，也很難在短時(shí)間內(nèi)找到故障位置?；谝陨显?，將AS-i（Actuator Sensor interface）現(xiàn)場總線引入到PLC控制系統(tǒng)中，只需通過一根AS-i通信電纜，就可將分散在機(jī)組不同的區(qū)域的傳感器和執(zhí)行器設(shè)備對象就地連接到AS-i總線網(wǎng)絡(luò)，組成一個(gè)底層的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。這樣的接入方式簡單，成本低，能有效減少安裝布線的復(fù)雜度，對后期系統(tǒng)擴(kuò)展保留了較強(qiáng)的靈活性。

1 AS-i總線概述及優(yōu)勢

AS-i現(xiàn)場總線是一種能夠滿足工業(yè)自動化集成需要，屬于底層設(shè)備級別的總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。它是針對現(xiàn)場大量的開關(guān)信號、傳感器、模擬量信號、安全數(shù)據(jù)、設(shè)備等的現(xiàn)場總線。AS-i總線又是一種全開放的非專有的總線系統(tǒng)，其支持所有的主流控制系統(tǒng)。

1.1 AS-i總線的最小組成

AS-i總線以主從方式交換數(shù)據(jù)信息，從站設(shè)備僅通過單電纜的方式即可快速連接到主站控制器，同時(shí)能確保各個(gè)從站的數(shù)據(jù)傳輸和電源供給。要構(gòu)成一個(gè)最小的AS-i網(wǎng)絡(luò)，必須由AS-i主機(jī)、電源、總線電纜和現(xiàn)場模塊四個(gè)單元組成。

AS-i主機(jī)：是與上一級控制系統(tǒng)的接口，現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)通過主機(jī)傳送上一級的控制器中，同時(shí)將上一級的控制命令傳送到現(xiàn)場執(zhí)行器。

AS-i電源：提供從站所需要的電源和傳輸信號，電源等級為30VDC。AS-i電源必須能夠同時(shí)保證數(shù)據(jù)解耦和從站供電。

AS-i電纜：總線電纜使用的電纜是非屏蔽兩芯電纜，電源和信號在同一根電纜中傳輸。電纜采用針刺式連接，可達(dá)到很高的防護(hù)等級。

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，溫度量輸入模塊以及其它的一些特殊功能模塊。

1.2 AS-i總線的特點(diǎn)

（1）簡單方便。使用單根電纜連接自動化系統(tǒng)中的所有傳感器和執(zhí)行器，在主站和從站模塊之間只需要簡單的配置，就能建立主從站之間的數(shù)據(jù)連接。

（2）成本低。采用總線通信方式實(shí)現(xiàn)信號的傳輸，可將從站模塊放置在遠(yuǎn)程設(shè)備對象上，取消了控制電纜敷設(shè)，減少了電纜管道的數(shù)量。

（3）易于維護(hù)和擴(kuò)展。AS-i總線具有故障診斷的功能，可實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位，方便現(xiàn)場的維護(hù)。如需要增加或刪除設(shè)備對象，可以直接在總線上增加或刪除，抑或禁用從站模塊通道。

2 AS-i總線在機(jī)組控制系統(tǒng)的實(shí)例應(yīng)用

2.1 應(yīng)用概述

水力發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)水的勢能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，配置有大量的溫度、壓力、液位和流量等傳感器來監(jiān)視水力發(fā)電機(jī)組各個(gè)部位的運(yùn)行狀態(tài)，且這些傳感器大多數(shù)都是隨機(jī)分布在機(jī)組的各個(gè)區(qū)域。較以前采用電纜將所有傳感器接入到監(jiān)控系統(tǒng)盤柜的接入方式，我們現(xiàn)在采用AS-i現(xiàn)場總線的接入方式，將分散在不同區(qū)域的傳感器就地接入AS-i現(xiàn)場總線系統(tǒng)，通過AS-i總線主從之間的通訊，高效、可靠地與PLC主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖1 傳感器信號接入現(xiàn)地AS-i從站模塊

2.2 網(wǎng)絡(luò)方案

AS-i總線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)十分靈活，主站控制器和電源可以放置在總線上的任意位置，從而用戶可以根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際需求進(jìn)行配置?；诖?，我們按照機(jī)組傳感器的類型和分布位置，將傳感器劃分為4組，每一組都單獨(dú)用一條AS-i總線接入，且每一條總線的長度都控制在150 m之內(nèi)，并在總線的最遠(yuǎn)端處安裝終端調(diào)節(jié)器1個(gè)，以增強(qiáng)總線的抗干擾能力。

由于我們選用的模擬量輸入模塊是4個(gè)通道，模塊通道全部接入信號時(shí)，其工作的最大功率超過了AS-i總線能夠提供的最大功率，所以需要單獨(dú)提供一條輔助電源給模擬量輸入模塊供電。而開關(guān)量輸入模塊和溫度量輸入模塊，則可以直接從AS-i總線上獲取電源，無需另外提供輔助電源。

在這4條AS-i總線上，我們總共配置有100個(gè)從站設(shè)備模塊，分別是19個(gè)模擬量輸入模塊（4通道）、51個(gè)溫度量輸入模塊（4通道）和30個(gè)開關(guān)量輸入模塊（4通道），實(shí)際接入318個(gè)機(jī)組傳感器信號，即：模擬量55個(gè)、開關(guān)量55個(gè)、以及溫度量175個(gè)。通過這4條AS-i總線，PLC控制系統(tǒng)基本采集到了發(fā)電機(jī)組大部分的自動化元器件和傳感器信號，如：機(jī)組各軸瓦溫度和壓力、發(fā)電機(jī)繞組溫度、剪斷銷位置、制動閘位置、調(diào)速器液壓系統(tǒng)的壓力和壓力開關(guān)位置、潤滑油和水系統(tǒng)的壓力、溫度和流量信號等。

2.3 主站模塊的選擇

在該實(shí)例中，我們選用施耐德M580系列PLC作為機(jī)組控制系統(tǒng)的控制核心，它配置有2塊NOC0301以太網(wǎng)模塊，可以實(shí)時(shí)地將PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)上送到iP9000系統(tǒng)，用于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的顯示和控制。對于AS-i網(wǎng)絡(luò)主站模塊，我們同樣選擇施耐德Modicon X80平臺的BMXEIA0100模塊，它支持最新的AS-i總線設(shè)備管理配置（AS-I V3），能夠管理所有級別（V1、V2和V3）的AS-i從站。

BMXEIA0100是施耐德專用的AS-i主站擴(kuò)展模塊，可直接安裝在X80子站的機(jī)架插槽內(nèi)，通過PLC底板總線與M580 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。我們可以使用PLC編程軟件Control Expert進(jìn)行AS-i網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，并對從站模塊進(jìn)行一些參數(shù)配置。AS-i主站在Control Expert軟件中的組態(tài)如圖2所示。

圖2 AS-i主站在Control Expert軟件中的組態(tài)

當(dāng)完成BMXEIA0100模塊配置后，編程軟件會自動的創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量，在該變量中包含了AS-i主站模塊信息、通道信息、從站模塊輸入/輸出信息等，這些數(shù)據(jù)都可以直接提取使用，不需要進(jìn)行額外的數(shù)據(jù)處理和編程。

圖3 系統(tǒng)建立的結(jié)構(gòu)體變量

2.4 iP9000系統(tǒng)畫面顯示

當(dāng)M580 PLC組態(tài)AS-i總線網(wǎng)絡(luò)后，PLC將從AS-i網(wǎng)路獲取數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)打包發(fā)送到iP9000系統(tǒng)進(jìn)行顯示和報(bào)警。圖4是iP9000系統(tǒng)對AS-i總線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控畫面。

圖4 iP9000系統(tǒng)畫面顯示

3 結(jié)束語

AS-i現(xiàn)場總線在水電廠機(jī)組控制系統(tǒng)的應(yīng)用，有效減少了現(xiàn)場安裝布線的復(fù)雜度，對后期系統(tǒng)擴(kuò)展保留了較強(qiáng)的靈活性，同時(shí)也節(jié)約了大量的電纜及其安裝費(fèi)用，它組態(tài)簡單、擴(kuò)展靈活，完全能滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)需求。這種簡單、高效的總線控制方案可在行業(yè)內(nèi)推廣使用。