ASI總線在雙工位閥口包裝生產線上的應用

周祥，徐立敏，蘇舒

（江蘇創新包裝科技有限公司，江蘇揚州 225600）

0 引言

隨著現代工業技術的發展，很大程度體現在工業生產過程的自動化，其中信息的傳輸、數據的交換也是評價工業自動化水平的因素。生產線自動化程度越來越高，機床數字信號采集量和執行原件的數量也隨之增長，較復雜生產線由于接線工作量大導致線纜使用成本高，接線安裝時間長，接線錯誤率高，調試難度增加。ASI現場總線的應用可以很好地解決以上問題，因此在自動化和低壓電器系統中會有廣闊的發展前途和應用領域。目前國外現場總線技術應用得比較多，方案也比較成熟。本文著重介紹基于西門子ASI現場總線技術在雙工位閥口包裝生產線上的應用。對于其原理、硬件配置、組態方法及如何避免信號干擾等問題進行介紹。

1 ASI總線在雙工位閥口包裝生產線上應用簡介

雙工位閥口包裝生產線是江蘇創新包裝科技有限公司研發的用于鈦白粉行業的專用設備，如圖1所示。

圖1 雙工位閥口包裝生產線

該設備具備自動取袋、自動套袋、自動灌裝、抱袋、超聲波封口、復檢以及負偏差補料等功能，因其功能復雜，用到的檢測開關、壓力檢測器、稱重傳感器、氣動閥等電氣元件數量比較多，接線工作量大。這就導致以前在用戶現場安裝調試時間長。采用ASI現場總線方案剛好解決了這一難題。圖1中左側為上袋單元和雙料嘴灌裝單元，右側為抱袋、超聲波封口、負偏差補料等單元。電柜置于上料側。ASI主站模塊放在電器柜內，從站模塊則分布于機床四周。這些數字量信號（傳感器、氣動閥等）和模擬量信號（稱重傳感器等）分別通過定制的M12的快插接頭就近接入從站模塊。如圖2所示，從而達到信號就近接入總線的目的。

圖2 快插接頭式從站模塊

整套設備上共用了18個防護等級達到IP67的K60從站模塊。通信電纜采用一種專門的穿刺安裝方法將ASI通信線與從站模塊相連。代替了傳統硬接線的方式，如圖3所示。

圖3 從站穿刺安裝方式

通過1根黃色扁平通信電纜將所有的從站模塊與主站串聯。如輸出連接有開關閥門、聲、光報警時則需要外加1根扁平黑線來提供負載DC24 V電源，所以整個設備通過2根線纜就將所有的從站模塊與主站連接在一起。

2 西門子ASI現場總線技術的應用

2.1 硬件配置

如圖4所示，硬件配置方面機器采用了西門子S7-200 SMART PLC控制模塊和ASI主站模塊之間通過PROFINET總線連接。

圖4 系統硬件配置圖

DC24 V電源通過電源耦合器整流后給ASI主站模塊供電。值得一提的是ASI主站模塊的供電方式，ASI通信協議對電源的要求是供電并傳輸數據，因此需要電源帶數據解耦功能。供電方式共分為2種，一種是采用西門子專用的DC30 V ASI專用電源。ASI通常運行于DC30 V的額定電壓下。ASI電源集成了數據解耦電路來確保數據和電源在一條線路上傳輸。使用ASI電源，連接ASI主站和ASI從站就無需其它組件。采用這種專用電源方案系統布線長度可以達到100 m。但如果考慮經濟性還有另外一種方案，即DC24 V電源+數據解耦模塊。圖4所示即采用的這種方式。根據ASI擴展規范，使用額定電壓為DC24 V是切實可行的。標準的24 V電源可用于ASI系統(ASI Power24V)的供電。為了傳輸ASI數據，需要一個數據解耦單元與ASI主站和ASI從站一起使用。ASI數據質量在兩種操作模式下都具有同樣的高等級。每種模式下都能連接62個從站(A/B)。只是DC24 V系統要求通信距離不能超過50 m，且不能加裝擴展插件、中繼器等。這個可根據現場實際情況來定奪。如果產線較長,通信距離超過50 m則只能選擇第一種方案。

I/O從站模塊通過ASI總線與主站連接并實現通信。ASI總線的連接方式共分為3種，分別有總線形、星形和樹形。我們采用的是總線型，如圖5所示。

圖5 總線連接示意圖

2.2 工作原理

ASI是一種在主站和傳感器/執行器之間雙向交換數據信息的總線網絡，屬于底層網絡協議的一種。從站通過ASI總線將數據信息傳輸到主站。ASI主站與PLC控制器通過現場總線(Profinet)連接。這樣就實現了PLC實時讀取傳感器信號，并通過PLC控制執行器的功能。ASI總線網絡是一個“單主系統”。這意味著每個ASI網絡只有一個主站，主站控制數據交換。當主站訪問數據時，需要等待ASI從站一個接一個地進行響應。標準的從站每個都需要占用ASI網絡中的一個地址。一個ASI網絡可以最多連接62個從站（AB站）或者31個從站（標準/安全）。因此單主站在使用62個A/B從站時，可運行多達248點數字量輸入/248點數字量輸出，每個從站帶有4點數字量輸入/4點數字量輸出。

主站和從站之間通過收發報文來通信。在正常模式下，主站向從站發送循環數據（輸出數據），ASI從站接收并確認消息（輸入數據）。如果在傳輸過程中檢測到錯誤，主站將重復地發送數據。一個標準的ASI報文由主站請求、主站暫停、從站應答、從站暫停這4個環節組成。對于一個含有31個標準從站的ASI網絡，掃描周期最大為5 μs。從站個數如不足31個，則掃描周期會相應縮短。

如圖6所示，每個報文信息由以下幾個部分組成：1）主站請求。每個主站請求包含14位。除起始位、結束位及奇偶校驗位以外還包含被訪問的從站地址（5位）和要傳輸的信息（5位）。2）從站應答。與主站類似，從站請求包含7位。起始位/結束位/奇偶校驗位/要傳輸的信息（4位）。從站應答不含地址位。3）主站暫停。用于主站請求結束前后。4）從站暫停。用于從站應答結束前后。

圖6 報文信息

2.3 組態方法

在前期建立配置時，需要給每一個從站模塊都分配自己的地址，這樣每個傳感器/執行器都有了一個固定的唯一的地址，PLC通過尋址的方式來實現數據通信。因此首先通過專用手持編程器給每個從站模塊編上相應的地址。從站地址可以選擇1～31中的任一數字進行編址。

從站地址設置完成后還需分別設置PLC和ASI主站模塊的IP地址，以及給主站模塊命名，所設地址必須設置在同一網段下，且地址不能重復。這樣PLC和主站模塊就建立了Profinet通信。接下來我們需要定義Profinet通信的起始地址，以及將輸入輸出數據地址編入符號表，如圖7、圖8所示。這樣就可以方便地完成組態，編寫PLC時我們可直接使用這些定義的變量。

圖7 PLC地址表

圖8 PLC符號表

2.4 避免信號干擾

ASI總線因其采用兩芯非屏蔽扁平電纜的特殊性，組態完成后我們還需要特別注意信號抗干擾的問題。

1）ASI通信電纜是兩芯非屏蔽扁平電纜，截面積為2根1.5 mm2的導線，不能隨意使用普通控制回路電纜或其它導線代替ASI通信電纜，因其電容、電感、電阻、電導和阻抗等參數和ASI專用通信電纜均有不同。非ASI電纜會大幅降低ASI網絡的通信距離, 標準ASI電纜支持標準距離100 m，非ASI電纜僅支持30 m通信距離甚至更低。超過通信距離信號會衰減。

2）ASI電纜為兩芯平行電纜，其平行結構可以有效抵抗干擾。在布線時尤其需要注意盡量保證平行的物理結構。ASI通信電纜黃色橡膠包裹兩芯電纜（棕色、藍色）將有效保證平行的物理結構。為其保證平行結構黃色絕緣外皮盡量減少剝離,接線時電纜金屬部分剝離10 mm即可。

3）高電壓、大電流,例如AC380 V動力電纜和ASI通信電纜在同一線槽內布線時,需要分線槽敷設。線槽需要加裝蓋板,盡量令線槽封閉。金屬線槽需要做接地處理。

4）ASI通信電纜與動力電纜避免長距離平行布線，平行布線可能產生電容耦合,所以盡量采用交叉布線方式，避免干擾的發生。

2.5 ASI傳輸距離的拓展

ASI中繼器用于延長ASI電纜的通信距離。ASI標準通信距離為100 m。一個擴展插件可用于將一個網段的電纜長度增加到最長200 m。不過，如果此長度不足夠，可以使用一個或多個中繼器。一個中繼器可增加一個額外網段。該額外網段可將電纜通信距離增長100 m，僅加裝中繼器最遠距離可支持300 m，每個網段最多加裝2個中繼器。每加裝1個中繼器則需要加裝1個ASI電源。同時加裝中繼器和擴展插件通信距離可拓展至400 m。

3 結語

隨著人力成本的逐年增加，現代企業之間的競爭越來越強。有效地降低用工成本、減少制造成本，從而獲得更多的利潤，提高企業的市場競爭力成為了每個企業的追求。減少產線在客戶處的安裝時間，為客戶贏得寶貴的時間也會取得用戶的好評，為公司贏得良好的口碑。基于以上需求，利用西門子ASI總線對雙工位閥口包裝生產線進行了改良設計。使得生產線的安裝調試時間比過去縮短了70%，電氣制造成本下降了20%，提高了該產品在行業內的競爭力。