AS-i總線在水電廠機組控制系統中的應用

李天毅，楊春霞，汪華強

（北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

水力發電機組控制系統是一個比較復雜的控制系統，需要監視和控制的設備對象非常多，而傳統的辦法是把這些設備對象通過大量電纜直接接入監控盤柜或者通過分線盒的方式集中接入到監控盤柜，使得監控盤柜的安裝和接線工作量特別大，提高了出錯的機率，使得調試時間長，同時也不利于設備的檢修和維護。當出現故障，面對大量的接線電纜，即使電纜標號清晰，也很難在短時間內找到故障位置。基于以上原因，將AS-i（Actuator Sensor interface）現場總線引入到PLC控制系統中，只需通過一根AS-i通信電纜，就可將分散在機組不同的區域的傳感器和執行器設備對象就地連接到AS-i總線網絡，組成一個底層的數據通信網絡。這樣的接入方式簡單，成本低，能有效減少安裝布線的復雜度，對后期系統擴展保留了較強的靈活性。

1 AS-i總線概述及優勢

AS-i現場總線是一種能夠滿足工業自動化集成需要，屬于底層設備級別的總線系統網絡。它是針對現場大量的開關信號、傳感器、模擬量信號、安全數據、設備等的現場總線。AS-i總線又是一種全開放的非專有的總線系統，其支持所有的主流控制系統。

1.1 AS-i總線的最小組成

AS-i總線以主從方式交換數據信息，從站設備僅通過單電纜的方式即可快速連接到主站控制器，同時能確保各個從站的數據傳輸和電源供給。要構成一個最小的AS-i網絡，必須由AS-i主機、電源、總線電纜和現場模塊四個單元組成。

AS-i主機：是與上一級控制系統的接口，現場傳感器數據通過主機傳送上一級的控制器中，同時將上一級的控制命令傳送到現場執行器。

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電源必須能夠同時保證數據解耦和從站供電。

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，可達到很高的防護等級。

AS-i現場模塊：包括數字量輸入模塊，數字量輸出模塊，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

（1）簡單方便。使用單根電纜連接自動化系統中的所有傳感器和執行器，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據連接。

（2）成本低。采用總線通信方式實現信號的傳輸，可將從站模塊放置在遠程設備對象上，取消了控制電纜敷設，減少了電纜管道的數量。

（3）易于維護和擴展。AS-i總線具有故障診斷的功能，可實現故障的準確定位，方便現場的維護。如需要增加或刪除設備對象，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總線在機組控制系統的實例應用

2.1 應用概述

水力發電機組是實現水的勢能轉化為電能的能量轉換裝置，配置有大量的溫度、壓力、液位和流量等傳感器來監視水力發電機組各個部位的運行狀態，且這些傳感器大多數都是隨機分布在機組的各個區域。較以前采用電纜將所有傳感器接入到監控系統盤柜的接入方式，我們現在采用AS-i現場總線的接入方式，將分散在不同區域的傳感器就地接入AS-i現場總線系統，通過AS-i總線主從之間的通訊，高效、可靠地與PLC主控制器進行數據交換。

圖1 傳感器信號接入現地AS-i從站模塊

2.2 網絡方案

AS-i總線網絡的拓撲結構十分靈活，主站控制器和電源可以放置在總線上的任意位置，從而用戶可以根據現場的實際需求進行配置。基于此，我們按照機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，并在總線的最遠端處安裝終端調節器1個，以增強總線的抗干擾能力。

由于我們選用的模擬量輸入模塊是4個通道，模塊通道全部接入信號時，其工作的最大功率超過了AS-i總線能夠提供的最大功率，所以需要單獨提供一條輔助電源給模擬量輸入模塊供電。而開關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個從站設備模塊，分別是19個模擬量輸入模塊（4通道）、51個溫度量輸入模塊（4通道）和30個開關量輸入模塊（4通道），實際接入318個機組傳感器信號，即：模擬量55個、開關量55個、以及溫度量175個。通過這4條AS-i總線，PLC控制系統基本采集到了發電機組大部分的自動化元器件和傳感器信號，如：機組各軸瓦溫度和壓力、發電機繞組溫度、剪斷銷位置、制動閘位置、調速器液壓系統的壓力和壓力開關位置、潤滑油和水系統的壓力、溫度和流量信號等。

2.3 主站模塊的選擇

在該實例中，我們選用施耐德M580系列PLC作為機組控制系統的控制核心，它配置有2塊NOC0301以太網模塊，可以實時地將PLC內部數據上送到iP9000系統，用于計算機監控系統的顯示和控制。對于AS-i網絡主站模塊，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主站擴展模塊，可直接安裝在X80子站的機架插槽內，通過PLC底板總線與M580 PLC進行數據交換。我們可以使用PLC編程軟件Control Expert進行AS-i網絡組態，并對從站模塊進行一些參數配置。AS-i主站在Control Expert軟件中的組態如圖2所示。

圖2 AS-i主站在Control Expert軟件中的組態

當完成BMXEIA0100模塊配置后，編程軟件會自動的創建一個結構體變量，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，這些數據都可以直接提取使用，不需要進行額外的數據處理和編程。

圖3 系統建立的結構體變量

2.4 iP9000系統畫面顯示

當M580 PLC組態AS-i總線網絡后，PLC將從AS-i網路獲取數據，并將這些數據打包發送到iP9000系統進行顯示和報警。圖4是iP9000系統對AS-i總線網絡的監控畫面。

圖4 iP9000系統畫面顯示

3 結束語

AS-i現場總線在水電廠機組控制系統的應用，有效減少了現場安裝布線的復雜度，對后期系統擴展保留了較強的靈活性，同時也節約了大量的電纜及其安裝費用，它組態簡單、擴展靈活，完全能滿足現場的生產需求。這種簡單、高效的總線控制方案可在行業內推廣使用。