AS-i总线在水电厂机组控制系统中的应用

李天毅，杨春霞，汪华强

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

水力发电机组控制系统是一个比较复杂的控制系统，需要监视和控制的设备对象非常多，而传统的办法是把这些设备对象通过大量电缆直接接入监控盘柜或者通过分线盒的方式集中接入到监控盘柜，使得监控盘柜的安装和接线工作量特别大，提高了出错的机率，使得调试时间长，同时也不利于设备的检修和维护。当出现故障，面对大量的接线电缆，即使电缆标号清晰，也很难在短时间内找到故障位置。基于以上原因，将AS-i（Actuator Sensor interface）现场总线引入到PLC控制系统中，只需通过一根AS-i通信电缆，就可将分散在机组不同的区域的传感器和执行器设备对象就地连接到AS-i总线网络，组成一个底层的数据通信网络。这样的接入方式简单，成本低，能有效减少安装布线的复杂度，对后期系统扩展保留了较强的灵活性。

1 AS-i总线概述及优势

AS-i现场总线是一种能够满足工业自动化集成需要，属于底层设备级别的总线系统网络。它是针对现场大量的开关信号、传感器、模拟量信号、安全数据、设备等的现场总线。AS-i总线又是一种全开放的非专有的总线系统，其支持所有的主流控制系统。

1.1 AS-i总线的最小组成

AS-i总线以主从方式交换数据信息，从站设备仅通过单电缆的方式即可快速连接到主站控制器，同时能确保各个从站的数据传输和电源供给。要构成一个最小的AS-i网络，必须由AS-i主机、电源、总线电缆和现场模块四个单元组成。

AS-i主机：是与上一级控制系统的接口，现场传感器数据通过主机传送上一级的控制器中，同时将上一级的控制命令传送到现场执行器。

AS-i电源：提供从站所需要的电源和传输信号，电源等级为30VDC。AS-i电源必须能够同时保证数据解耦和从站供电。

AS-i电缆：总线电缆使用的电缆是非屏蔽两芯电缆，电源和信号在同一根电缆中传输。电缆采用针刺式连接，可达到很高的防护等级。

AS-i现场模块：包括数字量输入模块，数字量输出模块，模拟量输入模块，模拟量输出模块，温度量输入模块以及其它的一些特殊功能模块。

1.2 AS-i总线的特点

（1）简单方便。使用单根电缆连接自动化系统中的所有传感器和执行器，在主站和从站模块之间只需要简单的配置，就能建立主从站之间的数据连接。

（2）成本低。采用总线通信方式实现信号的传输，可将从站模块放置在远程设备对象上，取消了控制电缆敷设，减少了电缆管道的数量。

（3）易于维护和扩展。AS-i总线具有故障诊断的功能，可实现故障的准确定位，方便现场的维护。如需要增加或删除设备对象，可以直接在总线上增加或删除，抑或禁用从站模块通道。

2 AS-i总线在机组控制系统的实例应用

2.1 应用概述

水力发电机组是实现水的势能转化为电能的能量转换装置，配置有大量的温度、压力、液位和流量等传感器来监视水力发电机组各个部位的运行状态，且这些传感器大多数都是随机分布在机组的各个区域。较以前采用电缆将所有传感器接入到监控系统盘柜的接入方式，我们现在采用AS-i现场总线的接入方式，将分散在不同区域的传感器就地接入AS-i现场总线系统，通过AS-i总线主从之间的通讯，高效、可靠地与PLC主控制器进行数据交换。

图1 传感器信号接入现地AS-i从站模块

2.2 网络方案

AS-i总线网络的拓扑结构十分灵活，主站控制器和电源可以放置在总线上的任意位置，从而用户可以根据现场的实际需求进行配置。基于此，我们按照机组传感器的类型和分布位置，将传感器划分为4组，每一组都单独用一条AS-i总线接入，且每一条总线的长度都控制在150 m之内，并在总线的最远端处安装终端调节器1个，以增强总线的抗干扰能力。

由于我们选用的模拟量输入模块是4个通道，模块通道全部接入信号时，其工作的最大功率超过了AS-i总线能够提供的最大功率，所以需要单独提供一条辅助电源给模拟量输入模块供电。而开关量输入模块和温度量输入模块，则可以直接从AS-i总线上获取电源，无需另外提供辅助电源。

在这4条AS-i总线上，我们总共配置有100个从站设备模块，分别是19个模拟量输入模块（4通道）、51个温度量输入模块（4通道）和30个开关量输入模块（4通道），实际接入318个机组传感器信号，即：模拟量55个、开关量55个、以及温度量175个。通过这4条AS-i总线，PLC控制系统基本采集到了发电机组大部分的自动化元器件和传感器信号，如：机组各轴瓦温度和压力、发电机绕组温度、剪断销位置、制动闸位置、调速器液压系统的压力和压力开关位置、润滑油和水系统的压力、温度和流量信号等。

2.3 主站模块的选择

在该实例中，我们选用施耐德M580系列PLC作为机组控制系统的控制核心，它配置有2块NOC0301以太网模块，可以实时地将PLC内部数据上送到iP9000系统，用于计算机监控系统的显示和控制。对于AS-i网络主站模块，我们同样选择施耐德Modicon X80平台的BMXEIA0100模块，它支持最新的AS-i总线设备管理配置（AS-I V3），能够管理所有级别（V1、V2和V3）的AS-i从站。

BMXEIA0100是施耐德专用的AS-i主站扩展模块，可直接安装在X80子站的机架插槽内，通过PLC底板总线与M580 PLC进行数据交换。我们可以使用PLC编程软件Control Expert进行AS-i网络组态，并对从站模块进行一些参数配置。AS-i主站在Control Expert软件中的组态如图2所示。

图2 AS-i主站在Control Expert软件中的组态

当完成BMXEIA0100模块配置后，编程软件会自动的创建一个结构体变量，在该变量中包含了AS-i主站模块信息、通道信息、从站模块输入/输出信息等，这些数据都可以直接提取使用，不需要进行额外的数据处理和编程。

图3 系统建立的结构体变量

2.4 iP9000系统画面显示

当M580 PLC组态AS-i总线网络后，PLC将从AS-i网路获取数据，并将这些数据打包发送到iP9000系统进行显示和报警。图4是iP9000系统对AS-i总线网络的监控画面。

图4 iP9000系统画面显示

3 结束语

AS-i现场总线在水电厂机组控制系统的应用，有效减少了现场安装布线的复杂度，对后期系统扩展保留了较强的灵活性，同时也节约了大量的电缆及其安装费用，它组态简单、扩展灵活，完全能满足现场的生产需求。这种简单、高效的总线控制方案可在行业内推广使用。