传感器执行器接口总线的研究与应用

沈思庭

摘要：文章通过对传感器执行器现场总线的技术研究，结合集装箱码头行业在吊具系统上的应用情况，提出实用的现场故障检测分析方法，以提高现场检修效率，提升码头的服务水平。

关键词：传感器；执行器；ASI；故障检测；解决方案；技术特点

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）20-0062-02

传感器执行器接口总线（ASI，actuator sensor interface）是直接连接现场传感器、执行器的总线系统。工业生产过程的自动化是绝对离不开传感器和执行器的。传感器作为过程控制的“视觉和听觉”是无处不在的。 ASI总线使靠近现场的简单模块（传感器、执行器和操作员终端等）能够连接成最底层控制系统，这是自动化技术的一种最简单、成本最低的解决方案，优势非常可观。

1 应用现状

从目前岸桥的故障情况分析，其中吊具的故障率占有50%左右，另外，在所有的故障处理时间上面，吊具故障处理时间占有很高的比率。在ASI总线系统中，现场装置的故障率超过90%。另外，对于检修人员最大的困难是检查线路需要花费很长的时间。同时因为短时间内无法确定是岸桥本身故障还是吊具的故障，为了追赶效率，检修人员往往一边检查线路，一边安排备用吊具到桥边，无形当中造成抢修资源的浪费。如果可以迅速诊断出吊具通信故障的具体点，将会极大地缩短吊具故障的检修时间。

由于岸桥吊具作业工况恶劣，吊具故障率较高，对于码头操作而言，停机直接影响到操作效率，最大限度地减少故障处理时间显得尤其重要。

2 存在问题

在码头操作或日常吊具维修中，双箱吊具故障处理成为较大的难题，在整个ASI系统中，从主控逻辑控制器（PLC，S7-300）自身的CP343-2通讯模块，到ASI电源模块，一直到吊具上的现场从模块（Slave）的输入、输出（I/O）点，任何一个环节出现问题，都会导致通讯异常，从而导致吊具故障。连接到从模块（Slave）上的传感器（Sensor）、电磁阀（Actuator）等元件如果出现问题，虽然不会影响ASI通讯，但同样会带来吊具故障，影响码头正常操作。

根据传统方式，查找故障点是非常困难的，通常要借助手提电脑查看岸桥上吊具PLC的控制逻辑，而判断通讯是否正常则非常困难，需要检修人员具有丰富的故障处理经验。

3 解决方案

3.1 总体思路

基于ASI现场总线支持从站模块热插拔模式，研制一款便携式监测装置，适合维修人员在操作现场进行吊具检修工作。要求该装置能够准确、直观、迅速显示出吊具主站和各子站的通讯状态以及各个传感器和电磁阀在总线数据上的状态，帮助检修人员在极短的时间确定故障发生的具体机构和器件，同时技术方案的制定应充分考虑现场使用的方便性和实用性。

3.2 研制步骤和要点

研究ASI协议在吊具应用系统中的通信格式和硬件接口；硬件器件选型和电路设计；软件代码编写和测试；样机制作；现场测试与代码调试。

3.3 技术方案

ASI总线数据标准时钟周期为6us，这样一来，要求单片机CPU在6us内完成总线1次电平变化量采集和数据译码、存储，而且用时越短，数据误码率越低。由于MCS51系列单片机最高工作频率为60MHz，所以对软件技术有很高的要求。实际上做到了在4.8us内完成上述采集、译码和存储，在时间上完全保证数据采集的完整性。

图1 ASI吊具测仪原理框图

本ASI吊具通讯监测仪的软件，根据ASI总线数据格式的特点，充分利用单片机的系统资源，分别对总线上电平的上升沿和下降沿进行判别处理，解码方式独特，而且使得数据采集和存储同步完成，对总线数据解析完整，无一遗漏。

另外，软件技术包括对静态数据和动态数据进行分时处理，保障总线数据状态的同步刷新，并通过用户界面在LCD显示屏上表现出来，维修人员可以根据观察到的传感器和电磁阀的开、闭状态迅速发现故障点。

具体说明如下：

3.3.1 单片机采用ATMEL系列89C51RC2型号，最高工作频率60MHz，32kByte存储空间，完成ASI数据接收和译码以及显示等功能。

3.3.2 ASI接口芯片采用德国ZMD公司产品ASI4U，完成总线数据的接收和校验，通过光耦隔离，向单片机发出中断请求信号和进行串行数据传输。

3.3.3 AD转换器采用串行方式，在单片机的控制下，将总线瞬时电压转化成数字量信号，并传输给单片机。

3.3.4 LCD显示屏为256色，320×240分辨率。

3.3.5 用户使用测试界面选择旋扭，吊具类型选择开关进行功能选择。

3.3.6 用户按下复位按钮可以对监测仪器本身进行复位操作。

3.3.7 电源开关带自保持功能和电源指示灯，按下通电，指示灯亮。再按下，按钮弹起断电。

4 实施效果

ASI吊具通讯监测仪小巧轻便、功能强大，为吊具故障处理带来极大的便利，可以替代手提电脑的部分功能，它不但能够检测ASI通讯的好坏，还能检测主模块（master，CP343-2）和从模块（slave）输入/输出（I/O）点的状态，实时检测吊具自身的传感器（SENSOR）信号通断及电磁阀工作状态并实时显示。该仪器如同一只万用表一样可以随身携带，不必安装到机械设备上，因此对于一组设备检修团队，配备1～2台仪器足以应付一般的设备检修使用。即使检修人员不具备丰富的故障处理经验及较高的技术水平，也都可以根据观察到的传感器和电磁阀的开闭状态，独立、迅速查找到吊具故障点。

在盐田国际集装箱码头正式使用期间，从2008年4月至2009年4月，检修、诊断的吊具数量超过100台次。实践证明ASI吊具通讯监测仪可以帮助检修人员快速、准确判断出吊具的电磁阀和传感器故障点，极大地提高了吊具此类故障的检修效率。通过手提电脑查找ASI吊具故障至少需要30分钟以上，现在通过ASI吊具通讯监测仪瞬间即可判断吊具故障点，极大地提高了工作效率。

表1给出了使用ASI吊具通讯监测仪前、后检修效果比较说明。

5 技术方案特点

（1）突破传统的现场检修模式，建立可视化和分析性维修模式。在吊具故障判别方面，从经验维修模式转向借助新型工具进行检测，提高维修效率、可靠性和可预

期性。

（2）根据ASI总线采样周期，采用独特解码方法和软件技术，做到数据分时处理。

采用随身携带的对讲机电池，有效地解决了便携式仪器现场使用时的电源问题。

（3）该方案虽然主要针对集装箱吊具工况设计，但只要稍加改进，即可应用在采用ASI总线的各种机械设备上，可以提高相关机械设备故障检修效率，节约人力物力。只要有用户需求，在此基础上都可以研制出类似的产品。

6 结语

以上关于ASI现场总线设备检修技术方案和ASI吊具通讯监测仪的研制是根据码头设备维修的实际情况，结合自身的维修经验和专业知识，自主研制，在实际维修工作中有效地提高了吊具检修工作的效率和可靠性。其核心技术方案并不局限于码头设备，对其他采用ASI总线的工业自动化设备检修模式同样具有一定的借鉴作用。

参考文献

[1] ASI4U 数据手册.1.6 Copyright ? 2006， ZMD AG， Rev.1.6.