浅析As-i现场总线在环保领域活性炭吸脱附设备中的应用

摘 要：本文阐述了As-i现场总线的组成结构及工作原理，介绍了其在活性炭吸脱附设备中的应用，以及与传统控制方法比较的心得体会。

关键词：As-i现场总线;活性炭吸脱附设备;应用

一、 概述

As-i全称Actuator-Sensor Interface，即执行器及传感器的接口。As-i现场总线主要应用于设备现场，当现场设置了大量的传感器，需要我们采集其发出的开关量信号和模拟量信号时，As-i现场总线是不错的解决方案。As-i现场总线是一种全开放的通讯协议，其支持大多数的主流品牌的PLC控制系统。As-i现场总线其硬件设备安全可靠，安装接线、维护更换方便快捷，节约了大量的人工成本。本文主要阐述了这一技术应用在环保领域活性炭吸脱附设备与传统的控制方式相比较所体现的诸多优点。

二、 As-i现场总线硬件组成

（一）现场总线硬件介绍

As-i现场总线硬件主要由主机、电源模块、通讯电缆、现场模块四部分组成。

主机，其自带网关，负责与上一级的PLC进行通讯。现场传感器模块采集各种数据通过主机发送给PLC，同时PLC发送控制命令给主机，主机根据命令控制现场驱动模块实现现场执行器的动作。因为在主机支持多种总线通讯接口，包括Profibus-DP、DeviceNet、EatherNet、DeviceNet等，所以设备的控制系统集成相较传统控制方式便捷许多，单个主机最大可带62个现场模块，连接信号数多达400个（硬件组成及连接形式比较见图表1、2）。

电源模块，它可以将电信号调制进DC24V 电源中，所以它既负责给现场模块提供电源，同时也负责传输信号，电源模块的电压调节范围为29.5V-31.6V，电源模块可以根据现场拓扑网络的距离自动调节电压值。

通讯电缆，是一根两芯非屏蔽电缆，电源和电信号都是在这根电缆中传输，现场模块采用针刺的方式与通讯电缆进行连接，电缆及现场模块根据选型其防护等级可以达到IP67、IP68，电缆的保护外皮经过特殊防呆设计，现场模块安装接线过程中能有效防止人为失误操作。

现场模块，分为传感器模块和驱动模块。传感器模块可以采集处理现场各种数字量、模拟量输入信号，也能接收PT100热电阻值等其他输入信号。驱动模块可以发出数字量、模拟量输出信号，控制执行器的动作，还有一些特殊模块，如AirBox模块可以直接驱动气缸。

（二）现场总线工作原理

现场总线应用行业成熟的APM技术全称Alternating Pulse Modulation，即交变脉冲调制。通过将需要传输的数据转换为Manchester编码然后由主机通过通讯电缆进行传输。（编码构成见图表3）

主机发送：开始位/控制位/地址5bit/信息5bit/校验位/结束位

从站应答：起始位/信息4bit/校验位/结束位

（三）现场总线拓扑设计

现场总线系统可以根据现场需要自由的设计拓扑结构例如：星型、线型、总线型、树形等（可选用的拓扑形式见图表4）。

三、  As-i现场总线在活性炭吸脱附设备中的应用

（一）设备概述

活性炭吸脱附设备适用于石油、化工、制药等行业的废气治理措施。

活性炭吸脱附设备结构复杂，包括：收集风机2台、治理风机1台、干燥风机1台、循环水泵4台（一用一备）、光催化1台、加药泵2台（一用一备）、搅拌机1台、排液泵2台（一用一备）、排污泵2台（一用一备）。气动电磁阀23个，磁性开关12个，温度传感器10个，压力传感器5个，磁翻板液位计3个，PH计1个。这些元器件分散在设备的各个位置如图（电气布置见图表5）所示。

（二）设备配置

因为设备元器件分散在设备的各个位置，为了节约现场安装调试的人工成本及电气安装材料，设计之初就应采用以太网+As-i现场总线的控制通讯方式。以往PLC及其I/O模块全部集中在一起安装在电控柜内，现场电柜体积都比较大，且现场电气元件的电缆都要一根一根接入电柜，现场安装重复劳动较多，电缆耗费量大且容易出错。现在将现场的电气元件都接入现场总线中，减少了PLC其I/O模块数量缩小了电柜体积，现场电缆数量也减少了不少。再加上As-i现场总线系统的安全可靠性，进一步优化了设备配置。

活性炭吸脱附设备的电气选型，我们选用了西门子S7-1200系列的CPU及扩展模块，IFM的As-i总线系统，选用4点输入现场传感器模块及4点输出现场驱动模块，西门子KTP1200触摸屏，ABB ACS510系列变频器，元利富的磁性开关，川仪的温度、压力传感器等知名品牌的电器元件。

活性炭吸脱附设备根据其工艺要求，我们将现场总线分成炭罐、碱洗、公辅管路三个部分。每个部分，根据需要控制的电磁阀及需要采集的磁性开关、温度、压力传感器的位置和数量，本着就近安装的原则，合理分配了现场传感器模块现场驱动模块位置。现场各个模块间以树形进线连接（电气拓扑见图6）所示，其他例如电机动力电缆则直接进电柜。

现场控制柜柜门安装有1块KTP1200触摸屏，柜内配置西门子PLC S7-1214C，IFM As-i主机及电源模块、工业路由器，施耐德的断路器、中间继电器、接触器等电器元件。室内配电房的变频柜主要配置是ABB ACS510变频器。PLC、触摸屏、变频器走以太网通讯，其他现场传感器和执行器走As-i通讯。

该设备首次应用在某大型制药厂污水站废气治理项目。现场调试比较顺利，设备目前运转良好，获得业主及施工单位的一致肯定。通过As-i现场总线技术的应用，有效地减少了现场传感器、电磁阀等控制信号电缆配线和接线的工作，取消了传统分线盒二次接线，进一步降低了故障率。调试过程中，As-i主机还具有故障诊断功能，可以方便现场调试运维人员快速定位和排除故障点。

四、  As-i现场总线控制与传统控制的比较

设计方面，设计人员可以实现标准化的结构设计、根据现场工艺要求灵活配置As-i现场总线传感器模块和驱动模块数量。

电气施工方面，As-i现场总线由于信号和电源共线的特性，在电缆布置和选型上趋于统一减轻的采购压力。驱动模块中还有特殊的阀模块，可以简化原来由PLC输出模块到中间继电器再到电磁阀的传统控制方式。传感器方面，选用的磁性开关，温度、压力传感器皆为四眼插头自带线，现场安装时擦头直接接入对应的现场驱动模块即可完成全部安装，阀模块则只需做气管连接即可。安装完成后只要给各个现场模块分配好站地址就可以投入运行，所以现场组态简单快捷，如果有后期改造需求扩展现场模块也比较方便。

设备运维方面，系统结构简单、标准化，现场模块备件压力减小。现场传感器和驱动模块一般都布置于传感器和执行机构附近，现场传感器和执行机构故障更换非常方便，现场的检测元件直接接入现场模块，相较传统控制省去了分线盒中转，同时现场模块与模块间只有一根通讯电缆连接，有效减少了系统的故障点，而且As-i现场总线主机具有故障诊断和故障排除功能，故障点和故障信息清晰明了，可将故障點直接定位到故障模块处，这样缩短了现场故障诊断时间，方便了运维人员的日常维护工作。

五、 结束语

As-i总线系统是机械设备自动化领域中的成熟技术，其在电气设计、采购、施工、运维方面都具有很高的经济实用性，As-i现场总线在环保领域活性炭吸脱附设备中的应用，除了相较于传统的控制系统节省中间继电器、接线端子、分线盒、电缆、穿线管等等电气元件和安装材料，最主要的是有效地降低了电气施工当中的周期和难度。由于的本身防护等级很高进一步保证了As-i总线系统在恶劣的环境中的稳定工作，相信随着这个项目案例的持续推广，As-i总线系统技术在环保行业将成为主流。

参考文献：

[1]龚铭.AS-Interface总线的技术特点及其在现场总线系统中的应用[J].大电机技术，2002（1）.

[2]廖常初.S7-1200 PLC编程及应用 第3版[M].北京：机械工业出版社，2017（4）.

作者简介：

贺圣正，江苏南京。