傳感器執行器接口總線的研究與應用

沈思庭

摘要：文章通過對傳感器執行器現場總線的技術研究，結合集裝箱碼頭行業在吊具系統上的應用情況，提出實用的現場故障檢測分析方法，以提高現場檢修效率，提升碼頭的服務水平。

關鍵詞：傳感器；執行器；ASI；故障檢測；解決方案；技術特點

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）20-0062-02

傳感器執行器接口總線（ASI，actuator sensor interface）是直接連接現場傳感器、執行器的總線系統。工業生產過程的自動化是絕對離不開傳感器和執行器的。傳感器作為過程控制的“視覺和聽覺”是無處不在的。 ASI總線使靠近現場的簡單模塊（傳感器、執行器和操作員終端等）能夠連接成最底層控制系統，這是自動化技術的一種最簡單、成本最低的解決方案，優勢非常可觀。

1 應用現狀

從目前岸橋的故障情況分析，其中吊具的故障率占有50%左右，另外，在所有的故障處理時間上面，吊具故障處理時間占有很高的比率。在ASI總線系統中，現場裝置的故障率超過90%。另外，對于檢修人員最大的困難是檢查線路需要花費很長的時間。同時因為短時間內無法確定是岸橋本身故障還是吊具的故障，為了追趕效率，檢修人員往往一邊檢查線路，一邊安排備用吊具到橋邊，無形當中造成搶修資源的浪費。如果可以迅速診斷出吊具通信故障的具體點，將會極大地縮短吊具故障的檢修時間。

由于岸橋吊具作業工況惡劣，吊具故障率較高，對于碼頭操作而言，停機直接影響到操作效率，最大限度地減少故障處理時間顯得尤其重要。

2 存在問題

在碼頭操作或日常吊具維修中，雙箱吊具故障處理成為較大的難題，在整個ASI系統中，從主控邏輯控制器（PLC，S7-300）自身的CP343-2通訊模塊，到ASI電源模塊，一直到吊具上的現場從模塊（Slave）的輸入、輸出（I/O）點，任何一個環節出現問題，都會導致通訊異常，從而導致吊具故障。連接到從模塊（Slave）上的傳感器（Sensor）、電磁閥（Actuator）等元件如果出現問題，雖然不會影響ASI通訊，但同樣會帶來吊具故障，影響碼頭正常操作。

根據傳統方式，查找故障點是非常困難的，通常要借助手提電腦查看岸橋上吊具PLC的控制邏輯，而判斷通訊是否正常則非常困難，需要檢修人員具有豐富的故障處理經驗。

3 解決方案

3.1 總體思路

基于ASI現場總線支持從站模塊熱插拔模式，研制一款便攜式監測裝置，適合維修人員在操作現場進行吊具檢修工作。要求該裝置能夠準確、直觀、迅速顯示出吊具主站和各子站的通訊狀態以及各個傳感器和電磁閥在總線數據上的狀態，幫助檢修人員在極短的時間確定故障發生的具體機構和器件，同時技術方案的制定應充分考慮現場使用的方便性和實用性。

3.2 研制步驟和要點

研究ASI協議在吊具應用系統中的通信格式和硬件接口；硬件器件選型和電路設計；軟件代碼編寫和測試；樣機制作；現場測試與代碼調試。

3.3 技術方案

ASI總線數據標準時鐘周期為6us，這樣一來，要求單片機CPU在6us內完成總線1次電平變化量采集和數據譯碼、存儲，而且用時越短，數據誤碼率越低。由于MCS51系列單片機最高工作頻率為60MHz，所以對軟件技術有很高的要求。實際上做到了在4.8us內完成上述采集、譯碼和存儲，在時間上完全保證數據采集的完整性。

圖1 ASI吊具測儀原理框圖

本ASI吊具通訊監測儀的軟件，根據ASI總線數據格式的特點，充分利用單片機的系統資源，分別對總線上電平的上升沿和下降沿進行判別處理，解碼方式獨特，而且使得數據采集和存儲同步完成，對總線數據解析完整，無一遺漏。

另外，軟件技術包括對靜態數據和動態數據進行分時處理，保障總線數據狀態的同步刷新，并通過用戶界面在LCD顯示屏上表現出來，維修人員可以根據觀察到的傳感器和電磁閥的開、閉狀態迅速發現故障點。

具體說明如下：

3.3.1 單片機采用ATMEL系列89C51RC2型號，最高工作頻率60MHz，32kByte存儲空間，完成ASI數據接收和譯碼以及顯示等功能。

3.3.2 ASI接口芯片采用德國ZMD公司產品ASI4U，完成總線數據的接收和校驗，通過光耦隔離，向單片機發出中斷請求信號和進行串行數據傳輸。

3.3.3 AD轉換器采用串行方式，在單片機的控制下，將總線瞬時電壓轉化成數字量信號，并傳輸給單片機。

3.3.4 LCD顯示屏為256色，320×240分辨率。

3.3.5 用戶使用測試界面選擇旋扭，吊具類型選擇開關進行功能選擇。

3.3.6 用戶按下復位按鈕可以對監測儀器本身進行復位操作。

3.3.7 電源開關帶自保持功能和電源指示燈，按下通電，指示燈亮。再按下，按鈕彈起斷電。

4 實施效果

ASI吊具通訊監測儀小巧輕便、功能強大，為吊具故障處理帶來極大的便利，可以替代手提電腦的部分功能，它不但能夠檢測ASI通訊的好壞，還能檢測主模塊（master，CP343-2）和從模塊（slave）輸入/輸出（I/O）點的狀態，實時檢測吊具自身的傳感器（SENSOR）信號通斷及電磁閥工作狀態并實時顯示。該儀器如同一只萬用表一樣可以隨身攜帶，不必安裝到機械設備上，因此對于一組設備檢修團隊，配備1～2臺儀器足以應付一般的設備檢修使用。即使檢修人員不具備豐富的故障處理經驗及較高的技術水平，也都可以根據觀察到的傳感器和電磁閥的開閉狀態，獨立、迅速查找到吊具故障點。

在鹽田國際集裝箱碼頭正式使用期間，從2008年4月至2009年4月，檢修、診斷的吊具數量超過100臺次。實踐證明ASI吊具通訊監測儀可以幫助檢修人員快速、準確判斷出吊具的電磁閥和傳感器故障點，極大地提高了吊具此類故障的檢修效率。通過手提電腦查找ASI吊具故障至少需要30分鐘以上，現在通過ASI吊具通訊監測儀瞬間即可判斷吊具故障點，極大地提高了工作效率。

表1給出了使用ASI吊具通訊監測儀前、后檢修效果比較說明。

5 技術方案特點

（1）突破傳統的現場檢修模式，建立可視化和分析性維修模式。在吊具故障判別方面，從經驗維修模式轉向借助新型工具進行檢測，提高維修效率、可靠性和可預

期性。

（2）根據ASI總線采樣周期，采用獨特解碼方法和軟件技術，做到數據分時處理。

采用隨身攜帶的對講機電池，有效地解決了便攜式儀器現場使用時的電源問題。

（3）該方案雖然主要針對集裝箱吊具工況設計，但只要稍加改進，即可應用在采用ASI總線的各種機械設備上，可以提高相關機械設備故障檢修效率，節約人力物力。只要有用戶需求，在此基礎上都可以研制出類似的產品。

6 結語

以上關于ASI現場總線設備檢修技術方案和ASI吊具通訊監測儀的研制是根據碼頭設備維修的實際情況，結合自身的維修經驗和專業知識，自主研制，在實際維修工作中有效地提高了吊具檢修工作的效率和可靠性。其核心技術方案并不局限于碼頭設備，對其他采用ASI總線的工業自動化設備檢修模式同樣具有一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] ASI4U 數據手冊.1.6 Copyright ? 2006， ZMD AG， Rev.1.6.