淺析As-i現場總線在環保領域活性炭吸脫附設備中的應用

摘 要：本文闡述了As-i現場總線的組成結構及工作原理，介紹了其在活性炭吸脫附設備中的應用，以及與傳統控制方法比較的心得體會。

關鍵詞：As-i現場總線;活性炭吸脫附設備;應用

一、 概述

As-i全稱Actuator-Sensor Interface，即執行器及傳感器的接口。As-i現場總線主要應用于設備現場，當現場設置了大量的傳感器，需要我們采集其發出的開關量信號和模擬量信號時，As-i現場總線是不錯的解決方案。As-i現場總線是一種全開放的通訊協議，其支持大多數的主流品牌的PLC控制系統。As-i現場總線其硬件設備安全可靠，安裝接線、維護更換方便快捷，節約了大量的人工成本。本文主要闡述了這一技術應用在環保領域活性炭吸脫附設備與傳統的控制方式相比較所體現的諸多優點。

二、 As-i現場總線硬件組成

（一）現場總線硬件介紹

As-i現場總線硬件主要由主機、電源模塊、通訊電纜、現場模塊四部分組成。

主機，其自帶網關，負責與上一級的PLC進行通訊。現場傳感器模塊采集各種數據通過主機發送給PLC，同時PLC發送控制命令給主機，主機根據命令控制現場驅動模塊實現現場執行器的動作。因為在主機支持多種總線通訊接口，包括Profibus-DP、DeviceNet、EatherNet、DeviceNet等，所以設備的控制系統集成相較傳統控制方式便捷許多，單個主機最大可帶62個現場模塊，連接信號數多達400個（硬件組成及連接形式比較見圖表1、2）。

電源模塊，它可以將電信號調制進DC24V 電源中，所以它既負責給現場模塊提供電源，同時也負責傳輸信號，電源模塊的電壓調節范圍為29.5V-31.6V，電源模塊可以根據現場拓撲網絡的距離自動調節電壓值。

通訊電纜，是一根兩芯非屏蔽電纜，電源和電信號都是在這根電纜中傳輸，現場模塊采用針刺的方式與通訊電纜進行連接，電纜及現場模塊根據選型其防護等級可以達到IP67、IP68，電纜的保護外皮經過特殊防呆設計，現場模塊安裝接線過程中能有效防止人為失誤操作。

現場模塊，分為傳感器模塊和驅動模塊。傳感器模塊可以采集處理現場各種數字量、模擬量輸入信號，也能接收PT100熱電阻值等其他輸入信號。驅動模塊可以發出數字量、模擬量輸出信號，控制執行器的動作，還有一些特殊模塊，如AirBox模塊可以直接驅動氣缸。

（二）現場總線工作原理

現場總線應用行業成熟的APM技術全稱Alternating Pulse Modulation，即交變脈沖調制。通過將需要傳輸的數據轉換為Manchester編碼然后由主機通過通訊電纜進行傳輸。（編碼構成見圖表3）

主機發送：開始位/控制位/地址5bit/信息5bit/校驗位/結束位

從站應答：起始位/信息4bit/校驗位/結束位

（三）現場總線拓撲設計

現場總線系統可以根據現場需要自由的設計拓撲結構例如：星型、線型、總線型、樹形等（可選用的拓撲形式見圖表4）。

三、 ?As-i現場總線在活性炭吸脫附設備中的應用

（一）設備概述

活性炭吸脫附設備適用于石油、化工、制藥等行業的廢氣治理措施。

活性炭吸脫附設備結構復雜，包括：收集風機2臺、治理風機1臺、干燥風機1臺、循環水泵4臺（一用一備）、光催化1臺、加藥泵2臺（一用一備）、攪拌機1臺、排液泵2臺（一用一備）、排污泵2臺（一用一備）。氣動電磁閥23個，磁性開關12個，溫度傳感器10個，壓力傳感器5個，磁翻板液位計3個，PH計1個。這些元器件分散在設備的各個位置如圖（電氣布置見圖表5）所示。

（二）設備配置

因為設備元器件分散在設備的各個位置，為了節約現場安裝調試的人工成本及電氣安裝材料，設計之初就應采用以太網+As-i現場總線的控制通訊方式。以往PLC及其I/O模塊全部集中在一起安裝在電控柜內，現場電柜體積都比較大，且現場電氣元件的電纜都要一根一根接入電柜，現場安裝重復勞動較多，電纜耗費量大且容易出錯。現在將現場的電氣元件都接入現場總線中，減少了PLC其I/O模塊數量縮小了電柜體積，現場電纜數量也減少了不少。再加上As-i現場總線系統的安全可靠性，進一步優化了設備配置。

活性炭吸脫附設備的電氣選型，我們選用了西門子S7-1200系列的CPU及擴展模塊，IFM的As-i總線系統，選用4點輸入現場傳感器模塊及4點輸出現場驅動模塊，西門子KTP1200觸摸屏，ABB ACS510系列變頻器，元利富的磁性開關，川儀的溫度、壓力傳感器等知名品牌的電器元件。

活性炭吸脫附設備根據其工藝要求，我們將現場總線分成炭罐、堿洗、公輔管路三個部分。每個部分，根據需要控制的電磁閥及需要采集的磁性開關、溫度、壓力傳感器的位置和數量，本著就近安裝的原則，合理分配了現場傳感器模塊現場驅動模塊位置。現場各個模塊間以樹形進線連接（電氣拓撲見圖6）所示，其他例如電機動力電纜則直接進電柜。

現場控制柜柜門安裝有1塊KTP1200觸摸屏，柜內配置西門子PLC S7-1214C，IFM As-i主機及電源模塊、工業路由器，施耐德的斷路器、中間繼電器、接觸器等電器元件。室內配電房的變頻柜主要配置是ABB ACS510變頻器。PLC、觸摸屏、變頻器走以太網通訊，其他現場傳感器和執行器走As-i通訊。

該設備首次應用在某大型制藥廠污水站廢氣治理項目。現場調試比較順利，設備目前運轉良好，獲得業主及施工單位的一致肯定。通過As-i現場總線技術的應用，有效地減少了現場傳感器、電磁閥等控制信號電纜配線和接線的工作，取消了傳統分線盒二次接線，進一步降低了故障率。調試過程中，As-i主機還具有故障診斷功能，可以方便現場調試運維人員快速定位和排除故障點。

四、 ?As-i現場總線控制與傳統控制的比較

設計方面，設計人員可以實現標準化的結構設計、根據現場工藝要求靈活配置As-i現場總線傳感器模塊和驅動模塊數量。

電氣施工方面，As-i現場總線由于信號和電源共線的特性，在電纜布置和選型上趨于統一減輕的采購壓力。驅動模塊中還有特殊的閥模塊，可以簡化原來由PLC輸出模塊到中間繼電器再到電磁閥的傳統控制方式。傳感器方面，選用的磁性開關，溫度、壓力傳感器皆為四眼插頭自帶線，現場安裝時擦頭直接接入對應的現場驅動模塊即可完成全部安裝，閥模塊則只需做氣管連接即可。安裝完成后只要給各個現場模塊分配好站地址就可以投入運行，所以現場組態簡單快捷，如果有后期改造需求擴展現場模塊也比較方便。

設備運維方面，系統結構簡單、標準化，現場模塊備件壓力減小。現場傳感器和驅動模塊一般都布置于傳感器和執行機構附近，現場傳感器和執行機構故障更換非常方便，現場的檢測元件直接接入現場模塊，相較傳統控制省去了分線盒中轉，同時現場模塊與模塊間只有一根通訊電纜連接，有效減少了系統的故障點，而且As-i現場總線主機具有故障診斷和故障排除功能，故障點和故障信息清晰明了，可將故障點直接定位到故障模塊處，這樣縮短了現場故障診斷時間，方便了運維人員的日常維護工作。

五、 結束語

As-i總線系統是機械設備自動化領域中的成熟技術，其在電氣設計、采購、施工、運維方面都具有很高的經濟實用性，As-i現場總線在環保領域活性炭吸脫附設備中的應用，除了相較于傳統的控制系統節省中間繼電器、接線端子、分線盒、電纜、穿線管等等電氣元件和安裝材料，最主要的是有效地降低了電氣施工當中的周期和難度。由于的本身防護等級很高進一步保證了As-i總線系統在惡劣的環境中的穩定工作，相信隨著這個項目案例的持續推廣，As-i總線系統技術在環保行業將成為主流。

參考文獻：

[1]龔銘.AS-Interface總線的技術特點及其在現場總線系統中的應用[J].大電機技術，2002（1）.

[2]廖常初.S7-1200 PLC編程及應用 第3版[M].北京：機械工業出版社，2017（4）.

作者簡介：

賀圣正，江蘇南京。