PLC网络系统配置指南-AS-i简介

AS-i属于最底层设备级的总线，可用来在控制器（主站Master）和传感器/执行器（从站Slave）之间双向交换信息的主从网络。主要针对“位”一级数据传输的执行器、传感器使用。它处在控制网络的最底层，而对顶层是开放的。与其他现场总线不仅不存在竞争，而且还是其他现场总线在技术上和经济性上的补充。图3-6所示为AS-i与其他工业网络的关系简图。其中三角形标志为它的图标。

图3-6 AS-i与其他工业网络的关系

AS-i有多个版本。其中2.1版本（AS-Inter-face Specification Version2.1）是2002年AS-i国际协会发布的，该版本在保证对旧版本技术标准完全兼容的前提下，对AS-i总线系统做了改进。最主要的改进有以下3个方面：总线上一个主站所能控制的最多从站数量由31个增加到62个；具有更加强大的错误诊断功能；具有更加简单、规范的模拟量的传送方式。

目前世界上主流的AS-i总线系统产品已经都是按照AS-i总线技术规范2.1版本生产的。表3-2列出了AS-i新旧版本技术规范中的不同功能之处。

表3-2 AS-i新旧版本技术规范比较

1.AS-i网络组成

AS-i网络组成如图3-7所示，有主站、从站、电源及网络附件4个部分。

（1）AS-i主站（MASTER）

AS-i主站由配置有AS-i主站模块（AS-i主机）的控制器（如PC、PLC等）或网关（用以连接Profibus或以太网）组成，在网络中必须有一个，也仅能有一个。网络通信由主站发起，从站相应。

主站除了与从站轮循传送信号，正常读写从站数据之外，还具有以下功能：向每个从站传送参数配置，连续地进行网络运行监控，并进行故障诊断。

图3-7 AS-i网络组成

（2）AS-i从站（SLAVE）

具体有：

1）I/O从站终端（模块），可用于连接现场普通I/O（开关量）。其防护等级有IP20及IP65/67。前者用于在控制柜内安装；后者用于在恶劣现场直接安装。

2）智能型从站。这类传感器、操作器内置有小巧，但是功能强大AS-i从站芯片，有自己的从站地址。例如，智能按钮/指示灯，信号灯柱、传感器、电机起动器、隔膜键盘等。

3）逻辑模块。如西门子LOGO微型PLC，如安装有CMAS-I模块（其上也配置有AS-i从站芯片），也可连接到AS-i网络上，作为AS-i站。连接后，每个LOGO可以在网络上有4输入/4输出（共8个）开关量与主站数据交换。

（3）供电单元

在AS-i系统中，电源是非常重要的模块，与一般电源有很大不同。它除了供电，将AC220V转换为DC 30V，还要进行平衡网络、数据解耦及安全隔离。

平衡网络是为了在对称的、非接地条件下工作能达到EMC（防辐射）要求。为此，其屏蔽线要接地，在AS-i网络中也只允许该点接地。

数据解耦由两组并联的39Ω电阻和50μH电感组成，利用电感对电流的微分作用，把AS-i发送的电流信号转换成电压信号，并且可以在电源发生短路时对网络进行一定程度的保护。

（4）网络部件

有电缆、中继器、分支器、扩展器等。

1）电缆。用于AS-i设备之间物理连接，既要传输信号，又要提供电源，在选择电缆时必须注意两个技术指标：一是通信频谱特性，二是直流阻抗特性。在有较大干扰的情况下，需使用屏蔽电缆，但它也必须满足规定的频谱特性要求。特别要注意的是屏蔽层在AS-i电源端只能接地，而不能接在ASi+和ASi-端。

AS-i总线推荐使用的电缆有黄色和黑色扁平电缆。不同颜色的规范电缆都可使用独特的绝缘穿刺连接技术，可使系统连线完全不用剪断或拆除电缆或电缆芯的绝缘皮。而且只有在极性正确的情况下，电缆才能被放入设备中。现在这种黄色的电缆已经成为AS-i的一种商标，几乎成了AS-i的代名词。而黑色的电缆则用于输出模块和部分输入模块与辅助电源连接。辅助电源加入不是必要的，要根据需要而定，目的是避免AS-i通信电压过低。

AS-i规范电缆芯线绝缘材料通常是橡胶混合物（EPDM）。对于要求较高的应用场合，如要求防化学制剂腐蚀的场合，可以选用规范的TPE（热塑性弹性体）和PUR（聚氨酯）电缆。当然，也可以选用无PE导线的圆形双线电缆。

2）中继器、扩展器及分支器。如果系统的布局要求电缆的长度超过100m时，网络可以通过添加中继器扩展到300m，每个中继器可以向外扩展100m的网段。从站可以连到任何AS-i的网段上，但每个网段要有自己的电源模块。由于中继器在两个网段之间可以实现电气隔离，这样即使发生了短路事件，也不致相互影响。只是这里要指出的是，使用中继器并不增加最大允许的连接从站数目。

使用扩展器可以同样实现AS-i电缆的扩展。这种方式下，第一个网段就不能再连接从站了，扩展器一般用在距离较长的场合，如用在控制柜和生产设备之间。

图3-8 AS-i网络接扩展器、中继器示例

每个AS-i网段的最大长度是100m。使用扩展器或中继器模块最多可将网络长度扩展到3个网段。图3-8所示为AS-i网络接扩展器、中继器的示例。

3）编址器、监控器。用于从站编址及网络监控。

2.AS-i拓扑结构

AS-i网络的拓扑结构包括总线型、星形和树形结构，可以完全适应各种工业场合。图3-9所示即为它的拓扑结构。

图3-9 AS-i拓扑结构

3.AS-i网络模型

AS-i为主从网络，其网络模型比较简单，仅4层，即物理层、传输控制层、执行控制层及主机接口层。其各层的功能及其与ISO/OSI参考模型的对应关系见表3-3。

表3-3 AS-i各层功能及其与ISO/OSI参考模型对应关系

1）物理层。物理层是面向硬件的，规定用两根导线既传递数据又提供电源，是连接网络系统中主站、从站、电源、控制器、传感器/执行器的通路。

报文信号在传输系统中要经过多次的变换和恢复，并要抵抗各种外界的干扰以保证准确、快捷、可靠的信息交换。为产生AS-i报文，要先将报文内容转化为不归零码（NRZ），接着转换为差动曼彻斯特码（M-Ⅱ），最后为增强抗干扰的能力，还要将M-Ⅱ码经交变脉冲调制（Alternating pulse modulation，APM）转换为正弦平方脉冲（sin²）。具体是，在Man-chester码的电平发生上跳变时产生一个正向正弦二次方脉冲，下跳变时产生一个负向正弦二次方脉冲，解耦装置在最后把电流信号转换成所有装置都能接收的电压信号。当电流通过解耦装置内的电感元件时会产生电压突变，增加的电流产生负向电压信号，减小的电流产生正向电压信号。图3-10所示为它的信号转换实例。

这里使用的APM信号的特点是：APM变换后的信号是交流信号，这对于在两根电缆上同时传输电源和数据来说是必须的；用sin²脉冲代替矩形方波脉冲，频谱较窄，减小了电缆终端的反射，提高了抗干扰的能力；M-Ⅱ编码自带时钟，简化了时钟恢复，不必专设一条时钟线。

ASI总线的总传输速率为167Kbit/s。允许的网络传输速率为53.3Kbit/s，传输效率为32%。

2）传输控制层。在AS-i网络中，每次通信都是主站发起，从站响应。主站收到响应报文后，再访问下一站点。这样过程周而复始，轮询每个从站。具体报文由主站请求、主站暂停、从站响应和从站暂停四个部分组成，如图3-11所示。

从图知，它的所有的主站请求都是固定的14bit的长度，所有的从站响应的长度都是7bit。每比特的时间是统一的6μs。主站请求部分含义见表3-4。

图3-10 AS-i信号转换实例

图3-11 AS-i传输的报文

表3-4 主站请求部分含义

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从站响应含义见表3-5。

表3-5 从站响应含义

在AS-i中，主站的请求报文共有9种，其名称和内容见表3-6。具体内容说明如下：

表3-6 主站9种请求报文的名称和内容

①数据交换。要求从站把测量数据上传给主站，而主站又可以把控制指令下达给从站。

②写参数。设置从站功能，如传感器的测量范围、激活定时器、在多传感器系统中改变测量方法等。

③地址分配。只有当从站地址为00H时才有效。从站接到这个请求后，用06H回答，表示已收到了主站的正确请求，从站从此就可以在这个新地址被呼叫了，同时把这个新地址存储在从站的EEPROM中，这个过程大约需要15ms。这种方式使主站可以对运行中损坏后重新置换的从站自动进行原有地址的设置。

④复位。把被呼叫的从站地址恢复到初始状态，从站用06H回答，整个过程需2ms。

⑤删除操作地址。暂时把被呼叫的从站地址改为00H，这个报文一般和“地址分配”报文一起使用。当新地址确定后，从站用06H回答。如果使用指令“Reset-ASI-Slave”就可以恢复原地址。

⑥读I/O配置。

⑦读ID编码。从站的I/O设置和ID编码在出厂时已经确定，不能改变。⑥、⑦结合使用的目的是确定从站的身份。

⑧状态读取。读取从站状态缓冲器中的4个数据位，以获得在寻址和复位过程中出现的错误信息。

⑨读出状态和状态删除。读出从站状态缓冲器的内容，然后删除。

在以上9种主站请求报文中，用户最常用的就是数据交换报文了。

3）执行控制层。用以完成主站和从站之间的数据交换。主站有两种运行模式：

①配置模式。在此模式下，无须与参考配置进行核对，都可与从站通信。

②运行保护模式。在此模式下，主站将只与“激活从机列表（LAS）”中的从站通信，并对AS-i的配置进行自动测试。只有位于“从机列表（LPS）”中，其实际配置与参考配置又相一致的从机才能被激活。此时可以进行自动地址设定。若发现差错，将向“主站接口层”报告差错信息。

此外，2.1版本的技术标准为了将每个主站所能控制的最大从站个数由原来的31个增加到62个，且保持对已有旧版本的兼容性，引入了所谓的“扩展地址模式”，即对于遵照新标准生产的ID码为“HEXE”的从站设备，每个主站最多可以控制62个这样的从站。

要将从站个数翻倍，这必然要求地址位要多出一位，但又要保持对旧版本系统的兼容性，所以新版本技术规范规定，在主站请求报文中保持原来的5位地址位不变，添加1位新的选择位，该位占用主站请求报文中信息位的第二位。用它可将连接在主站上的从站分为A/B两组，每组最多为31个。这意味着在2.1版本“扩展地址模式”下，主站请求报文中信息位比原来少了一位。原来的信息位共有5位，其中有4位是给从站的信息，而在地址扩展模式下，给从站的信息则相应减少了一位，变成了3位。所以，在新版本的扩展地址模式下，主站发给从站的有效数据最多为3位，最多只有3个输出。

由于地址的扩充不涉及从站响应消息，所以从站应答消息的结构在新技术规范中仍保持不变，输入最多数据仍然是4位。

引入所谓的“扩展地址模式”，每个地址可连接2个从站（分为A/B组），如：地址为10A或10B。I/O端口数从124（31×4）I+124（31×4）O（2.0版本）扩展到248（62×4）I+186（62×3）O（2.1版本）。

在一个周期中先扫描A组从站，再扫描B组从站，所以总线最大周期由原来的5ms翻倍变为10ms。

在具体选用时，可以单用A或B中的一组，也可以A/B组混用。唯一的变化为主站请求报文中信息的第9位为1则定义为A组，0则定义与B组。这第9位如图3-12中标有黑点所示。

4）应用层。定义了AS-i的命令格式、数据内容、AS-i周期的顺序以及主站和从站的行为。

图3-12 AS-i总线2.1版本报文格式

4.AS-i网络模拟量传输问题

AS-i总线每次只能向从站发送4位的控制数据和得到从站应答的4位响应数据。传送的模拟量数据一般都多于4位（如16位分辨率的模拟量数据），所以，传送模拟量要将其分割成各分片，逐片传送。接收方收到分片后，重组这些分片，再恢复模拟量原值。旧版本的这些工作用PLC程序实现，使用起来很不方便。

在版本（2.1版本）AS-i中，对此作了改进。将分片和重组的功能集成给站点硬件，由硬件完成。它的技术规范还制定了模拟量从站行规（Slave-Profile7.3和Slave-Profile7.4），统一规定了从站的技术细节。这样，AS-i主站就能够自动识别出所谓的“模拟量从站”，并做出相应的反应。

其实没有必要了解太多关于模拟量传送过程中的细节，但要记住的是：

1）根据AS-i从站行规7.3，每个从站（I/O模块）最多可以连续传送4路模拟量信号，由于传输方法的限制，所有模拟量的从站不能使用2.1版本技术规范中的扩展地址模式，即一个模拟量从站只能分配给1～31中的一个地址。一个AS-i总线网络在带有模拟量从站时，总的容量就介于1个模拟量从站（4路模拟量信号，4×1=4）加60个开关量从站和31个模拟量从站（124路模拟量信号，4×31=124）但不带有开关量从站。

2）AS-i从站行规7.3规定每个模拟量信号有16位有效数据，分为7个分片传送，每传送一个模拟量信号需要7个AS-i总线周期，约为70ms。

3）在AS-i从站行规7.4中规定的在模拟量非周期传输中，更加丰富了模拟量从站的功能，模拟量从站的参数可以多达219字节，它描述了从站不同的功能。主站通过模拟量的非周期传输可向从站设置不同的参数，每次可传送4位信息量，用来规定模拟量数值范围即改变量程等。

5.AS-i主要特点

1）AS-i传输数据量少，数据帧长度是固定的。通信周期相对固定。对31个站点从站最大为5ms，对62个站点从站最大为10ms。所以，通信的实时性好，确定性也有保障，很适合现场控制使用。

2）AS-i从设备硬件到软件都按照高可靠性的规范和协议进行开发和制造，可确保它的高可靠性。它有很多具体措施，如：

①采用特殊的报文编码和信号传输方式，数据传输安全可靠；

②使用冗余校验，可检测到传送过程出现的差错；

③AS-i网络系统设计成对称结构，从而将电磁干扰降到最小；

④主、从站采用专用集成电路IC制造，比用分离元件更可靠；

⑤主站可连续监控网络运行、从站工作状况；

⑥从站能自我监控，可报告运行错误；

⑦使用扁平电缆的“穿刺技术”连线，可使网络施工故障大大减少。

等等。

3）AS-i网络组建，安装、使用方便，是一个能够自动完成各种配置的系统。维修也方便，一旦某个AS-i从站发生故障，它也很容易用一个新的（地址为0）同样型号的从站模块来替代。之后，主站会自动给更换的新从站赋址，把故障模块原地址自动写入到新模块中。AS-i总线支持带电拔插功能。AS-i系统简单，用户不需要进行任何的设置或调节。

4）AS-i总线是一个开放的系统，ASI国际协会对AS-i总线技术制订了详细的规范、附件和试验技术规则，便于更多产品入网。为它的应用与发展提供了很多有利条件。

5）AS-i处于PLC网络的最底层，AS-i主站可以看做是智能型传感器/执行器和控制器之间的接口。对上可与控制器或高层网络的网关相连，对下直对远程现场设备。具有现场总线所具有的优势，也是PLC实施远程控制最经济的解决方案之一。有人对某个系统做过论证，使用AS-i与传统的布线技术相比，可节省26.6%的费用。具体分析如图3-13所示。

AS-i的问题是，从站多不具备自身控制功能。从分散风险的角度看，它还不是真正意义上的网络。再就是处理模拟量延时较长，不是它的擅长。

图3-13 AS-i效益图示