AS-Interface总线技术在数控机床中的应用

　　0 引言
　　总线技术及网络化足当今自动化行业发展的主要目标和方向，从小到一台单机设备，大到一条装配牛产线，乃至一个企业的资源计划编制(ERP)系统，全集成自动化技术正愈朱愈在提升企业竞争力方面扮演着重要的角色。
　　一套全集成自动化系统按级别从卜到下划分一般分为：管理级、操作级、控制级和现场级，而在每一级的横向之间和上下级的纵向之问则通过不同的网络技术加以连接。例如管理级各部门之间通过以太网技术加以连接，操作级各部门之间则一般通过工、lp以太网技术加以连接，控制级各系统之间一般通过工业以太网、Profinet或Profibus等几种技术加以连接，而在最底层的现场级中则有分布式I/O系统，AS—Interface总线及逐渐兴起的I/O—Link总线技术等为上述网络架构的形成提供r重要的支撑。
　　本文根据生产中的实际应用介绍AS-Inter-face总线技术及其rfl来、结构组成、工作原理及优越性等，并蘑点介绍AS—Interface总线是如何在数控机床中得以配置和使用的。
　　1 AS—Interface工作原理
　　AS-Interface即执行器(Actuator)、传感器(Sensor)、接口(Interface)，一种电缆解决方案，是一个针对数字量I/O、智能传感器、模拟量I/O、编码器、光幕开关以及急停开关等没备的，结构简单的两线制网络。
　　在AS—Interface网络中网关控制着AS-Interface电缆的通信，一个网络最大可以连接62个模块(V2.1以卜版本)，单个模块最多可配置8个输入信号或8个输出信号，一共可以配置248个输人信号和248个输出信号。网关或扫描器按顺序呼叫模块并等待同应，如果响应失败，则会重复呼叫;如果仍然没有响应，网关或扫描器会记录模块地址并反馈给PLC，网关或扫描器回继续尝试访问未响应的地址。每次循环，4个位的信息会被网关或扫描器传送给模块，然后另外4个位的信息被返回。
　　AS—Interface是一个定性的网络。确定了模块的数量和类型，就能知道网络的刷新时间。要计算整个网络的刷新时间，用150 Ixs乘以模块数量即可。扫描周期对于全地址或半地址的I/O模块是一样的。但是模拟量需要占用多个扫描周期。AS—Interface的工作原理及刷新时间如图1所示。
　　

　　图1 AS—Interface工作原理及刷新时间

　　V2.0数字量I/O实际扫描周期=(2+模块数量最大31个)×156μs。
　　V2.1数字量I/O实际扫描周期=(2+模块数量最大62个)×156μs。
　　模拟量模块实际扫描周期=(每模块模拟量点数×7)×[(2+模块数量)×156 μs]。
　　2 AS—Interface的拓扑结构
　　AS-Interface网络的拓扑结构十分灵活，可以根据用户的实际需要满足不同的应用。由于它是完全开放的，所以没有结构上的限制，根据实际需要任意拓扑结构都叮以使用(见图2)。由于AS—Interface无需终端电阻，时间不会浪费在确定现有网络的末端上。电源和附加模块可以被放置在网络的任何地方。这种独特的方式不仅减少了网络的长度，而且最大限度地节省了安装时间。
　　

　　图2几种拓扑结构

　　3 线路及网络长度
　　由于整个系统是基于两线制的供电和通信原理，当使用带有机械编码的黄色扁平电缆时，电气连接会变得可靠、安全，而且十分快速。这种电缆有特殊的机械码，使得每次的安装不会将电缆极性接反。带冗余的穿刺技术使得连接牢固可靠，由于扁平电缆橡胶有自愈合特性，多次穿刺使用后绝缘保护等级仍能达到IP67。因为采用了触点穿透绝缘层接触的技术(见图3)，大量的接线时间被节省下来，没有必要在去剪、拨、拧端子或是标记端子号。现场人员只需很少的时间就可轻易地将长距离地电缆布好。节省下来的电缆不仅减少了电柜的大小，而且增加了工艺现场的调整能力，设备很容易地被分散或集中。[page]
　　

　　图3触点穿透绝缘层接触技术

　　AS—Interface网络标准电缆长度可达100 m，如果增加中继器，网络可以延伸至600 m。
　　4 AS—Interface总线系统的优越性
　　在传统的接线中，电源必须连接到每只传感器或执行器，并且信号线必须连接到I/O模块中，这种连线方式的缺点是接线费用高和安装时间长。如果使用了远程I/O模块，电缆的总量减少了但接点的总量保持相同。
　　相对于以上两种选择，AS—Interface具有下列优点：①电源和信号在两根导线上传输，减少了节点数日;②用电缆穿刺技术减少了电缆的连接，电缆的高绝缘性能减少了额外保护并减少了安装时间;③省略了I/O模块，AS—Interface主控机取代了模块，并使数据能通过总线系统传送到PLC。在小的系统中因为AS—Interface主控机集成了PLC功能，故可省略PLC;④少量的I/O模块减少了或省略了电缆管和电柜。几种接线方式比较如图4所示。
　　

　　图4接线方式

　　5 AS—Interface总线在数控机床上的应用
　　青海华鼎实业股份有限公司在新设计数控龙门机型中很好地应用了这种AS—Interface布线方式，在町预见的未来中必将产生很好的经济效益和示范影响力。下面就如何进行选型、配置和操作方法做一较为详细的说明。
　　首先，作为在数控机床中的应用，最简单的配置方式是选用的数控系统能够直接支持AS.Interface总线技术，虽然AS-Interface总线能够用自身的网关通过Profibus、Profinet、DeviceNet和Ether.Net等高层网络同支持这些网络技术的上位机，例如数控系统等(NC)建立连接，但最简单的方式是如果控制系统(NC)中有相应的模块来替代AS-Interface总线网关的话就将极大地减少整个网络的连接和组态难度。
　　控制系统(NC)选择了FANUC 3li数控系统(见图5)，该控制系统在保持其传统的稳定性好、操作和开动简单等优势的基础上也拓展了许多新的功能，增强了解算能力，为满足新机型的多轴控制和其他多项特殊要求例如插补、特殊补偿、特殊轴切换等功能奠定了良好的支撑基础。AS—I就是这种控制系统的一项选项功能，其实，在FANUC公司生产的其他数控系统中例如0i D、18i等也包含这项功能，且提供相应的I/O—Link/AS—I转换器，I/O-Link/AS-I转换器即AS.Interface总线网络中网关的替代者。有了这种转换器可直接将AS-Interface总线的具有机械编码的特殊的黄色扁平电缆连接在I/O—Link/AS-I转换器的相应端子上，很好地实现了网络的初步架构。
　　

　　图5 FANUC i/0一I.ink/\'AS—I转换器与NC连接图

　　其次，根据机床的实际需要计算I/O点数以及明确机床外围所有传感器和执行器(例如接近开关、电磁阀等)的分布位置，在此基础上可进行总线网络拓扑结构的设计，明确互连节点数。虽然AS—Interface总线网络拓扑可任意布置，但为了最大限度地利用好模块上的多个接口，尽可能地减少模块的使用数量，最好能将每一个功能区域的传感器和执行器集中放置。如果放置很离散就会造成一个模块只接了一个传感器或执行器的情况发生，造成不必要的浪费。另外，根据每个功能区域的传感器和执行器的分布数晕情况合理地选择I/O模块，同样也可以达到节省模块、提高利用率的目的，目前市场供应的I/O模块有4输入、8输入、2输入/2输出、4输入/3输出、4输入/2输出、4输人/4输出、2输入/2输出和2输入/2输出等。另外，由于I/O模块在编址时有版本规范要求，用户可以根据自己的I/O具体分布情况和选用I/O_Link/AS-I转换器的版本情况进行网络拓扑结构设计和模块选用，在此机型中选择了德国PEPPERL+FUCHS公司的I/O模块产品。
　　最后，在确定好上位机、I/O模块，设计好网络拓扑结构后就可进行网络的实际布置，在实际布置中根据事先设计好的拓扑结构在合适的地方布置互连节点，然后可进行连接AS-Interface总线电缆和挂接I/O模块的工作。在I/O模块挂接好后，要对每一个I/O模块进行地址设定工作，只有对每个模块设定相应的地址后，系统才能读取实际的I/O情况。
　　在上述工作完成后，剩下的就是编写程序、调试机床的工作了，可随意在现场增加一个或几个AS-I的I/O模块编号地址改好程序就行了，不需再考虑扩充电柜、端子、插头、PLC I/O等，一切变得简单而迅速。