ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 2 CHƯƠNG 4 TRANG – 75
CHƯƠNG 4: MẠNG AS_I

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG AS-I:
4.1.1 Khái niệm:
Hệ thống AS-I (Actuator Sensor Interface) hay giao tiếp actuator / sensor là hệ thống
kết nối cho cấp thấp nhất trong hệ thống tự động hóa. Các actuator và sensor được nối
với trạm hệ thống tự động qua bus giao tiếp AS (AS-I bus).
Giao tiếp này ra đời vào năm 1994.
Hình vẽ 4.1 giới thiệu vị trí của giao tiếp AS trong hệ thống điều khiển.

Cấp quản lý mạng
(Supervisory level)
Cấp sản xuất hoặc điều
khiển quá trình
(Production or process
control level)
Cấp cảm biến/ cơ
cấu chấp hành
Actuator/sensor
level
Các Bộ điều khiển lập trình
(Programmable Controllers)
Host computer
)
Cảm biến/ cơ cấu
chấp hành
Actuator/sensor)

thấp nhờ một phương pháp truyền thông đặc biệt một kỹ thuật kết nối điện cơ mới.
Hình 4.2 minh họa các hệ thống mạng kết nối giữa các thiết bị cảm biến và cơ cấu
chấp hành trên thực tế.
Hình a) là cách kết nối dây theo điểm-điểm cổ điển, trong đó một bộ điều khiển như
PLC đóng vai trò là nút trung tâm trong cấu trúc hình sao. Cách này có hạn chế là
phức tạp và chi phí cao cho đường truyền.
Có thể thay thế cách ghép nối cổ điển này bằng hệ thống bus đơn gian hơn, thực hiện
theo hai phương pháp sau :
- Sử dụng bus trường nối PLC với các thiết bị vào/ra phân tán như hình b).
- Sử dụng một hệ thống bus như AS-I nối PLC trực tiếp với các cảm biến và cơ
cấu chấp hành như hình c).


Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 2 CHƯƠNG 4 TRANG – 77
4.1.2 Giao tiếp AS-I:
a. Đặc tính:
- AS-Interface được tối ưu hóa để kết nối các sensor và các actuator nhị phân. Cáp
AS-I được sử dụng vừa để trao đổi dữ liệu giữa các sensor, actuator và Master
cũng như vừa cung cấp nguồn điện cho các sensor.
- Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị.
- Giảm đáng kể giá thành dây nối và công lắp đặt hệ thống.
- Nâng cao độ chính xác trong truyền dữ liệu.
- Nâng cao độ linh hoạt và tính năng mở của hệ thống.
- Đơn giản hoá, tiện lợi trong việc chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố các thiết bị.
- Nâng cao khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) nhờ
giao tiếp chuẩn.
- Mở rộng nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống ( có khả năng
điều khiển phân tán, điều khiển giám sát từ xa qua Internet).
- Thời gian đáp ứng nhanh : AS-I Master cần tối đa 5ms để trao đổi dữ liệu tuần
hoàn đến 31 trạm.
- Với các standard AS-I Module thì có thể lên đến 124 sensor và 124 actuator hoạt
động trên cáp AS-I.
- Nếu sử dụng các AS-I Module có chế độ địa chỉ mở rộng (extended addressing
mode) , có thể lên đến 186 actuators và 248 sensors có thể được hoạt động với
một Master có chế độ mở rộng .
- Các AS-I Master có chế độ mở rộng của Siemens cung cấp việc truy cập cực kỳ
đơn giản các analog sensors/actuators hoặc các Modules hoạt động theo profile

Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 2 CHƯƠNG 4 TRANG – 79
Bảng 4.1 trình bày các AS-I Master trong hệ thống tự động hoá của SIEMENS.
System AS-I Master
SIMATIC S5 PLC CP 2433 for S5-90U,S5-100U
CP 2430 for S5-135U,S5-155U
SIMATIC S7 PLC CP 242-2 for S7-200
CP 242-8 for S7-200
CP 342-2 for S7-300
SIMATIC C7 C7-621 AS-I
Distributed I/Os DP/AS-Interface Link 20
CP 242-8 for S7-200
CP 2433 for ET 200U
CP 342-2 for ET 200M
CP 142-2 for ET 200X
DP/AS-Interface Link 65
IBM-compatible PCs CP 2413 for PC-AT
Bảng 4.1: Các AS-I Master của Siemens Hình 4.6 : Sơ đồ một mạng AS-I
Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 2 CHƯƠNG 4 Hình 4.7 : Mạng hình sao - Kiểu đường thẳng:
Các Slave được nối nối tiếp với nhau thông qua cáp AS-I và cáp này nối vào
Master Controler, theo hình vẽ 4.8

Cáp AS
-
I

Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 2 CHƯƠNG 4 TRANG – 81

I

T
connector

Cáp AS
-
I

Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 2 CHƯƠNG 4 TRANG – 82

Hình 4.10: Mạng hình cây


T connector
Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 2 CHƯƠNG 4 TRANG – 83
- Mạng cấu trúc cây:
“Cấu trúc cây” của AS-I cho phép bất kỳ điểm nào trên bộ phận cáp (Cable section)
cũng được sử dụng như bắt đầu một nhánh mới. Tổng chiều dài này của tất cả các
subsection có thể lên đến 100 m.
- Tích hợp trực tiếp:
Thực tế tất cả các mạch điện tử cần cho các Slave đã được tích hợp trên một IC đặc
biệt. Việc này cho phép bộ kết nối AS-I được tích hợp trực tiếp vào các actuator và các
sensor nhị phân. Tất cả các thành phần yêu cầu có thể được cài đặt trong không gian
xấp xỉ 2 cm³.
- Tích hợp nhiều chức năng cho người sử dụng:
Với khả năng tích hợp trực tiếp sẽ cho phép tất cả các thiết bị được trang bị đầy đủ
các chức năng trên bốn đường dữ liệu và bốn đường tham số. Các actuator/sensor
thông minh như vậy làm tăng thêm các khả năng của mạng như giám sát, gán tham số,
kiểm tra ô nhiễm …
c. Dữ liệu số:
- Chu kỳ quét:
o Tối đa 5 ms đối với các standard AS-I Slaves.
o Tối đa 10 ms đối với các AS-I Slaves có chế độ địa chỉ mở rộng
AS-I sử dụng chiều dài thông điệp không đổi. Với AS-I ta không cần các thủ tục phức
tạp để điều khiển việc truyền dữ liệu và nhận dạng các chiều dài thông điệp hoặc các
khuôn mẫu dữ liệu. Việc này làm cho các Master có thể hỏi vòng tất cả các Slave kết

nghĩa là có thể kết nối tối đa 248 ngõ vào/ ra ( 124 Input /124 Output ) trên cáp AS-I
với các standard AS-I Slaves. Tất cả các actuator hay sensor tiêu biểu có thể kết nối
với AS-I theo cách này. Các Module được sử dụng như là các ngõ vào/ra phân tán.
Nếu các Modules có chế độ địa chỉ mở rộng được sử dụng, thì tối đa 4 inputs và 3
outputs cho phép ở mỗi Module; nói cách khác là tối đa 248 vào và 186 ra có thể hoạt
động với các Modules sử dụng chế độ địa chỉ mở rộng.

4.1.4 Ứng dụng mạng AS-i:
a. Dây chuyền đóng chai:
Công nghệ đóng chai là một khâu rất quan trọng và phức tạp trong các nhà máy sản
xuất bia, nước ngọt, nước khoáng… Do yêu cầu công nghệ nhà máy, việc lắp đặt dây
chuyền rất phức tạp; rất nhiều băng tải, cảm biến … để giảm đi sự phức tạp, ta có thể
ứng dụng mạng AS-I vào công nghệ này. Khi đó sơ đồ nối dây giữa các thiết bị điều
khiển cũng như các sensor thông minh trở nên rất đơn giản vì việc kết nối này chỉ
dùng cáp AS-I hai dây vừa cung cấp nguồn và truyền dữ liệu giữa các thiết bị mà vẫn
đảm bảo đúng yêu cầu công nghệ.
Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 2 CHƯƠNG 4 TRANG – 85

Hình 4.11: Sử dụng mạng AS-I trong sản xuất bia Hình 4.12: Sử dụng mạng AS-I trong sản xuất và đóng gói bánh Biscuit

b. Dây chuyền lắp ráp xe hơi:

Master và cho phép truy cập các cảm biến và cơ cấu chấp hành.

4.2.2 AS-I Master PLC S7-200:
PLC S7-200 được sử dụng làm AS-I Master thông qua các Module mở rộng sau:

a. CP242 - 2 (Standard AS-I Master):
Module CP 242-2 cho phép kết nối hệ thống AS-I vào PLC S7-200. CP 242-2 cung
cấp đầy đủ các chức năng xác định của một standard AS-I Master, theo hình vẽ 4.13

Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 2 CHƯƠNG 4 TRANG – 87
.
Hình 4.13: Hệ thống AS-I với AS-I Master CP 242-2

- Các thông số kỹ thuật của CP 242-2 :
o Chu kỳ quét: 5 ms cho 31 Slave .
o Thứ tự địa chỉ: 8 Module vào số và 8 Module ra số, 8 Module vào và 8
Module ra analog .
o Nguồn cung cấp: 5 VDC
o Nguồn cung cấp cho cáp : Tùy thuộc vào loại AS-I
o Dòng tiêu thụ tối đa của Master : 200 mA
o Nhiệt độ vận hành : 0 – 60
o
C
o Kích thước : (W – H – D ) 90 x 80 x62

Module CP 242-8 không chỉ thực hiện chức năng của CP 242-2 mà còn cho phép kết
nối với PROFIBUS DP (DP Slave). Điều này làm giảm giá thành kết nối của S7-200
với PROFIBUS DP tại cùng thời điểm.
Hình vẽ 4.15 minh họa hệ thống AS-I sử dụng Module CP 242-8

Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 2 CHƯƠNG 4 TRANG – 89

Hình 4.15: Hệ thống AS-I có AS-I Master CP 242-8

4.2.3 AS-I Master PLC S7-300:
PLC S7-300 được sử dụng làm AS-I Master thông qua các Module mở rộng sau:
a. CP 342-2 (Standard AS-I Master):
Module CP 342-2 là standard AS-I Master Module dùng cho các bộ điều khiển S7-300
và Module phân tán ET 200M. CP342-2 chiếm 16 byte inputs và 16 byte outputs trong
vùng analog của bộ điều khiển mà qua đó ta có thể đọc và xuất các dữ liệu các Slave.
- Các thông số kỹ thuật của CP 342-2:
o Chu kỳ quét : 5 ms cho 31 Slave
o Thứ tự địa chỉ : 16 byte vào và 16 byte ra trong vùng analog
o Nguồn cung cấp : 5 VDC
o Nguồn cung cấp cho cáp : Tùy thuộc vào loại AS-I
o Dòng tiêu thụ tối đa của Master : 200 mA
o Nhiệt độ vận hành : 0 – 60
o
C

Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 2 CHƯƠNG 4 TRANG – 91
từ chương trình điều khiển. FC được cung cấp theo đĩa cùng với sổ tay sử dụng CP
343-2
4.2.4 AS-I Gateways:
Ngay khi sử dụng PROFIBUS DP với các thiết bị ngoại vi phân tán, thì việc sử dụng
AS-Interface có thể có nhiều ưu điểm. Việc nối mạng các thiết bị ngoại vi của quá
trình có thể được mở rộng vượt ra ngoài PROFIBUS đến tận các actuator/sensor.
Các thiết bị sau đây có thể được sử dụng để làm gateway đến PROFIBUS:
- DP/AS-Interface Link 20 (kết nối được thiết kế với cấp bảo vệ IP 20 để giao tiếp
AS-Interface với PROFIBUS DP).
- CP 242-8 (kết nối đồng thời S7-200 với PROFIBUS và AS-Interface)
- CP 142-2 cho ET 200X
- CP 342-2 cho ET 200M
- CP343-2 cho ET 200M (extended Master)
- CP 243-3 cho ET 200U
- S5-95U PLC với giao tiếp PROFIBUS và CP 2433
- S7-300/CPU 315-2DP với CP 342-2 hoặc DP343-2
- DP/AS-Interface Link (kết nối được thiết kế với cấp bảo vệ IP 65 để giao tiếp
AS-Interface với PROFIBUS DP)
Hình vẽ 4.17 minh họa hệ thống AS-I sử dụng gateway DP/AS Interface Link 20.

Hình 4.17: Hệ thống AS-I với DP/AS-Interface Link 20
Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM


TRANG – 93
4.3.2 Các Module AS-I:
Trong hệ thống AS-I , các AS-I Modules có thể được xem như các Module vào và ra.
Cùng với các actuator và sensor, chúng tạo thành các AS-I Slave và kết nối các Slave
này vào AS-I Master. Các actuator/sensor được kết nối bằng bộ nối M12. Các chân
theo chuẩn DIN IEC 947 5-2. Các Module này với kích thước xấp xỉ 45x45x80 mm
được sử dụng ngay bên trong thiết bị. Chúng được kết nối với cáp AS-I và có cấp bảo
vệ IP67.
a. Các Module AS-I:
Được phân thành hai loại:
- AS-I Module tích cực (active):
Là Module có chip AS-I tích hợp sẵn. Sử dụng Module này ta có thế kết nối được
tất cả các sensor và actuator thông thường. Do đó các actuator và sensor bình
thường có thể được nối mạng AS-I.
- AS-I Module thụ động (passive):
Các Module này không chứa trong nó các linh kiện điện tử và cho phép kết nối
các AS-I sensor và actuator có tích hợp AS-I chip.
Các Module này được thiết kế sao cho có thể tạo ra một giao tiếp cơ – điện duy nhất
với cáp AS-I. Việc này đạt được bằng cách tạo phần dưới (lower section) giống nhau
của Module, do đó cũng được gọi là Module kết nối (connection Module).
Các phần trên (upper section) của Module được cấu tạo đặc biệt, được gọi là các
Module ứng dụng (application Module). Sự thay đổi các thành phần của Module này
trãi dài từ các vỏ bọc đơn giản dùng để rẽ nhánh cáp AS-I đến các Module ứng dụng
có tích hợp chip AS-I dùng để kết nối với 4 sensor hoặc actuator thông thường.
Hình vẽ sau mô tả một Module dùng để kết nối với mạng AS-I cho các sensor/actuator
không tích hợp chip AS-I. Hình 4.19: Module kết nối các sensor và actuator không tích hợp AS-I chip

Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 2 CHƯƠNG 4 TRANG – 95 Hình 4.21: Sensor/actuator có giao tiếp AS-I

Sensor được biểu diễn theo hình vẽ trên sử dụng 3 bit dữ liệu là các ngõ vào, 1 bit dữ
liệu là ngõ ra và 4 bit tham số.
Các sensor có tích hợp AS-I chip được nhiều hãng sản xuất. Sau đây là một ví dụ minh
họa cho một cảm biến thông minh (intelligent sensor).

- Sensor thông minh (sensor điện từ )

Hình 4.22: Sensor thông minh
4 đường dữ liệu D
0

D
3
4 đường tham số P
0
P


VUØNG

2
VUØNG

3

VUØNG

4

VUØNG

5

Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 2 CHƯƠNG 4 TRANG – 97
o Tích hợp thông minh: Các AS-I sensor có khả năng bus đều có một bộ vi
xử lý sao cho nó có khả năng chẩn đoán thông minh. Như vậy các đặc tính
trễ, tuyến tính … có thể được lập trình sẳn trong sensor.

4.3.3 Lắp đặt Module AS-I:
Lắp đặt một AS-I Module trên cáp AS-I thực hiện đơn giản bằng cách sử dụng kỹ
thuật kết nối được mô tả như thí dụ trong hình 4.24.


(c)

Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn
Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn
Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP. HCM
ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH 2 CHƯƠNG 4 TRANG – 98
b. Sử dụng repeater:
AS-I repeater được sử dụng khi các Slave buộc phải hoạt động trên tất cả các đoạn
cáp. Cần có một bộ nguồn điện AS-I riêng cho mỗi đoạn AS-I (trước và sau repeater).
Repeater có các đặc tính sau:
- Mở rộng chiều dài cáp đến tối đa 300m.
- Các Slave có thể được sử dụng ở cả 2 bên AS-I.
- Mỗi bên giao tiếp AS-I cần một bộ nguồn AS-I.
- Có cách ly điện áp cho mỗi bên.
- Lắp đặt trong dạng đóng vỏ Module ứng dụng chuẩn.
Hệ thống có sử dụng repeater được minh họa trong hình vẽ sau: Hình 4.25: Hệ thống có sử dụng Repeater

c. Sử dụng Extender:
AS-I Extender được sử dụng trong các ứng dụng mà AS-I Master được lắp đặt ở vị trí
cách xa hơn chổ lắp đặt thực tế của AS-I.
- Các AS-I Master có khoảng cách xa đoạn AS-I 100m.
- Các Slave chỉ có thể được sử dụng một bên (không có Master).
- Nguồn điện AS-I chỉ cần cho bên các Slave.