AS-Interface

Szafki z urządzeniami i żółte kable standardu AS-i.

AS-Interface (Actuator Sensor Interface, AS-i) – otwarty standard sieci przemysłowej stosowany w automatyce przemysłowej.

Sieć AS-i została zaprojektowana do częstego pobierania danych z wielu binarnych czujników oraz sterowania wieloma binarnymi urządzeniami wykonawczymi i wymiany tych danych ze sterownikami lub aplikacjami procesowymi. Urządzenia są połączone za pomocą jednego 2-żyłowego kabla, który tymi samymi żyłami zasila urządzenia jak i przenosi sygnały.

Specyfikacja AS-i jest zarządzana przez AS-International, międzynarodową organizację znajdującą się w Gelnhausen, w Niemczech.

Podstawowe cechy standardu

• Protokół sieci: master/slave z jednym masterem i 31/62 slave
• Typ dialogu: cykliczne odpytywanie przez mastera
• Czas cyklu odświeżania: 5 ms dla 31 urządzeń
• Liczba punktów przyłączeniowych: 31 lub 62, po 4 wejścia i 4 lub 3 wyjścia binarne na punkt
• Maksymalna długość magistrali: 100 m, z regeneratorem sygnału 300 m
• Charakterystyka zasilania i sygnału: zasilanie 30 V symetryczne odizolowane masy i innych urządzeń, wspólny kabel do zasilania i transmisji danych
• Przesyłane dane do/z urządzenia podległego: status - 4 bity, polecenie - 4 bity, parametry - 4 bity

Historia

AS-Interface został opracowany na przełomie 80 i 90 lat XX w. przez grupę 11 firm znanych głównie z oferty przemysłowych bezdotykowych urządzeń sensorycznych takich jak czujniki indukcyjne, czujników fotoelektryczne, czujniki pojemnościowe i czujniki ultradźwiękowe. Gdy rozwój został zakończony konsorcjum zostało rozwiązane a założono organizację członkowską AS-International zarządzającą standardem. Pierwszy system AS-Interface został pokazany na targach w Hanowerze w 1994.

Oryginalna specyfikacja (1994, wersja 2.04)

W swojej pierwotnej formie sieć była w stanie obsłużyć do 31 urządzeń wejścia/wyjścia, a każde urządzenie mogło posiadać do 4 bitowych wejść i 4 bitowych wyjść, co w sumie umożliwiało umieszczenie w sieci do 124 wejść i 124 wyjść binarnych. Czas aktualizacji pojedynczego węzła to około 150 mikrosekund, co przy maksymalnej liczbie węzłów daje czas aktualizacji maksymalnie 5 ms. Ważne funkcje takie jak automatyczne proste zastąpienie węzła były już częścią systemu.

Rozszerzenie (1998, wersja 2.11)

Wprowadzono możliwości tworzenia analogowych wejść/wyjść, zwiększono liczbę możliwych binarnych urządzeń wejścia/wyjścia do 62. Diagnostyka urządzeń została poprawiona poprzez możliwość sygnalizowania masterowi uszkodzenia urządzenia. W celu zachowania pełnej kompatybilności w przód i w tył, rozmiar ramek danych wymienianych między zarządcą sieci a węzłami podległymi nie został zwiększony. Zamiast tego, jeden z czterech bitów wyjściowych został wykorzystany, aby wybrać pomiędzy węzłami A i B. W wyniku czego każde urządzenie może obsłużyć tylko do 3 wyjść, ale w sieci może być do 62 urządzeń podległych, co ogranicza sieć do 248 wejść i 186 wyjść. Maksymalny czas aktualizacji w pełni obsadzonej sieci wzrósł do 10 ms.

Dodatkowe możliwości (2005/2007, wersja 3.0)

Rozwinięto możliwości sieci poprzez zdefiniowanie nowego komunikatu wprowadzając profile danych binarnych i analogowych oraz wprowadzono szeregową transmisję danych profilu. Oto niepełna lista nowych możliwości:

• węzły I/O binarne wspierające adresowanie A/B z 4 wejściami i 4 wyjściami,
• węzły I/O binarne wspierające adresowanie A/B z 8 wejściami i 8 wyjściami,
• konfigurowalny (8, 12 lub 16 bitowy) szybki kanał analogowy.

Podstawy działania

Każda sieć AS-i wymaga czterech podstawowych elementów:

• zarządcy (master) - w sieci musi znajdować się dokładnie jeden zarządca sieci, w większości przypadków pełni rolę bramy na wyższy poziom sieci przemysłowej lub jest wejściem do programowalnego sterownika logicznego
• zasilacza - dokładnie jeden specjalny zasilacz służący do zasilania elementów sieci umożliwiający komunikację po linii zasilającej
• węzłów podległych (slave) - wiele urządzeń wejścia i wyjść
• okablowania - kabel zapewniający podłączenie urządzenia poprzez zaciśnięcia na nim złączki urządzenia.

Zarządca

Zarządca sieci (master) pełni rolę bramy (gateway) do sieci wyższego poziomu np. Ethernet, Modbus, Profibus, Interbus albo jest elementem programowalnego sterownika logicznego i wówczas nazywany jest skanerem (scanner). Zarządca skanuje podległą mu sieć AS-i i przesyła informacje z sieci nadrzędnej lub sterownika do podległych mu urządzeń wyjściowych oraz pobiera informacje z urządzeń wejściowych i przekazuje do sieci nadrzędnej.

Zasilacz

Zasilacz dostarcza napięcia 30 V do zasilania węzłów sieci. Wyjście zasilacza ma odpowiednio dobraną indukcyjność wyjściową co ma umożliwić uzyskanie odpowiedniego przebiegu napięcia w sieci gdy urządzenie nadaje sygnał w sieci.

Urządzenia podległe

Moduł podległy (slave) zapewnia współpracę sieci AS-i z czujnikami i elementami wykonawczymi modułu lub do niego dołączonych. Moduł składa się z część odpowiedzialnej za współpracę z siecią oraz z części wykonawczej. W sieci AS-i każdy moduł musi mieć unikatowy adres. Adres jest liczbą w zakresie 0 do 31, przy czym adres 0 nie może być używany, jest zarezerwowany dla automatycznego zastąpienia węzła. W specyfikacji 2.11 poszerzono przestrzeń adresową wprowadzając grupy adresów A i B. Moduły mają adresy: 1A do 31A i 1B do 31B.

Urządzenia dzieli się na:

• Te, które można bezpośrednio podłączyć do sieci AS-i, zwane inteligentnymi. Wpina się je bezpośrednio w kabel lub poprzez pasywne trójniki lub splitery.
• Takie, które wymagają przetworzenia sygnału na dane magistrali AS-i, zwane standardowymi lub nieinteligentnymi. Podłączenie do sieci wymaga inteligentnego rozdzielacza.
• Inteligentne rozdzielacze (intelligent splitter box) - urządzenia umożliwiające podłączanie standardowych urządzeń do sieci AS-i. Obok możliwości podłączanie urządzeń standardowych może zawierać zawory jak i standardowe czujniki.
• Pasywne rozdzielacze i złączki (passive T-connector) - rozdzielenie kabla lub wykonanie podłączanie do kabla.

Urządzenia bezpieczeństwa

W systemie stosowane są urządzenia do nadzorowania stanu linii AS-i wykrywające niepoprawne napięcie linii, błędy transmisji niepoprawne odpowiedzi linii, sygnalizację błędu przez urządzenia. Do urządzeń tych podłącza się też przyciski stopu awaryjnego.

Okablowanie

Wszystkie urządzenia łączone poprzez wpięcie do wspólnego kabla. Urządzenia podległe przyłącza się do kabla poprzez zaciśnięcie ich na nim co powoduje nakłucie kabla i wpięcie się do jego przewodów. System zapewnia dużą szczelność takiego połączenia. Specyfikacja obejmuje oznaczenia kabli:

• żółty - kabel AS-i, przenoszący zasilanie i sygnały
• czarny - dodatkowe kable zasilające o napięciu 24 V lub 30 V, do urządzeń wymagających dodatkowego zasilani
• czerwony - dodatkowy kabel zasilający o napięciu większym niż panujące w sieci AS-i, zazwyczaj 240 V.

Kabel sieci może mieć długość do 100 m, a stosując regenerator sygnałów i zasilacz do każdego segmentu sieci do 300 m.

Funkcjonowanie sieci

Transmisja danych

Warstwa 1: fizyczna

Transmisja odbywa się w paśmie podstawowym (bez modulacji) poprzez obciążanie linii przez nadajnik. Gdy linia nie przenosi sygnałów panuje na niej napięcie 30 V. Nadajnik obciąża linię prądem o natężeniu do 60 mA. Indukcyjność zasilacza ogranicza szybkość zmian natężenia prądu co skutkuje wygenerowaniem impulsu spadku napięcia na linii. Napięcie na linii powraca do 30 V zanim nadajnik przestanie ją obciążać. Gdy nadajnik przestaje obciążać linię indukcyjność zasilacza generuje na linii impuls wzrostu napięcia. Składowa zmienna napięcia na linii odpowiada modulacji typu Alternating Pulse Modulation (APM) o amplitudzie sygnału 2 V. Odbiorniki urządzeń podłączonych do linii analizują składową zmienną napięcia linii i na jego podstawie uzyskują przebieg nadawanego sygnału. Czas nadawania bitu informacji wynosi 6 µs.

Informacja kodowana jest w odmianie kodu Manczester, w którym nadawanie jedynki bitowej jest kodowane ustawieniem niskiego stanu linii (0) na początku czasu nadawania bitu i zmieniane jest na wysoki (1) w środku czasu nadawania, zero binarne jest kodowane odwrotnie. System zapewnia przynajmniej jedną zmianę stanu linii na bit nadawanej informacji.

Warstwa 2: łącza danych

Urządzenia komunikują się wysyłając telegramy. Telegram wysyłany przez nadzorcę sieci (master) ma długość 14 bitów i zawiera: bit startu (równy 0), bit sterujący, adres odbiorcy (4 bity), bity informacyjne (5 bitów), bit parzystości i bit stopu (równy 1). Telegram modułu podległego składa się z 7 bitów i zawiera: bit startu, 4 bity informacyjne, bit parzystości i bit stopu.

Transmisja danych odbywa się w trybie master/slave. Po nadaniu telegramu następuje przerwa w nadawaniu. Na telegram odpowiada tylko wskazany moduł podrzędny. Jeżeli moduł odbiorczy jest zsynchronizowany, to odpowiada po czasie odpowiadającym transmisji 3 bitów, jeśli nie, to po czasie 5 bitów. Jeżeli master nie otrzyma odpowiedzi w czasie 10 bitów, to przechodzi do nadawania następnego telegramu.

Warstwa 7: aplikacji

Do kontroli poprawności transmisji wykorzystuje się cechy kodu Manchester, APM, format ramki i bit parzystości, co łącznie zapewnia transmisję bez przekłamań.

Zobacz też

• 1-Wire
• I²C

Bibliografia

• Opis standardu
• Werner R Kriesel, Otto W. Madelung: AS-Interface. Carl Hanser Verlag Munchen Wien. ISBN 3-446-21065-2.brak strony w książce

Linki zewnętrzne

• Strona zarządcy systemu. as-interface.net. [zarchiwizowane z tego adresu (2012-10-29)].