AS-Interface

AS-Interface (Actuator Sensor Interface, AS-i)

AS-Interface to otwarty standard sieci przemysłowej, który znajduje szerokie zastosowanie w dziedzinie automatyki przemysłowej.

Sieć AS-i została stworzona z myślą o regularnym zbieraniu danych z licznych binarnych czujników oraz sterowaniu wieloma binarnymi urządzeniami wykonawczymi. Umożliwia także wymianę tych danych z sterownikami lub aplikacjami procesowymi. Wszystkie urządzenia są połączone za pomocą jednego, dwużyłowego kabla, który jednocześnie zasila urządzenia i przesyła sygnały.

Specyfikacja AS-i jest zarządzana przez AS-International, międzynarodową organizację z siedzibą w Gelnhausen, Niemcy.

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 stworzony na przełomie lat 80. i 90. XX wieku przez grupę 11 firm, które były znane głównie z produkcji przemysłowych, bezdotykowych urządzeń sensorycznych, takich jak czujniki indukcyjne, fotoelektryczne, pojemnościowe oraz ultradźwiękowe. Po zakończeniu prac nad rozwojem, konsorcjum zostało rozwiązane, a powstała organizacja członkowska AS-International, odpowiedzialna za zarządzanie standardem. Pierwszy system AS-Interface zaprezentowano podczas targów w Hanowerze w 1994 roku.

Oryginalna specyfikacja (1994, wersja 2.04)

W swojej pierwotnej wersji sieć mogła obsługiwać do 31 urządzeń wejścia/wyjścia, z maksymalnie 4 bitami wejść i 4 bitami wyjść na każde urządzenie, co pozwalało na zainstalowanie łącznie do 124 wejść i 124 wyjść binarnych. Czas aktualizacji pojedynczego węzła wynosił około 150 mikrosekund, co przy maksymalnej liczbie węzłów skutkowało czasem aktualizacji wynoszącym 5 ms. Ważne funkcje, takie jak automatyczne proste zastąpienie węzła, były już wówczas częścią systemu.

Rozszerzenie (1998, wersja 2.11)

Wprowadzono możliwość tworzenia analogowych wejść i wyjść oraz zwiększono liczbę urządzeń wejścia/wyjścia do 62. Ulepszono diagnostykę urządzeń, umożliwiając sygnalizację uszkodzenia przez mastera. Aby zachować kompatybilność zarówno w przód, jak i w tył, nie zwiększono rozmiaru ramek danych wymienianych między zarządcą sieci a węzłami. Zamiast tego, jeden z czterech bitów wyjściowych został użyty do wyboru między węzłami A i B, co oznacza, że każde urządzenie mogło obsługiwać maksymalnie 3 wyjścia, co ograniczało 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)

Zdefiniowano nowe komunikaty, 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 powinien znajdować się dokładnie jeden zarządca, który najczęściej pełni rolę bramy do wyższego poziomu sieci przemysłowej lub jest częścią programowalnego sterownika logicznego,
zasilacza – jeden specjalny zasilacz do zasilania elementów sieci, umożliwiający komunikację po linii zasilającej,
węzłów podległych (slave) – wiele urządzeń wejścia i wyjścia,
okablowania – kabel, który zapewnia podłączenie urządzeń poprzez zaciśnięcia na nim złączek.

Zarządca

Zarządca sieci (master) działa jako brama do sieci wyższego poziomu, takiej jak Ethernet, Modbus, Profibus czy Interbus, lub jest częścią programowalnego sterownika logicznego, wówczas określany jest jako skaner (scanner). Zarządca skanuje sieć AS-i i przesyła informacje z sieci nadrzędnej do urządzeń wyjściowych oraz odbiera dane z urządzeń wejściowych, przekazując je do sieci nadrzędnej.

Zasilacz

Zasilacz dostarcza napięcie 30 V do węzłów sieci. Jego wyjście ma odpowiednio dobraną indukcyjność, co pozwala na uzyskanie optymalnego przebiegu napięcia w sieci podczas nadawania sygnału przez urządzenie.

Urządzenia podległe

Moduł podległy (slave) zapewnia współpracę sieci AS-i z czujnikami i elementami wykonawczymi, do których jest podłączony. Składa się z części odpowiedzialnej za komunikację z siecią oraz części wykonawczej. Każdy moduł w sieci AS-i musi mieć unikalny adres, który mieści się w zakresie od 0 do 31, przy czym adres 0 jest zarezerwowany dla automatycznego zastąpienia węzła. W specyfikacji 2.11 rozszerzono przestrzeń adresową, wprowadzając grupy adresów A i B. Moduły mają adresy: 1A do 31A oraz 1B do 31B.

Urządzenia dzielą się na:

Te, które można bezpośrednio podłączyć do sieci AS-i, określane jako inteligentne, podłączane bezpośrednio do kabla lub przez pasywne trójniki czy splitery.
Te, które wymagają przetworzenia sygnału na dane magistrali AS-i, zwane standardowymi lub nieinteligentnymi. Ich podłączenie do sieci wymaga inteligentnego rozdzielacza.

Inteligentne rozdzielacze (intelligent splitter box) to urządzenia, które umożliwiają podłączanie standardowych urządzeń do sieci AS-i. Mogą także zawierać zawory oraz standardowe czujniki.

Pasywne rozdzielacze i złączki (passive T-connector) służą do rozdzielenia kabla lub podłączenia do niego.

Urządzenia bezpieczeństwa

W systemie zastosowane są urządzenia monitorujące stan linii AS-i, które wykrywają niepoprawne napięcie, błędy transmisji oraz błędne odpowiedzi. Do tych urządzeń można również podłączać przyciski stopu awaryjnego.

Okablowanie

Wszystkie urządzenia są łączone poprzez złącza do wspólnego kabla. Urządzenia podległe przyłącza się do kabla poprzez zaciśnięcie ich na nim, co skutkuje nakłuciem kabla i wpięciem do jego przewodów. System gwarantuje dużą szczelność takich połączeń. Specyfikacja określa 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 zasilania,
czerwony – dodatkowy kabel zasilający o napięciu wyższym niż w sieci AS-i, zazwyczaj 240 V.

Kabel sieciowy może mieć długość do 100 m, a przy zastosowaniu regeneratorów sygnałów i zasilacza do każdego segmentu sieci, długość ta może wynosić do 300 m.

Funkcjonowanie sieci

Transmisja danych

Warstwa 1: fizyczna

Transmisja danych odbywa się w paśmie podstawowym (bez modulacji) poprzez obciążanie linii przez nadajnik. Gdy linia nie przesyła sygnałów, panuje na niej napięcie 30 V. Nadajnik obciąża linię prądem o natężeniu do 60 mA. Indukcyjność zasilacza ogranicza szybkość zmian natężenia prądu, co prowadzi do generowania impulsu spadku napięcia na linii. Napięcie na linii wraca do 30 V, zanim nadajnik przestanie ją obciążać. Gdy nadajnik przestaje obciążać linię, indukcyjność zasilacza generuje impuls wzrostu napięcia. Składowa zmienna napięcia na linii odpowiada modulacji typu Alternating Pulse Modulation (APM) o amplitudzie 2 V. Odbiorniki podłączone do linii analizują składową zmienną napięcia, aby zrekonstruować sygnał. Czas nadawania jednego bitu informacji wynosi 6 µs.

Informacja kodowana jest w formacie kodu Manczester, w którym jedynka jest kodowana poprzez ustawienie niskiego stanu linii (0) na początku czasu nadawania, zmieniając go na wysoki (1) w środku. Zero binarne jest kodowane w odwrotny sposób, co zapewnia przynajmniej jedną zmianę stanu linii na każdy bit nadawanej informacji.

Warstwa 2: łącza danych

Urządzenia komunikują się, wysyłając telegramy. Telegram wysyłany przez zarządcę sieci (master) ma długość 14 bitów i zawiera: bit startu (0), bit sterujący, adres odbiorcy (4 bity), bity informacyjne (5 bitów), bit parzystości oraz bit stopu (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. Odpowiada jedynie wskazany moduł podrzędny. Jeśli moduł odbiorczy jest zsynchronizowany, odpowiada po czasie odpowiadającym transmisji 3 bitów; w przeciwnym razie po czasie 5 bitów. Jeśli master nie otrzyma odpowiedzi w ciągu 10 bitów, przechodzi do nadawania następnego telegramu.

Warstwa 7: aplikacji

W celu kontroli poprawności transmisji wykorzystywane są cechy kodu Manczester, APM, format ramki oraz bit parzystości, co zapewnia transmisję bez błędów.