Sieć przemysłowa AS-I
Actuator Sensor Interface
Sieć przemysłowa AS-I
Actuator Sensor Interface
AS-I
Porównanie z innymi sieciami
Topologie sieci
Z uwagi na sposób przesyłu danych, cykliczny tryb
pracy, fizyczną specyfikację, nie ma teoretycznych
przeciwskazań przed budową sieci o dowolnym kształcie
Podstawowe elementy konfiguracji sieci
Każda sieć AS-i wymaga czterech podstawowych elementów:
•
zarządca (master) - w sieci musi znajdować się dokładnie jeden zarządcza sieci,
w większości przypadków pełni rolę bramy na wyższy poziom sieci
przemysłowej lub jest wejściem do sterownika PLC,
•
zasilacz - dokładnie jeden specjalny zasilacz służący do zasilania elementów
sieci umożliwiający komunikację po linii zasilania,
•
węzły podległe (slave) - urządzenia wejścia i wyjść,
•
okablowanie - kabel zapewniający podłączenie urządzenia poprzez zaciśnięcia
na nim złączki urządzenia.
Zarządca sieci (master) pełni rolę bramy (gateway) do sieci wyższego poziomu np
Ethernet, Modbus, Profibus, Interbus albo jest elementem sterownika PLC, 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.
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.
Podstawowe elementy konfiguracji
sieci – cd.
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 (rozdzielacze)
• 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.
Podstawowe elementy konfiguracji
sieci – cd.
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.
Źródło zasilania
•Zasilacz pracuje z napięciem 26.5 V do 31.6 Vdc, i dostarcza prądu 0 A do 8 A (typowo
na slave przypada 200 mA) w normalnych warunkach pracy. Prąd dostarczany do slave i
częsciowo do mastera jest używany do transmisji danych w sieci AS-i i może być
podpięty do dowolnego miejsca w sieci . Na długich liniach spadki napięcia muszą być
brane pod uwagę, ale nie powinny one przekraczać 3V na całym 100m przewodzie.
Zasilacz posiada wewnętrzny limit maksymalnego prądu.
•Jak w każdej instalacji elektrycznej uziemienie musi być odpowiedniej jakości (R < 3
Ohms). AS-i (+) i AS-i (-) nie są łączone z zerem, uziemieniem. Tylko zasilacz jest
uziemiony. Jeśli używamy zewnętrznego zasilacza, to jego (-) zwyczajowo łączony jest z
uziemieniem (IEC recommendations 204- 1 and EN 60204-1). Nie powoduje to
problemów, ponieważ zasilanie AS-i i zewnętrzne są od siebie kompletnie odizolowane
• Funkcją zasilacza jest także
kreowanie sygnału (decoupling
data),
które normalnie
wykonywane
jest
w układzie
zasilacza.
Układ
„data
decoupling” składa się z dwóch
cewek, każda 50 µH, i dwóch
rezystorów 39Ω równoległych.
Cewki
różniczkują
zmiany
natężenia prądu dając w efekcie
impulsy napięcia. Jednocześnie
chronią przed zwarciami (short
circuits) na kablu. Współczynnik
k (coupling) cewek powiniem być
jak najbliższy 1, co w efekcie
da indukcyjność
wzajemną
na poziomie 200 µH.
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 zasilania,
• czerwony - dodatkowy kabel zasilający o napięciu większym niż panujące
w sieci AS-i, zazwyczaj 240 V.
Okablowanie cd.
Przewód okrągły
Przewód zaprojektowany specjalnie dla AS-i. Ekranowany
lub nieekranowany, nieekranowane są preferowane w użyciu,
z następującą charakterystyką (przy częstotliwości 167 kHz):
R´: < 90 mΩ/m
C´: < 80 pF/m
Z : 70 Ω to 140 Ω
G´: ≤ 5 µS/m
Rekomendowany przekrój to 2x 1.5 mm
2
AS-Interface jest standardem
otwartej
sieci
(EN
50295)
łączącej aktuatory i sensory z
urządzeniami wyższego stopnia
w bardzo prosty sposób.
Ten przewód H05VV-F 2X1.5 jest
zgodny z CENELEC lub DIN VDE
0281,
jest
tani
i szeroko
dostępny.
Realne ograniczenia sieci
AS-i zostało celowo stworzone i zoptymalizowane do użycia pod
systemami fieldbus. Niektóre funkcje wyższych sieci są albo nie
realizowalne
w
połączeniu
z AS-i,
albo
mogą
być
zaimplementowane
tylko
z
pewnymi
ograniczeniami.
Oto przykłady:
• Ilość danych przesyłanych w cyklu AS-i jest ograniczona do
4/3 bitów na slave. Dłuższe wiadomości mogą być wysłane
przez podzielenie ich na wiele części w osobnych cyklach, a to
może być użyte do procesów z wolniej zmieniającymi się
parametrami, jak temperatura czy ciśnienie (analogowe
wartości).
• AS-i jest siecią master-slave sensu stricte, z cyklicznym
skanowaniem slave. To wyklucza asynchroniczną transmisję
przez sensory i aktuatory. Slave musi czekać 10 ms (w
przypadku sieci z 62 slave) do momentu kolejnego odpytania.
Czas cyklu spadnie przy mniejszej ilości slave:
Cycle_AS-i = 156μs + (156μs x liczba slave)
• Transmisja danych slave-slave jest możliwa tylko poprzez
mastera.
Realne ograniczenia sieci
cd.
• Sieć AS-i może mieć
fizycznie
do
100m
długości
bez
użycia
regeneratorów.
Te
fizyczne ograniczenie było
kompromisem uzyskanym
w
trakcie
procesu
wdrażania
i normalizacji
jako
rezultat
użycia
przewodów
o określonej
konstrukcji
(nieekranowany 2-żyłowy
przewód),
elastyczność
budowy
topologicznej,
docelowy czas cyklu i
ilość odbiorników, tak
samo
jak eliminacja
rezystorów
na końcach
kabli.
Ramka danych - master
Transmisja w AS-i:
•Master wysyła komendę i czeka na odpowiedź slave’a w określonym czasie.
Jeśli poprawna odpowiedź nie jest odnotowana, to master może ponowić próbę
komunikacji lub wysłać następną komendę.
•W momencie otrzymania poprawnej odpowiedzi master inicjuje nową komendę
po odczekaniu pewnego czasu po ostatnim bicie.
•Slave nie odpowie na błędne lub niepoprawne komendy przesłane przez
mastera.
•Kiedy slave jest w trybie "synchronicznym" (np.: normalna cykliczna wymiana
danych, nie inicjalizacja), wyśle wiadomość po okresie odpowiadającym 3
bitom. W każdym innym trybie będzie potrzebował dodatkowych 2 bitów
przed odpowiedzią, co daje łącznie 5 bitów. Czas bazowy (bit period) to 6 µs
(czas potrzebny na wysłanie 1 bitu). Czas wysyłu kompletnej ramki zajmie
typowo: 14 + 3 + 7 + 2 = 26 bitów, stąd 26 x 6 µs = 156 µs.
Ramka danych - slave
Taka struktura pakietu ma
swoje zalety:
• Prostota
• Stała ilość bitów w ramce
(dla mastera i slave’ów)
• Niewielka liczba bitów
• Stosunek „Dane
operacyjne/Dane
serwisowe" jest duży.
NOTA
Czas
10
bitów
przerwy
jest
zarezerwowany
na
odpowiedź
wszystkich
regeneratorów, których stosowanie przyczynia
się trochę do spowolnienia systemu. W każdym
przypadku master może zapoczątkować kolejną
wiadomość jeśli nie otrzymał odpowiedzi w
ciągu czasu dla 10 bitów (60 µs).
Ramka sieciowa
W tabeli zawarte są wszystkie możliwe typy wiadomości jakie master może
wysłać do slave, w AS-i 2.1, które akceptuje rozszerzone adresowanie.
Można zauważyć obecność bitu Select (~Sel). Ten bit zajmuje miejsce
używane we wcześniejszych wersjach do przesyłu danych. Dodanie tego
bitu daje możliwość zaadresowania dwukrotnie większej liczby slave’ów:
62. Slave’y, oprócz posiadania adresu od 1 do 31 otrzymują znakowanie
jako typ A lub B, co jest zdefiniowane jako bit Select.
Konfiguracja I/O slave
Konfiguracja I/O pozwala
ukryć
niepotrzebne
informacje. Jednocześnie
I/O config jest używany
razem
z
kodem
ID
do identyfikacji slave’ów.
To odwołanie jest profilem
urządzenia. Konfiguracja
I/O jest długa na 4 bity,
jest
ustalona
przez
producenta,
przechowywana
w
pamięci EEPROM slave’a,
więc
nie może
być
zmieniona.
Budowa
Mastera
• "Inputs" data image table
(I.D.I.)
Ta
tablica
zawiera
dane
odpowiadające bitom D0 do D3
otrzymanym
od
każdego
aktywnego slave. Jeśli dla danego
adresu brak slave’a zapisywane
jest 0 .
• Outputs" data image table
(O.D.I.)
Ta tablica zawiera dane D0 do D3
do wysłania do każdego aktywnego
slave w systemie.
• "Permanent
parameter"
data image table (P.P.)
Ta
tablica
zawiera
dane
odpowiadające konkretnym slave
(dane przechowywane w EEPROM).
W momencie restartu systemu,
dane te są przesyłane do P.I.
table,
jako
część
procesu
inicjalizacji
• Permanente configuration"
data image tables (P.C.D.)
Ta tablica zawiera dane wszystkich
możliwych konfiguracji mastera i
slave’ów.
Te
informacje
są
przetrzymywane w trwałej pamięci
mastera.
Budowa Mastera
cd.
• Parameter" data image table (P.I.)
Ta
tablica
używana
jest
do przechowywania danych
P0 do P3
przesyłanych do każdego slave.
• Configuration" data image tables
(C.D.I.)
Tablica zawiera konfigurację I/O i kody ID
wszystkich slave’ów w sieci AS-i.
• List of prospective slaves (L.P.S.)
table
Ta tablica przechowuje adresy i profile
dla slave’ów, które były skonfigurowane
do pracy w danej sieci. Są one nazwane
„Potencjalnymi slave’ami".
• List of detected slaves (L.D.S.)
table
Tablica
zawiera
adresy
wszystkich
wykrytych slave w sieci.
• List of active slaves (L.A.S.) table
Kiedy
system
jest
uruchamiany
wyszukuje
wszystkie
potencjalne
slave’y. Każdy rozpoznany zostanie
aktywowany i wszystkie odpowiadające
mu dane zostaną przechowane w tej
tabeli.
Budowa slave
• Input output data image
registers
Rejestry te przechowują obraz
danych
wejściowych
(aktuatory)
lub wyjściowych
(sensory)
• Parameter
image
register
Rejestr ten zawiera dane
wysyłane
do części
wykonawczej slave’a.
• EEPROM
Ta pamięć zawiera adres
slave’a (modyfikowalne przez
mastera) i jego profil (kod I/O
i kod identyfikacji) dostępne
tylko do odczytu.
• Address register
Ten 5 bitowy rejestr zawiera
aktualny adres slave’a. Jeśli
adres
wysłany
w żądaniu
mastera zgadza się z tym w
rejestrze,
wtedy
slave
odpowiada. Po sygnale RESET
do rejestru jest ładowany
adres z EEPROM
Master i Slave - kiedy który jest
odpytywany
AS-i było projektowane, aby zastąpić
połączenia 2 punktowe typu gwiazda
(tradycyjny układ kabli), procedura
dostępu w sieci została dobrana tak,
aby umożliwić stosowanie tej
topologii i być zdolną do pracy w
określonym czasie cyklu (master-
slave z cyklicznym skanowaniem).
Master odpytuje cyklicznie kolejne
aktywne slave’y zgodnie z adresami,
wysyłając do nich odpowiednią do
zadań paczkę danych.
Przy krótkich zakłóceniach na linii, dla
przykładu, master może powtórzyć
wysłanie wiadomości do adresu, od
którego nie otrzymał lub dostał złą
odpowiedź. To oznacza, że cykl nie
musi być powtórzony w całości
jeszcze raz.
Jak przydzielane są adresy w sieci
•
Address Assignment: Ta procedura pozwala masterowi ustawić adres
slave permanentnie z poprzedniego adresu 00HEX do nowej wartości.
•
Slave wysyła odpowiedź i zaczyna zapis w trwałej pamięci (EEPROM),
co nie trwa dłużej niż 500 ms. W trakcie procesu slave zaczyna
odpowiadać na żądania wysyłane na nowy adres. Te żądanie pozwala
na zastąpienie uszkodzonych slave bez restartu sieci.
•
Usuwanie Addresu: Komunikat “Delete Address” do tymczasowego
usunięcia adresu działającego slave i jest konieczne w połączeniu
z “Address Assignment” ponieważ “Address Request” może być
wykonane jedynie przez slave mający adres 00HEX. Dla przykładu, do
zmiany adresu slave żądanie “Delete Address” jest użyte jako pierwsze,
następnie “Address Assignment”. Slave oznajmia bezbłędne otrzymanie
“Delete Address” wiadomością 00HEX i może od tego momentu zostać
zaopatrzonym w nowy adres. Usuwanie adresu operacyjnego w
ten sposób nie jest permanentne. W celu przywrócenia oryginalnego
adresu przechowywanego w trwałej pamięci po wykonaniu tej komendy
należy użyć żądania “Reset_AS-I Slave”.
Kod Manchester
•
original data XOR clock =
Manchester value
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Na początku sygnał przyjmuje stan odpowiadający jego wartości
binarnej, w środku czasu transmisji bitu następuje zmiana sygnału
na przeciwny; dla zera z niskiego na wysoki, dla jedynki – z
wysokiego na niski.
Ponieważ w środku czasu trwania przesyłanego bitu występuje
zawsze zmiana stanu, możliwa jest synchronizacja demodulatora z
modulatorem w każdym przesyłanym bicie. Daje to dużą
odporność na zmiany szybkości transmisji. Jednocześnie
wyeliminowana jest składowa stała, co umożliwia przesyłanie tak
zmodulowanego sygnału przez elementy jej nie przenoszące (np.
transformatory liniowe używane w telekomunikacji).
Alternating Pulse Modulation (APM) jest
typem szeregowego przesyłu danych
(DC).
•
Procedura opisana jest na rysunku:
najpierw wyraz bitowy (1) jest kodowany
jako kod MANCHESTER (2) i następnie
wysłany jako przez mastera jako sygnał
prądowy (3), który jest zmieniony
w układzie cewek zasilacza na napięcie
(4).
Odbiornik
odczytuje
wariacje
napięcia, konwertuje je na impulsy
w kodzie
MANCHESTER,
a potem
na odczytany ciąg bitów (5).
•
Alternatywne procedury: AMI, FSK
•
Dzięki
kształtowi
impulsów
prądu
istnieje możliwość redukcji emisji fal
elektromagnetycznych
o
wysokiej
częstotliwości w stopniu wystarczającym
do spełnienia limitów standardów nawet
dla kabla nieekranowanego.
APM, jak nanosimy falę informacji na falę nośną
APM – funkcja sin
2
x
Przy wyborze odpowiedniego sposobu przesyłu informacji w AS-i muszą być wzięte pod
uwagę określone czynniki co prowadzi do wyboru metody zwanej Alternating Pulse
Modulation (APM). Najważniejsze czynniki:
•
Sygnał informacyjny nałożony na źródło napięcia dla sensorów i aktuatorów musi być
niezależny od natężenia prądu;
•
Transmiter slave’a (i wedle możliwości mastera) musi być zdolny do przesyłu sygnału w
prosty sposób (tani i nie wymagający dużej ilości nadmiarowych danych);
•
Odkąd kabel AS-i posiada impedancję rosnącą znacząco wraz ze wzrostem
częstotliwości pracy, sygnał informacyjny musi być relatywnie wąskopasmowy (narrow-
banded);
•
Wysokie wartości zakłóceń są nieakceptowalne.
Jeśli impulsy napięcia są zbliżone do sin
2
, wymagania limitu częstotliwości i niskich
szumów emisji są spełnione jednocześnie. Jest to uczynione dzięki odpowiedniemu
kształtowi impulsów prądowych mastera, które są generowane jako całka z sin
2
. Używając
procedury modulacji i dostępnych topologii, czasy na jeden bit wynoszące 6µs są możliwe,
co pozwala na uzyskanie całkowitej prędkości transmisji 167 kbit/s.
W sytuacji, gdy przewody nie mają na końcach rezystorów (terminators), sygnały
informacyjne mają duże wariacje amplitudy. AS-i reprezentuje ekstremalnie stabilny
system zdolny do poradzenia sobie z problemem powodowanym przez odbicie na końcach
przewodów, które osiąga wysokie częstotliwości.
Alternating Pulse Modulation (APM), a procedure for serial transmission in the base band. The bit
sequence is first encoded into a bit-sequence that performs a phase change whenever the signal
changes (Manchester coding). The result is a send current that in conjunction with the single inductor in
the system uses differentiation to generate the desired signal voltage level on the AS-i cable.
Each rise in the send current thus results in a negative voltage pulse and each drop to a positive voltage
pulse. In this way it is quite simple to generate signals in the slaves that have a higher voltage than
their actual supply voltage. This eliminates inductors from the slaves and keeps the integrated
electronics small and inexpensive. On the receiver side these voltage signals are detected on the line
and converted back into the send bit- sequence. The receiver synchronizes itself with the first detected
negative pulse, which it interprets as a start bit of message.
Uruchomienie
W trakcie operacji uruchomienia
skanowanie sieci wykrywa obecne
urządzenia i aktywuje je. W fazie
detekcji (detection phase) master
wysyła żądania odczytu konfiguracji
I/O i kodów ID slave’ów, jeden
po drugim.
Slave’y,
które odpowiedziały
na wszystkie
żądania są umieszczone w tabeli
„List of Detected Slaves (LDS)”.
Ich konfiguracja I/O i kody ID
są przechowywane w „Configuration
Data Image” (CDI). W fazie aktywacji
tryby pracy mastera są nazwane
następująco: „Configuration mode”
(także zwanym “project” mode);
„Protected mode”.
Uruchomienie
cd.
W
trybie
„configuration
mode”
wszystkie
wykryte
slave’y
(z
wyjątkiem
adresu
zero)
są aktywowane
przez
żądanie
"Parameter Request", gdzie wszystkie
parametry wyjść slave’ów są wysłane
i żądanie “Data Request” do
odpowiadających portów slave’ów.
Jeśli slave odpowiada prawidłowo na
te dwa żądania jest aktywowany i
zapisany w LAS. W trybie „protected
mode” tylko wykryte slave’y zawarte
jednocześnie w „List of Projected
Slaves” (LPS) i których konfiguracja
I/O i kody ID zgadzają się z wysłaną
konfiguracją są aktywowane. Stąd
master wymienia dane tylko z pre-
konfigurowanymi slave’ami. Na końcu
fazy „activation phase” sprawdza się
czy nominalna (detected) i aktualna
konfiguracja (projected) zgadzają się,
aɢnastępnie flaga „Config OK” jest
ustawiona. Rysunki ilustrują stan
mastera w trakcie uruchamiania.
Praca
Podstawowe parametry
• Protokół sieci: master/slave z jednym masterem i 31 slave (v.2.1- 62)
• Typ dialogu: cykliczne odpytywanie przez mastera
• Czas cyklu odświeżania: 5 ms dla 31 urządzeń, 10 ms dla 62
• Liczba punktów przyłączeniowych: 31 lub 62, po 4 wejścia i 4 wyjścia binarne
na punkt ( 3 wyjścia dla 62 slave)
• 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
• Częstotliwość 167 kHz, czas przesyłu bitu 6 µs, czas przesyłu ramki 156 µs
• Kompatybilność: Sensory i Aktuatory pochodzące od różnych producentów
mogą być łączone do standardowego szeregowego interfejsu;
• Procedura dostępu: Cykliczne skanowanie, sieć z jednym masterem;
• Adresowanie: Slave-y otrzymują stały adres od Mastera albo manualnie;
• Topologia: bez konkretnych ograniczeń (liniowa, okrąg, gwiazda , drzewo);
Podstawowe parametry –
cd.
•Przewód: Dwie nieekranowane, proste żyły przewodu (2 x 1,5 mm²) dla danych
i prądu (zwyczajowo 24 Vdc, 30 Vdc), typowo do 200 mA na slave, do 8A na
fizyczną sieć;
•Szybka instalacja: Interfejs elektromechaniczny (piercing technology);
•Wykrywanie błędów: Detekcja i retransmisja niepoprawnych paczek danych;
•Funkcje mastera: Cykliczne skanowanie slave, Wysyłanie danych do slave
i do sterownika (PLC lub PC), Uruchomienie sieci, Identyfikacja slave i diagnostyka
danych. Również: raportowanie błędów do kontrolera i adresowanie zmienionych
slave’ów;
•Zawory płynów: Instalowane bezpośrednio w miejscu aplikacji, co redukuje ilość
przewodów i zwiększa szybkość reakcji aktuatorów;
•Niski koszt: Koszt podłączenie kolejnych slave niski, eliminacja modułów
wejściowych i wyjściowych PLC;
•Niezawodność: Wysoki poziom niezawodności operacyjnej w trudnych warunkach;
•Otwarty standard: AS-i International Association standaryzuje protokół;
•Opcjonalne: zewnętrzne żródło energii elektrycznej i kontrola zatrzymania układu.