Aktor-Sensor-Interface Bus

Die Abkürzung für Aktor-Sensor-Interface ist AS-i. Aktoren und Sensoren sind überwiegend einfache Buskomponenten. für den Betrieb eines Anlageprozesses nötig, da sie Bit-Signale erfordern oder liefern. Interface bedeutet so viel wie Kopplungselektronik. Diese wird in Form eines einfachen Bussystems mit einem aktiven Busmaster und reaktiven Bus-Slaves bei AS-i angeboten. Die Bus-Slaves gibt es als Buskomponenten für den externen Anschluss von konventionellen Aktoren oder Sensoren und als Buskomponenten mit integrierten Aktoren oder Sensoren. Für besondere Funktionen durch Bezugsmöglichkeit beschaltbarer AS-i-Chips (ASICs) erlaubt AS-Interface auch die Eigenentwicklung für Slaves. Für die Funktion des Kommunikationssystems sorgt nur der Busmaster. Darüber hinaus verfügt er über eine Ankopplung zu einem Steuerungsgerät, das für die Steuerungslogik (Programm) zuständig ist. über eine besondere Zweidrahtleitung wird die Verbindung zwischen den Buskomponenten hergestellt. Dafür, dass eine genaue spezifizierte Gleichspannung über eine Daten-Entkopplungsinduktivität in das Bussystem einspeist wird, ist zusätzlich noch ein AS-i-Netzteil erforderlich.
Es gibt mehrere Möglichkeiten für die Verbindung des AS-i-Masters mit dem nicht zum Bussystem zählenden Steuerungsgerät, auch Host (Wirt) genannt:

  • Stand-alone-Lösung: Im Gehäuse des AS-i-Masters ist eine Steuerung mit untergebracht. Ein solches Kombigerät hat zwei Schnittstellen: Die AS-i-Bus-Schnittstelle und die Programmier-Schnittstelle zum Anschluss eines Programmiergerätes (PC).
  • Eine Masteranschaltung wird in Form eines Kommunikationsprozessors über den Rückwandbus in ein SPS-System integriert.
  • Eine AS-i-Masteranschaltung wird in ein Gateway integriert. Die AS-i-Daten werden dabei einem übergeordneten Feldbussystem bzw. Netzwerk zur Verfügung gestellt. Möglichkeiten hierbei sind: PROFIBUS DB, InterBus, Modbus, DeviceNet, CANopen oder Ethernet.
  • Eine AS-i-Masterschaltung wird in Form eines Kommunikationsprozessors als Netzwerkkarte in ein PC-System integriert. Als Software ist der AS-i-Treiber zur Ansteuerung der Netzwerkkarte erforderlich sowie eine AS-i-Library für die Masterstufe. Das Anwenderprogramm wird in einer Hochsprache geschrieben und kann durch die Funktionen der Library mit dem AS-i-Treiber kommunizieren.

Netzwerk-Topologie

Die Verbindung von mehreren Geräten über ein Übertragungsmedium zum Zwecke der Datenübertragung ist ein Netzwerk.
Die Topologie eines AS-i-Netzwerkes ist als Linien-, Stern- oder Baumstruktur. Diese kann frei gewählt und den örtlichen Anforderungen angepasst werden. Leitungs-Abschlusswiderstände sind nicht erforderlich (offen bleibende Leitungen sind erlaubt). Im konventionellen AS-i-System darf die Summe aller Leitungslängen 100 m nicht überschreiten und die Anzahl der Slaves kann maximal 31, bei Verwendung von Slaves mit erweitertem Adressierbereich maximal 62 sein.

Übertragungsverfahren

Zur Übertragung von Datentelegrammen in bitserieller Form und gleichzeitiger Übertragung eines Gleichspannungspegels für die Elektronik der angeschlossenen Slaves steht die AS-i-Leitung zur Verfügung. Diese müssen gleichstromfrei sein, damit sie den Gleichspannungspegel nicht durch die überlagerten Datentelegramme verändern. Es wird ein besonderes Codierungs- und Modulationsverfahren angewendet, weil der arithmetische Mittelwert einer Bitfolge von 1-0-Signalen unterschiedliche Werte haben kann und es können somit aus der 1-0-Bitfolge des Senders geeignete gleichstromfreie und wenig Frequenzband beanspruchende Leitungssignale erzeuget werden. Zur Basisband-Übertragung verwendet das AS-i-System die Manchester-II-Codierung und die sogenannte Alternierende Puls Modulation (APM). Dabei wird, in Verbindung mit einer im System nur einmal vorhandenen Induktivität L, ein Sendestrom erzeugt, der die gewünschten Signalspannungspegel über die Induktionswirkung in der Spule bildet (Stromänderungen in der Spule erzeugen Induktionsspannungen an den Spulenklemmen).

AS-i-Leitung

Eine elektrische Zweidraht-Flachbandleitung, ungeschirmt und nicht verdrillt, mit besonderer Geometrie für eine verpolsichere Installation mit Durchdringungstechnik für einfachste Montage, ist das hauptsächlich verwendete Übertragungsmedium des AS-i-Systems.

Zugriffssteuerung

Im Basisband-Übertragungsverfahren kann auf der Busleitung zu einem Zeitpunkt immer nur ein Telegramm übertragen werden. Die vorhandene Übertragungskapazität müssen sich alle Busteilnehmer zeitlich teilen, da sie notwendigerweise Telegramme senden und empfangen dürfen. Die dazu prinzipiell geeigneten Verfahren sind Methoden der Buszugriffssteuerung.
Im AS-i-System wird das Master-Slave-Zugriffsverfahren mit zyklischem Polling angewendet:

  • Selbständiges Zugriffsrecht (Rederecht) für die Benutzung des AS-i-Busses hat nur der Master.
  • Slaves bekommen das Rederecht nur nach Aufforderung zum Antworten kurzzeitig erteilt. Von sich aus können Slaves nicht auf den Bus zugreifen, um ein Telegramm abzusetzen.
  • Polling ist ein zyklisch arbeitendes Abfrageverfahren, bei dem der Master seine Slaves der Reihe nach anspricht, um ihnen Daten zu liefern und von ihnen Daten einzusammeln. Wenn alle Slaves einmal angesprochen worden sind, beginnt der Vorgang wieder neu. Das bedeutet für das AS-i-System, dass eine kalkulierbare Zeitspanne vergeht bis der Master über den Signalzustand seiner Slaves aktuell informiert ist. Ist diese Zeitspanne klein gegenüber der kritischsten Reaktionszeit des Anlagenverfahrens, so ist dies hinnehmbar. Im AS-i-System beträgt diese Zykluszeit bei 31 Slaves maximal 5 ms, d. h., ein AS-i-Slave wird mindestens 200-mal in der Sekunde angepollt.

Aufbau einer AS-i-Nachricht

Eine AS-i-Nachricht setzt sich zusammen aus einem Masteraufruf, einer Masterpause, einer Slave-Antwort sowie einer Slave-Pause. Das Telegramm des Masteraufrufs umfasst 14 Bit, die Slave-Antwort nur 7 Bit. aus einer Übertragungsrate von 167 kBit/s ergibt sich Die Zeitdauer eines Bits, die ca. 6 µs beträgt. Auch die Pausenzeiten sind wichtig und werden überwacht.
Fünf Adressbits erkennt man Im Mastertelegramm, womit sich 2⁵=32 Slave-Adressen unterscheiden lassen.Im konventionellen AS-i-System stehen die Adressen 1 bis 31 für die Slaves zur Verfügung, da alle Slaves im Auslieferungszustand die Adresse 0 haben. Nur vier Informations-Bits 10…13 sind zur Übertragung von Daten im Master-Aufruf und der Slave-Antwort vorgesehen. Das fünfte Informations-Bit 14 wird nur bei der Übertragung von Parameter-Daten verwendet, beispielsweise zur Änderung einer Slave-Adresse. Gekennzeichnet ist der Telegramm-Anfang durch das Start-Bit ST (immer „0“) und das Telegrammende wird mit einem Ende-Bit EB (immer „1“) abgeschlossen. Im Vergleich zu anderen Bussystemen hat das AS-i-Master-Telegramm ein günstiges Verhältnis von Nutzdaten (4 Bit) zu Rahmendaten (10 Bit).

AS-i-Telegrammaufbau

Datenfelder und Listen beim Master

Um die Kommunikation mit den Slaves zu steuern und zu überwachen, verfügt der AS-i-Master über eine Ablaufkontrollebene. Darin sind enthalten:

  • Datenfeld zur Aufnahme des Eingangs- und Ausgangsdaten-Abbildes der Slaves.
  • Datenfeld zur Aufnahme eines Konfigurationsdaten-Abbildes der Slaves. Die Konfigurationsdaten beinhalten den ID-Code und die E/A-Konfiguration der Slaves. Mit diesen beiden Codezahlen, die durch Normung der AS-i-Profile entstanden sind, kennt der Master seine Slaves wie über ein Datenblatt.
  • Datenfeld für die Parameter der Slaves. Jeder AS-i-Slave hat zusätzlich zu den Datenbits für die maximal vier binären Eingänge und Ausgänge noch vier Parameterbits zur Fernbeeinflussung von Slave-Eigenschaften. Die Bedeutung der Parameterbits muss im Slave-Datenblatt beschrieben sein, z. B. Öffner-Schließer-Verhalten eines Kontaktes. Nicht alle Slaves können in ihren Eigenschaften durch Parameterbits beeinflusst werden.
  • Liste der projektierten Slaves (LPS), Liste der am AS-i-Bus erkannten Slaves (LES) und Liste der aktivierten Slave (LAS). Ein Slave wird vom Master nur aktiviert, wenn er in den beiden anderen Listen erscheint, d. h., wenn er projektiert und erkannt ist. Ein Slave der nicht projektiert (nicht vorgesehen) ist aber erkannt (am Bus vorhanden) ist, kann im Betriebsmodus nicht aktiviert werden.