Průmyslová komunikační síť AS-interface

Průmyslová komunikační síť AS-interface

Příspěvek se zabývá systémovým pohledem na moderní, perspektivní a zároveň osvědčený průmyslový komunikační systém AS-interface. Je to celosvětově rozšířený standard pro komunikaci mezi snímači a akčními členy na první úrovni řízení strojů, výrobních linek a technologických procesů, jenž je určen především pro aplikace s převahou binárních signálů a logického řízení. Cílem článku je seznámit technickou veřejnost se základy technického řešení systému. Proto je na četných obrázcích vysvětlen princip řešení jeho jednotlivých komponent. Zmíněny jsou také přednosti průmyslové komunikace prostřednictvím sběrnice AS-interface a perspektiva tohoto řešení. Nedávno založené sdružení AS-interface Česká republika bude v podobě odborných i aplikačně orientovaných článků v tomto časopise a na internetových stránkách www.as-interface.cz pokračovat v popularizaci zmíněného komunikačního systému.

1. Úvod

Průmyslový komunikační standard AS-interface (AS-i) oslaví v tomto roce deset let od použití prvních systémů. Zatímco ve vyspělých západoevropských zemích i na severoamerickém kontinentu počet výrobců komponent i uživatelů tohoto systému stále roste, v České republice proniká do praxe velmi pomalu a nevýrazně, jako ostatně všechny průmyslové komunikační systémy. Jedním z důvodů může být i nedostatečná informovanost technické veřejnosti o výhodách řešení průmyslové komunikace při použití AS-i. Před krátkou dobou bylo založeno Sdružení AS-interface Česká republika, sídlící na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. To si mj. klade za cíl systém AS-i popularizovat a kvalifikovaně informovat technickou veřejnost o jeho principiálním uspořádání, přednostech a omezeních, typických oblastech použití, ekonomickém přínosu uživatelům systému a dalších aspektech průniku zmíněné sériové sběrnice do automatizace strojů, výrobních linek a technologických procesů. Předkládaný příspěvek je prvním krokem v tomto procesu.

2. Požadavky na komunikaci na úrovni snímačů a akčních členů

V této kapitole jsou uvedeny základní požadavky, které vedly ke vzniku sítě AS-i a které zároveň určují její základní technické vlastnosti jako systému.

Snímače a akční členy od různých výrobců spolu musí na první úrovni řízení výrobních zařízení a technologických procesů komunikovat po společné dvouvodičové digitální sériové sběrnici. Topologie sítě, od sběrnice až po strom, musí být velmi obecná. Přenos signálů i napájení musejí probíhat po jediném společném vedení. Je nutné, aby systém byl velmi odolný proti elektromagnetickému rušení a měl krátkou dobou odezvy, umožňující realizovat řízení v reálném čase. Protože typicky jde o přenos dat ze snímačů k akčním členům, a to se zvláštním zřetelem na použití v systémech logického řízení, postačuje datová část zpráv s délkou pouhé tři až čtyři bity. Způsob připojení stanic musí být jednoduchý, spolehlivý a levný.

Na základě těchto požadavků vznikla před více než deseti lety první verze průmyslového komunikačního standardu AS-i s těmito parametry:

• komponenty AS-i jsou navzájem plně interoperabilní, tzn. že spolu v síti AS-i musí bez jakýchkoliv problémů komunikovat při záruce vzájemné zaměnitelnosti komponent různých výrobců,

• síť je řízena způsobem master-slave s jednou nadřízenou stanicí (řídicí stanice, master) a až 31 (62 podle specifikace verze 2.1) aktivními podřízenými stanicemi (řízená stanice, slave),

• zprávy se v síti AS-i přenášejí na principu cyklického vyzývání,

• doba trvání cyklu sítě nesmí překročit 5 ms (10 ms podle specifikace verze 2.1): za tuto dobu se dostanou data od snímačů do řídicí stanice a povely z řídicí stanice do akčních členů (při menším počtu řízených stanic je doba cyklu kratší),

• ke každé aktivní řízené stanici lze připojit až čtyři binární vstupní nebo výstupní pasivní prvky (spínače, binární výstupy) nebo jejich kombinace;

• fyzické přenosové médium je nestíněný nekroucený dvoužilový kabel s izolací zvláštním způsobem profilovanou, umožňující snadnou, spolehlivou a rychlou montáž a přenos signálů i napájení,

• systém vykazuje velkou míru elektromagnetické slučitelnosti a vysoký stupeň krytí (IP67 i při odpojení stanic),

• vedle přenosu dat systém umožňuje také parametrizovat a adresovat řízené stanice, indikovat jejich stav (status) a síť automaticky konfigurovat;

• maximální délka sběrnice v síti je 100 m; delší vzdálenosti jsou překonatelné při použití opakovače (repeater);

• signály z analogových snímačů a k analogovým akčním členů je možné přenášet v několika cyklech sítě (specifikace AS-i verze 2.1 umožňuje snadno připojit a přenášet i větší počet analogových signálů);

• systém AS-i podle specifikace verze 2.1 má posílenou funkci vnitřní diagnostiky.

3. Princip sítě AS-i

Principiální schéma sítě AS-i je na obr. 1. Základem přenosového podsystému AS-i je přenosové médium s různou topologií od hvězdy, přes sběrnici s krátkými odbočkami až po strom či kruh. Po dvoudrátovém vedení se přenášejí jak data, tak i napájení. Dále jsou součástmi přenosového podsystému napájecí zdroj a oddělovací obvod pro oddělení datových signálů od napájení. Napájet podřízené stanice s větší spotřebou, než povoluje specifikace (maximálně 8 pro celou síť), je možné separátním profilovaným nestíněným nekrouceným kabelem (černé provedení). Řízené stanice komunikují s vlastními snímači a akčními členy prostřednictvím plně specifikovaného rozhraní 1. Řídicí stanice (master) komunikuje s nadřízeným systémem (host) za účelem předávání dat z procesu a přijímání řídicích povelů pro celý segment sítě AS-i přes rozhraní 3. Standard AS-i plně specifikuje také rozhraní 2, přes které komunikuje řídicí stanice s podřízenými při přenosu dat i pro parametrizaci, adresování, diagnostiku apod. Celý systém doplňují opakovače, prodlužující dosah sběrnice (základem je již uvedených 100 m), a přístroje pro programování (ruční konzola), monitorování a další obsluhu sítě. Možné topologie sítě AS-i ukazuje obr. 2.

4. Modulace signálů

Pro dostatečné zabezpečení sítě při použití nestíněného a nekrouceného kabelu je použita modulace signálu na principu AMP (Alternating Pulse Modulation – viz obr. 3). Jde o způsob vhodný pro sériový přenos dat v základním frekvenčním pásmu.

Vysílaný proud bitů je nejprve kódován kódem Manchester (MAN). Ze získané posloupnosti je generován proudový signál reagující na každou změnu úrovně napětí v kódu MAN. V důsledku indukčnosti vedení AS-i se vytvořený proudový signál transformuje na napětí. S každým nárůstem proudu ve vedení vznikne záporný a s každým jeho poklesem kladný impuls napětí. Tak mohou jednotlivé stanice generovat napěťové impulsy i větší amplitudy, než je napěťová úroveň napájecího zdroje. Zároveň odpadá potřeba indukčností v řízených stanicích, což umožňuje miniaturizovat elektroniku stanic a snížit ceny. Na přijímací straně jsou napěťové signály ze sběrnice snímány a rekonstruovány ve sled bitů. Přijímač se synchronizuje příchodem prvního negativního impulsu, který se interpretuje jako spouštěcí (START) bit. Napěťové impulsy mají z důvodu zabezpečení proti rušení tvar sin2. Proto jsou i proudové impulsy generovány jako integrál pulsu tvaru sin2. To je patrné i z obr. 3. Tímto způsobem lze zaručit bitovou periodu sítě AS-i v trvání asi 6 s.

5. Metoda přístupu

Pro potřeby jednoduché sériové sítě určené pro úroveň snímačů a akčních členů se jeví jako nejvhodnější metoda přístupu master-slave s cyklickým vyzýváním (cyclic polling). Řídicí stanice (master) posílá telegram s adresou určenému příjemci a ten ve stanovené době odpovídá. V daném okamžiku je tedy aktivní vždy jen jedno spojení mezi řídicí stanicí a jednou z 31 (62) podřízených stanic. Výstavba sítě a podřízených stanic je tudíž jednoduchá a její realizace, i při zachování dostatečné flexibility, levná. Je např. možné kombinovat v jednom cyklu přenos dat a zaslání parametrů jednotlivé řízené stanici bez prodloužení periody cyklu nebo opakovat výzvu podřízené stanici, která neodpovídá, apod. Vedle toho je perioda cyklu určena skutečným počtem připojených řízených stanic, takže lze v časově kritických aplikacích dosáhnout periody cyklu kolem 1 ms. Řídicí stanice také může při krátkodobém rušení opakovat porušené zprávy apod. Síť vykazuje přenosovou rychlost až 167 kb/s celkem (tj. čistých 53,3 kb/s dat).

6. Tvar zpráv

Jako komunikační prostředek určený pro nejnižší úroveň řízení disponuje AS-i jen osmi druhy zpráv. To opět vede k velké spolehlivosti, jednoduchosti a tím k malým nákladům na přenos. Na obr. 4 je ukázána časová struktura zpráv podle standardu AS-i. Jednotlivá zpráva je vždy tvořena posloupností výzva od řídicí stanice – mezera – odpověď řízené stanice – přestávka ve vysílání. Poté následuje stejná sekvence cyklického vyzývaní s další řízenou stanicí.

Délka výzvy řídicí stanice je čtrnáct bitových intervalů a každé odpovědi řízené stanice maximálně sedm těchto intervalů. Délka mezery po výzvě od řídicí stanice může dosahovat tří až deseti bitových intervalů. Řídicí stanice vysílá tyto druhy zpráv: žádost o data (nejčastější a nejdůležitější), přenos parametrů, nové spuštění (reset) řízené stanice, obnovení adresy, čtení konfigurace I/O, čtení identifikačního kódu, čtení stavu (status).

7. Řízená stanice (slave) systému AS-i

Základním elektronickým prvkem systému AS-i je zákaznický integrovaný obvod (Application Specific Integrated Circuit – ASIC), který zajišťuje především přenos dat z řízených stanic (slave) do řídicí stanice (master) i popř. naopak (u řízených stanic typu akční člen). Realizuje také rozhraní 1 a 2 (obr. 1) a umožňuje komunikaci po síti AS-i. Je dostatečně miniaturní, aby mohl být přímo zabudován (spolu s pamětí, krystalem a přizpůsobovacími obvody) i do vlastních snímačů a akčních členů. Obecné řešení řízené stanice s ASIC je na obr. 5.

Vlastní řízené stanice se v systému AS-i vyskytují jako moduly ve dvou základních podobách.

Na obr. 6 je principiální schéma modulu řízené stanice s ASIC umožňující připojit k síti AS-i až čtyři binární snímače anebo akční členy či jejich kombinaci. K jednomu segmentu sítě AS-i může být připojeno celkem až 248 binárních snímačů a akčních členů (podle specifikace verze 2.1 až 248 vstupů a 186 výstupů). Řízené moduly sítě AS-i zajišťují také napájení pasivních snímačů a akčních členů.

Druhá základní podoba řízené stanice systému AS-i je na obr. 7. V tomto případě je ASIC umístěn spolu s pamětí EEPROM (pro komunikační protokol a funkci řízené stanice) přímo ve snímači nebo akčním členu. Takové prvky systému AS-i jsou označovány jako inteligentní snímače a inteligentní akční členy. Inteligentní řízený prvek AS-i, který využívá až čtyři parametrizační vstupy ASIC, může být parametrizován a diagnostikován (např. v aplikaci podle obr. 7 se parametrizační vstup P0 využívá k připojení funkce watchdog za účelem testování komunikace). Celkem může být ke sběrnici připojeno až 31 inteligentních prvků (62 podle specifikace verze 2.1).

8. Systém zabezpečení zpráv

Systém zabezpečení zpráv je u AS-i vybudován na jiném principu než u vyšších průmyslových sítí (fieldbus). Důvodem jsou velmi krátká datová pole zpráv (čtyři bity) na rozdíl od dlouhých datových bloků vyšších sítí. Řídicí stanice musí zabezpečit blok dat délky jedenáct bitů a řízená stanice dokonce jen čtyři bity. Kdyby se tato data měla zabezpečovat standardními mechanismy sériového přenosu dat při požadované HD = 4 (Hamming distance, Hammingova vzdálenost kódu), prodloužil by se telegram řídicí stanice o sedm bitů a odpověď řízené stanice o čtyři bity. Tím by výrazně klesla efektivita přenosu. Proto je každá výzva řídicí stanice testována na množinu celkem sedmi možných chyb přenosu. V případě výskytu chyby se řízená stanice uvádí do asynchronního stavu (ASYNC) a čeká na další přestávku. V ní přechází do stavu PRIJEM pro přijetí případné opakované zprávy (obr. 8).

9. Řídicí stanice (master) systému AS-i

Řídicí stanice tohoto systému je poměrně složitý přístroj. Jeho vývoji byla věnována mimořádná pozornost. Zajišťuje fungování celého systému při současné záruce velké spolehlivosti přenosu, a to včetně automatického konfigurování sítě a její diagnostiky i komunikace s nadřízeným systémem nebo vyšším komunikačním podsystémem (fieldbus nebo Ethernet). Řídicí stanice AS-i může být v podobě karty pro PC, karty pro programovatelný automat, jako samostatný modul (zpravidla s integrovaným jednoduchým programovatelným automatem) nebo jako brána (gateway) do komunikačního podsystému nadřazené úrovně. V případě brány se AS-i stává podřízenou sběrnicí složitějšího komunikačního a řídicího celku, přičemž funkce řídicí stanice směrem k síti AS-i nadále zůstává zachována.

Struktura řídicí stanice je naznačena na obr. 9. Je zřejmé, že specifikace dělí řídicí stanici do čtyř úrovní, které plně popisují její činnost od sběrnice až k nadřazenému systému. Jednou z nejdůležitějších činností na všech úrovních je nalézat a opravovat chyby při přenosu zpráv. Nejnižší úroveň (úroveň fyzického přenosu) realizuje prostý fyzický přenos dat. Nad ní se nacházejí přenosová úroveň, reagující na chybu automatickým opakování zprávy, a úroveň řízení přenosu, která vykonává všechny funkce řídicí stanice (master), zajišťuje automatické adresování řízených stanic (slave) a transformuje příkazy nadřazené úrovně dolů do přenosového podsystému. V úrovni řízení přenosu jsou vedle standardního cyklického režimu činnosti řídicí stanice řízeny také její inicializace a náběh. Činnost řídicí stanice v úrovni řízení přenosu je znázorněna na obr. 10.

10. Závěr

Použití sítě AS-interface (AS-i) ve strojích, výrobních linkách a při řízení vybraných technologických procesů přináší výhody především ve zkrácení doby potřebné na instalaci a oživení automatizačního systému a dále v podobě úspory nákladů na kabeláž, menšího počtu chybných spojů, zjednodušení dokumentace, větší spolehlivosti přenosu signálů, zkrácení dob výpadků a oprav apod. Plyne to z povahy velmi dobře navrženého, ověřeného a provedeného komunikačního systému, za nímž stojí mnoholetá zkušenost a kvalita práce výrobců jeho komponent, kterými jsou od počátku všichni významní evropští výrobci snímačů a akčních členů pro průmyslovou automatizaci.

Dalšími argumenty ve prospěch hromadného použití techniky AS-i nejen v nových projektech, ale i při rekonstrukcích již existujících zařízení jsou menší rozměry inteligentních senzorů, vysoký stupeň krytí i při odpojených komponentách a velmi dobrá odolnost sítě proti rušení. Pro její jednoduchost a pozici na úrovni jednotlivých inteligentních i konvenčních pasivních binárních senzorů a akčních členů není perspektiva AS-i nijak ohrožena ani nástupem Ethernetu a internetové techniky, jak tomu je u vyšších průmyslových sběrnic. Právě naopak lze předpokládat, že AS-i bude tvořit vhodný doplněk k nastupující generaci průmyslových komunikačních systémů využívajících internet.

Nová verze AS-i (specifikace verze 2.1) umožňuje připojit k novému typu řídicí stanice AS-i až 62 řízených stanic. Spolu s nárůstem počtu řízených stanic nabízí nová specifikace dokonalejší podporu analogových uzlů typu řízených stanic (D/A a A/D převodníky) a dokonalejší vnitřní diagnostický systém. Maximální doba jednoho cyklu je, vzhledem k dvojnásobnému počtu řízených stanic, delší, ale stále ještě se i při plném počtu 62 aktivních řízených stanic pohybuje pod hranicí 10 ms. Podobně jako u předchozí verze je i zde nutné k přenosu analogových signálů použít několik cyklů sítě.

doc. Ing. František Zezulka, CSc.,
Ing. Ondřej Hynčica,
UAMT FEKT VUT v Brně,
AS-interface Česká republika
(info@as-interface.cz)