white space

As-i bus

1 Inleiding


Figuur 16: As-i logo

AS-i bus (Actuator and Sensor Interface) is een ontwikkeling van een consortium van Europese fabrikanten van sensoren, actuatoren, PLC’s en kabelsystemen. Deze fabrikanten zijn verenigd in de AS-i association. De rol van deze vereniging is het internationaal promoten van het AS-interface concept, het waarborgen van een constante stroom van de laatse informatie op het gebied van AS-i ontwikkelingen, het beschrijven van de AS-i product profielen en specificaties, het testen en certificeren van nieuwe AS-i producten en het toezicht houden op de ontwikkelingen binnen de AS-i standaard.
Fabrikanten van sensoren, actuatoren, PLC’s en kabels systemen die apparatuur voor AS-i willen produceren en zich aan het AS-i concept houden kunnen hun producten laten testen en certificeren door de AS-i association. Bij certificering van de apparatuur mag het AS-i logo op de producten gevoerd worden.

2 Hoofdaspecten AS-interface

De doelstellingen van AS-i zijn: het verminderen van de bekabeling, het verbeteren van de mogelijkheden tot systeemintegratie en het verhogen van de flexibiliteit. Hierdoor nemen de kosten voor de installatie en onderhoud af.
Het AS-i systeem is gebaseerd op het master-slave principe. De master vraagt hierbij binnen een cyclustijd van 5 sec. alle slaves af.
De opbouw van het net met slaves is overzichtelijk en sluit bedradingfouten vrijwel uit. Met een speciaal ontwikkelde gele kabel zijn de slaves door middel van een prikklem rechtstreeks op de kabel te prikken.
Het is mogelijk de slaves later weer te verwijderen omdat de kabel zelfafdichtend is.
Het systeem is flexibel omdat de topologie vrij is.


Figuur 17: As-i kabel

Het netwerk voorziet ook in de energievoorziening van de sensoren en actuatoren, waardoor er zeer compacte componenten gebruikt kunnen worden. Alleen wanneer deze componenten teveel energie vragen kan een aparte voeding en een zwarte AS-i voedingskabel toegepast worden. AS-i is als systeem opgezet, zodat kabels, connectoren, behuizingen en dergelijke gestandaardiseerd zijn.
De beschikbaarheid en betrouwbaarheid van het systeem zijn hoog. Fouten worden meteen herkend door een continue bewaking van het net. De sensoren en actuatoren kunnen zichzelf testen.
Door het gebruik van koppelingen of gateways is AS-i ook te koppelen met netwerken van hogere orde. Het AS-i systeem is ongevoelig voor elektrische storingen van buitenaf.

3 Kenmerken

AS-i bus heeft een aantal specifieke eigenschappen:

  • Cyclustijd < 5 ms.
  • Master-slave protocol
  • 1 master
  • maximaal 31 slaves (t/m 124 binaire sensoren en actuatoren)
  • externe, elektromagnetische adres instelling.
  • Topologie vrij
  • Verbindingslengte van de AS-i kabel is maximaal 100 m (bij grotere lengte repeater nodig)
  • Onafgeschermde 2 draadsverbinding voor data en stroomvoorziening
  • Directe intergratie in digitale sensoren en actuatoren
  • Lage kosten per aansluiting op de AS-i bus.

4 Hoofdcomponenten

Het AS-i systeem is gebaseerd op twee technologieën: een set ASIC’s (Application Specific Integrated Circuits) en een speciale AS-i kabel.
De ASIC bevat alle logica die nodig is voor de communicatie tussen de master en de slaves. Bij elk AS-systeem is er altijd maar één master en kunnen er maximaal 31 slaves worden aangesloten. Met logica in de ASIC is het ook mogelijk een component te controleren op de juiste werking, een voorinstelling te geven of de gevoeligheid van een sensor in te stellen. Deze ASIC’s zijn compact uitgevoerd en kunnen daarom in sensoren, actuatoren, enz worden ondergebracht. Componenten zonder deze logica zijn passieve componenten en dus geen slaves.
Er zijn verschillende AS-i modules:

Voedingsmodule
De twee aderige AS-i kabel levert de voedingsspanning voor de slaves en de daarop aangesloten sensoren en actuatoren. Ook wordt er over deze kabel informatie tussen master en slaves uitgewisseld. Om de informatie van de voedingsspanning de scheiden is in de voedingsunits een ontkoppelcircuit ingebouwd. Een AS-i voeding levert een spanning van 30 VDC en kan een stroom leveren van 3 tot 5 A. Er zijn ook voedingsunits in de handel die ook een spanning van 24 VDC kunnen leveren voor de voeding van actuatoren.
De AS-i draden mogen niet met de aarde verbonden worden.

Master module
De master module bevat de elektronica die nodig is om de AS-i bus de beheren. Er zijn drie verschillende bus master profielen:

Figuur 18: master profielen
  Type profiel Functionaliteit
Minimum profiel M0 Lezen en schrijven van I/O data.
Beperkt profiel M2 Lezen en schrijven van I/O data.
Modificeren van slave parameters.
Compleet profiel M1 Lezen en schrijven van I/O data.
Modificeren van slave parameters.
Diagnose en systeemtest.
Controleren van de aanwezigheid van de slaves.

De benodigde elektronica kan in een PLC ingebouwd zijn of in een aparte module ondergebracht worden. Wanneer dat laatste het geval is wordt de module een gateway genoemd. Bij het toepassen van een gateway is er ook een verbinding met de PLC of PC nodig. Deze verbinding kan ook een ander bussysteem zijn.
De master bepaald alles wat er op de bus gebeurt. De master stuurt een vraag of een opdracht naar de slave naar een adres. De slave met dat adres stuurt zijn antwoord of opdracht bevestiging terug. Voor dit proces is ongeveer 150 μs nodig. Dit gebeurt bij alle slaves.

Slave module
Elke slave die op de AS-i bus is aangesloten heeft een eigen ID en zijn input/output configuratie (I/O code). Hieraan kan de master zien met wat voor een slave hij te maken heeft.


Figuur 19: slave ID

AS-i kabels


Figuur 20: As-i kabel

Er zijn twee speciale kabels ontworpen voor de AS-i bus. De meest gebruikte is de gele platte kabel. De eigenschappen van deze kabel zijn:

  • Aantal aders 2 x 1.5 mm2
  • Type DIN VDE 0295, klasse 6
  • Kleur: AS-i + bruin
  • Kleur: AS-i - blauw
  • Nominale spanning 300 V
  • Testspanning 1.5 kV
  • Handelslengte 100 m

Wanneer actuatoren een grotere stroom vragen dan 100 mA, moeten deze door middel van een aparte voedingskabel gevoed worden. Hiervoor zijn twee types beschikbaar:
Een zwarte kabel voor 24 VDC en een rode kabel voor 220 VAC. Beide hebben het zelfde profiel als de gele kabel.

Sensoren en actuatoren
Er zijn verschillende manieren om de sensoren en actuatoren op de AS-i bus aan te sluiten. Niet intelligente sensoren worden via een splitterbox aangesloten. Deze splitterboxes zijn er in uitvoeringen met 4 ingangen, 4 uitgangen, 2 ingangen en 2 uitgangen en 4 ingangen en 4 uitgangen.

Op deze manier is het mogelijk 124 sensoren en 124 actuatoren op de AS-i bus aan te sluiten.
De kabels van de sensoren en actuatoren worden met een M12 connector op de splitterbox aangesloten.
Intelligente sensoren en actuatoren bevatten zelf een ASIC en worden op de AS-i bus aangesloten met een T-connector.


Figuur 21: connector

5 Aanleg AS-i kabel

Installatievoorwaarden
Het is bij het aanleggen van de AS-i kabel van belang dat de kabel gescheiden van de sterkstroomkabels wordt aangelegd. De kabel moet op een geaard framewerk gemonteerd worden om aan de EMC voorwaarden te voldoen.
Het is bij grote installaties van belang dat de voedingsunit zoveel mogelijk in het midden van de AS-i kabel aan te sluiten. Hierdoor wordt de stroom naar twee richtingen verdeeld zodat het spanningsverlies aan de einden van de kabel lager is. Wanneer er een of meer slaves zijn moeten die zo dicht mogelijk bij de voeding aangesloten zijn. Het spanningsverlies over de kabel mag niet meer dan 3 V zijn.

Figuur 22: eigenschappen As-i kabels
As-i kabel 0,75 mm2 1,5 mm2 2,5 mm2
Lineaire weerstand 52 mW/m 26 mW/m 16 mW/m
Spanningsverlies in V/A per 100 m 5,2 V 2,7 V 1,6 V

In de meeste gevallen wordt er een kabel van 1.5 mm2 gebruikt.
Wanneer de AS-i voeding niet voldoet en er gebruik van een extra voeding gemaakt moet worden, wordt deze door middel van de zwarte AS-i kabel op de betreffende slaves aangesloten. De splitterboxes en de T-aansluitingen moeten eerst geplaatst worden voordat de kabel gelegd wordt.

6 Werking van de As-i bus

Datatransport
In de normale bedrijfsmode vindt de communicatie continu plaats in cyclus van maximaal 5 ms. wanneer alle slaves aangesloten zijn.
Tijdens de communicatie tussen de master en de slaves, zet de master een telegram van 14 bits op de bus, dan volgt er een korte pauze waarna de slave antwoordt met een telegram van 7 bits. Nu volgt de slave pauze. Nu zendt de master een telegram naar de volgende slave. Dit gaat zo door totdat alle slaves geweest zijn. Hierna begint de cyclus opnieuw.


Figuur 23: transportcyclus

Figuur 24: zend / ontvang cyclus

Wanneer de communicatie tussen de master en de slave mislukt, dan wordt het bericht direct herhaald. Komt er na de herhaalde poging nog geen antwoord dan zullen de gegevens van de slave in de master gewist worden.
Tijdens de communicatie kunnen er allerlei gegevens verzonden worden zoals:

  • Het schrijven van parameters naar actuatoren
  • Het lezen van de status van de sensoren
  • Het lezen van de slave configuratie
  • Het lezen van een slave adres
  • Resetten, enz.

Een commando bestaat uit:

  • Een startbit ST, deze is altijd 0
  • Een controle bit SB
  • 5 adres bits A0 t/m A4
  • 5 data bits I0 t/m I4
  • pariteits bit
  • eindbit EB, altijd 1

Het antwoordt van de slave bestaat uit:

  • Een startbit ST, altijd 0
  • 4 data bits I0 t/m I3
  • Een Pariteits bit
  • Een eind bit EB of stopbit, altijd 1

Figuur 25: master / slave communicatie

Signaalopbouw
Het ontkoppelnetwerk in de AS-i voedingseenheid bevat een spoel die stroompulsen omzet in spanningspulsen. Deze pulsen zijn het resultaat van een procedure die twee typen signalen combineert:

  • Digitaal signaal z.g.n. “Manchester” code

    Figuur 26: manchester code
  • Gemoduleerde sinus-vormig golfpatroon (sin2)

Door het gebruik van deze sin2 golfvorm worden hoogfrequente stoorsignalen uitgeschakeld. Hierdoor voldoet de AS-i bus aan de EN 5501.
De digitale code gebruikt een zelf synchroniserende techniek zodat er altijd een overgang is op een halve bittijd. Zo wordt er altijd een betrouwbaar signaal afgegeven.

7 Het toewijzen van een slave-nummer

Een gateway is een elektronische module die onder andere de communicatie verzorgt tussen netwerken met verschillende protocollen.
De AS-i gateway is voor de AS-i bus de master, maar voor het hoger liggende netwerk een slave Als slave krijgt de gateway een nummer van het hoger liggende netwerk. Hierdoor weet de master van het hoger liggende netwerk waar de slave te bereiken is. Het instellen van het slave nummer kan op de gateway gedaan worden.


Figuur 27: Flowchart instellen slave adres

8 Literatuuropgave?