AS-Interface

Логотип «Интерфейс»

AS-Interface или ASi (англ. Actuator Sensor Interface) — интерфейс датчиков и исполнительных устройств, а также название промышленной сети, предназначенной для подключения удалённых устройств ввода-вывода, таких как приводы, датчики, поворотные энкодеры, аналоговые входы и выходы, кнопки и датчики положения гидравлических или пневматических клапанов. Отличительной чертой сети AS-Interface является возможность использования одного двухжильного кабеля для обмена данными и подвода питания к датчикам и исполнительным устройствам, поэтому он является альтернативой монтажу, с помощью которого шкафы управления соединяются с удалёнными устройствами большим количеством проводов и контрольных кабелей. Благодаря новым методам соединения (методом прокалывания изоляции) устройства могут подключаться в любой точке сетевого кабеля. После удаления игольчатого коннектора оболочка кабеля восстанавливает свои изолирующие свойства.

AS-Interface можно использовать в качестве партнёрской подсети для сетей более высокого уровня, таких как Profibus и Industrial Ethernet. Начиная с конфигурации AS-i 2.11 сеть позволяет передавать аналоговые сигналы.

Существует профиль протокола для систем повышенной безопасности ASi-Safe. Устройства повышенной безопасности подключаются по тому же кабелю и поддерживают уровень безопасности согласно IEC 61508 вплоть до Safety Category 4 согласно европейскому стандарту EN 954-1.

История

В конце 1980-х — начале 1990-х годов инженеры, работающие в области разработки и эксплуатации систем управления оборудованием на базе вычислительной техники, столкнулись с необходимостью поиска альтернативы трудоёмкому и затратному кабельному монтажу. Для решения задачи упрощения структуры кабельного хозяйства был организован консорциум из 11-ти компаний, производителей промышленных бесконтактных датчиков.

В результате работы был предложен простой последовательный интерфейс, обеспечивающий передачу информации между дискретными датчиками и управляющим вычислительным устройством с использованием одного двухжильного кабеля. Первая действующая система была представлена на Ганноверской ярмарке в 1994 году, а первыми крупнейшими потребителями систем, построенных на базе AS-Interface, стали предприятия автомобильной промышленности.

В настоящее время единственным владельцем зарегистрированного товарного знака «AS-Interface» является международная организация AS-International.

В 2018 году на выставке SPS IPC Drives в Нюрнберге была представлена последняя версия разработки, получившая название ASi-5.

Структура сети

AS-Interface представляет собой систему с одним ведущим устройством. Это означает, что в данный момент времени только одно ведущее устройство обменивается входными и выходными данными со всеми сконфигурированными в сети устройствами.

Топология сети может быть любой:

• шина;
• звезда;
• кольцо;
• древовидная сеть.

Схематичное изображение сети AS-Interface с линейной топологией:

Ведущее устройство AS-Interface

Система управления ведомого устройства AS-Interface

Модуль AS-Interface

Система управления ведомого устройства AS-Interface

Модуль AS-Interface

Исполнительный механизм

Дачик

Исполнительный механизм

Датчик

Сумма длин всех ветвей сегмента сети, обслуживаемого одним ведущим устройством, не должна превышать 100 метров. Специальный расширитель позволяет удлинить кабель или разделить ветвь на группы. Каждый сегмент требует отдельного источника электропитания.

Компоненты сети

Ниже перечислены компоненты промышленной сети AS-Interface.

Кабель

Чертёж кабелей AS-Interface для передачи сигналов и питания (жёлтая оболочка) или, в случае необходимости, только питания (чёрная оболочка)

В большинстве случаев AS-Interface позволяет решить задачу подключения датчиков и приводов к системе управления на основе построения сети с использованием одного двухжильного кабеля, посредством которого обеспечивается как питание всех сетевых устройств, так и опрос датчиков и выдача команд на исполнительные механизмы. Специальный профиль оболочки кабеля AS-Interface исключает возможность неправильного подключения сетевых компонентов. Бо́льшая часть сетевых компонентов подключается к кабелю методом прокалывания изоляции и сделать это можно практически в любой точке соединительного кабеля, что обеспечивает гибкость сетевой архитектуры и значительно сокращает сроки монтажа. Наряду с профилированным кабелем используется и круглый кабель, ориентированный на специальные модули.

Для устройств с малой потребляемой мощностью кабель используется для передачи сигнала и одновременно подачи питания. Потребители с более высокими требованиями к энергии, например, пневмоострова (комплексы отдельных пневматических клапанов с центральной подачей сжатого воздуха, управляемые своей локальной системой управления), могут использовать отдельный плоский кабель для подачи питания.

Источники питания

Источники питания AS-Interface формируют стабилизированное напряжение 30 В постоянного тока с высокой стабильностью и низкими остаточными пульсациями. Источники питания одновременно работают как первичные импульсные регуляторы.

Данные и питание в большинстве случаев передаются одновременно по двухпроводному кабелю AS-Interface, то есть источники питания сети должны обеспечивать развязку данных и питания в системе AS-Interface. По этой причине для питания системы AS-интерфейса нельзя использовать стандартные источники питания.

Модули AS-Interface

При наличии в системе специальных модулей AS-Interface позволяет подключать к системе управления обычные широко распространенные в промышленности датчики и исполнительные механизмы, не имеющие в базовом варианте подключения к сети AS-Interface.

Для включения в работу ведомому устройству необходимо задать адрес из диапазона от 1 до 31 для стандартной конфигурации (31-Slave) или от 1А до 31А и от 1В до 31В для расширенной конфигурации в спецификации 2.11 (62-Slave). Порядок присваиваемых адресов может быть произвольным. Установка сетевых адресов может выполняться посредством ведущего сетевого устройства или специального прибора для адресации и диагностики модулей AS-i.

Соединительные модули

Наряду с технологией прокалывания в сети AS-Interface применяется соединение посредством стандартизованных электромеханических модулей. Различают два типа таких модулей:

1. «Нижний» монтажный модуль (в технических описаниях некоторых фирм, в частности Siemens, такое устройство для компактных модулей называется монтажной платой или палеттой) — устройство, служащее для фиксации плоского кабеля в пазах специального профиля;
2. «Верхний» пользовательский модуль — прибор, содержащий электронику AS-Interface и разъемы М12 для подключения датчиков и исполнительных устройств.

В дальнейшем, в процессе монтажа, «нижний» и «верхний» модули соединяются в единую конструкцию.

Повторители и удлинители

Для расширения границ сети применяются устройства ретрансляции сигнала AS-Interface. Фирмы-изготовители предлагают два типа ретрансляторов:

• повторители VARG3/G1 (различаются степенью защиты IP65/67);
• удлинитель VAEG1.

Применение любого из этих устройств позволяет удлинить линии связи сегмента сети AS-Interface на 100 метров. Возможно сочетание двух повторителей или одного повторителя и одного удлинителя, что обеспечивает общую длину линий одного сегмента до 300 метров.

Кодирование данных и протокол AS-i interface

Графическое изображение кодирования данных с использованием Манчестерского кода

Для кодирования данных используется Манчестерский код, в котором «1» и «0» кодируются не по импульсу или его отсутствию, а по переднему и заднему фронту импульса. Главным преимуществом манчестерского кодирования является тот факт, что передаваемая посылка битов синхронизируется битами тактового генератора, причём изменение сигнала в центре каждого бита позволяет автоматически идентифицировать синхросигнал, что уменьшает частоту ошибок и повышает надёжность передачи данных.

В случае кодирования по стандарту IEEE 802.3 (Манчестерский код II) формирование кодовой последовательности производится логической операцией «Исключающее ИЛИ» над текущим кодируемым битом и битом тактового генератора.

Построение протокола

AS-Interface использует метод доступа к ведомым устройствам, основанный на их циклическом опросе (англ. polling). При опросе системы, состоящей из 31 ведомого устройства, время цикла составляет 5 мс. Таким образом, не позднее чем через каждые 5 мс каждый датчик или исполнительный механизм системы будет опрошен.

Для обеспечения короткого AS-i цикла на низкой скорости передачи, был выбран наиболее компактный формат структуры протокола AS-Interface. Телеграмма состоит из запроса ведущего устройства, паузы ведущего устройства, ответа ведомого устройства и паузы ведомого устройства.

Все запросы ведущего устройства имеют длину 14 бит, все ответы ведомого устройства занимают 7 бит. При этом период времени передачи одного бита составляет 6 мкс, а пауза ведущего устройства может занимать по времени от 3 до 10 тактов передачи бита.

№№
1	%-0	ST	SB	A4	A3	A2	A1	A0	I4	I3

Условные обозначения:

• ST — стартовый бит;
• SB — управляющий бит;
• A4…A0 — адрес ведомого устройства;
• I4…I0 — информационная часть (данные) от ведущего устройства к ведомому и от ведомого к ведущему;
• PB — бит паритета;
• EB — признак конца телеграммы (конечный бит).

Информация о назначении и состоянии битов запроса ведущего устройства и ответа ведомого устройства приведена в нижеследующих таблицах.

№№
1	-0	ST	Стартовый бит	Маркирует начало запроса ведущего устройства: 0 — действительный стартовый бит 1 — не допускается
2	-0	SB	Управляющий бит	Обозначает тип запроса (запрос данных, параметра и т.п.): 0 — запрос данных, параметра, адреса 1 — запрос команды
3	-0	A0...A4	Адрес	Адрес вызываемого ведомого устройства (5 разрядов)
4	-0	I0...I4	Информация	5 информационных разрядов, соответствующих типу запроса (параметр, команда)
5	-0	РВ	Бит паритета	Сумма всех «1» в запросе ведущего устройства должна быть чётной
6	-0	ЕВ	Конечный бит	Формирует конец запроса ведущего устройства: 0 — не допускается 1 — признак конечного бита

№№
1	-0	ST	Стартовый бит	Маркирует начало ответа ведомого устройства: 0 — действительный стартовый бит 1 — не допускается
2	-0	I0....I3	Информация	4 информационных разряда указывают, например: установленный порт ввода/вывода статус ведомого устройства
3	-0	РВ	Бит паритета	Сумма всех «1» в ответе ведомого устройства должна быть четной
4	-0	ЕВ	Конечный бит	Формирует конец ответа ведомого устройства: 0 — не допускается 1 — признак конечного бита

Передача аналогового сигнала

Передача аналоговой величины выполняется по определенной команде от ведущего устройства (ПЛК). Ведомое устройство создаёт внутренний регистр данных с текущим значением аналоговой величины и посылает ведущему биты статуса. Далее следуют циклы передачи данных аналоговой величины группами по три бита — с D1 по D18. В конце посылки передаются служебные биты: знака, переполнения и один резервный бит.

№№
1	-0	S3	S2	S1		D18	D17	D16		D15

Условные обозначения:

• S1…S3 — биты статуса;
• D1…D18 — биты данных оцифрованного аналогового сигнала;
• V — бит знака;
• U — бит переполнения;
• X — резервный бит.

Преимущества и недостатки сети AS-Interface

Тщательно продуманная полевая шина AS-Interface обладает рядом преимуществ:

• высокая помехозащищённость;
• простота и низкая стоимость монтажа;
• дешевизна;
• широкая распространённость;
• совместимость с существующими коммуникационными системами SIMATIC NET позволяет интегрировать AS-Interface в сети PROFIBUS и Industrial Ethernet.

Но сети свойственен и ряд недостатков, среди которых:

• сеть плохо приспособлена для передачи аналоговых сигналов;
• ограниченная длина и скорость передачи.

Примечания

Одним из источников этой статьи является статья в википроекте «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «AS-Interface», находящаяся по адресам: «https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/AS-Interface» «https://znanierussia.ru/articles/AS-Interface». Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?»