Интерфейсът AS-I
Начало > Автоматизация > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 9, 2007
Икономична и ефективна полева мрежа в промишлената автоматизация
AS-интерфейсът представлява икономична електромеханична система за свързване в мрежа на устройства за автоматизация. Проектирана е да работи по двупроводен кабел, който осигурява едновременно преноса на данни и захранването на устройствата. Допустимата максимална отдалеченост между устройствата е 100 метра, като за по-големи разстояния е предвидено използването на повторители.
AS-интерфейсът е специално разработен с оглед приложението му в по-ниските нива на системите за промишлена автоматизация, където елементарни, най-често двупозиционни, полеви устройства работят съвместно в самостоятелна, локална мрежа за автоматизация, управлявана от програмируем контролер (PLC) или система за управление с разпределена интелигентност (DCS).
От друга страна, AS-интерфейсът се разглежда като възможност за замяна на традиционните, кабелни инсталации с цифрови. Разработен е специален електронен чип за вграждане в потребителски модули и полеви устройства с AS-интерфейс, осигурявайки добро ниво на надеждност в съвместната работа на устройствата.
На пръв поглед, AS-интерфейсът изглежда като
поредния тип полева магистрала
Все пак той не бива да бъде сравняван с полевите магистрали от по-високо ниво, които притежават усъвършенствани характеристики, но заедно с това са и доста скъпи. AS-интерфейсът е специално предназначен за удовлетворяване нуждите от работа в мрежа на устройства, като сензори и изпълнителни механизми, където опростеността и разходите за свързване на точка са от най-голямо значение. Освен това, за внедряването и обслужването на такъв тип полева магистрала не се изискват специални умения от съществуващия персонал по експлоатацията и поддръжката.
Днес на пазара се предлагат множество продукти, осигуряващи свързване на устройства с AS-интерфейс с друг тип мрежи. Разработени са и компоненти за Ethernet връзка, позволяващи една мрежа с AS-интерфейс да бъде управлявана директно чрез TCP/IP мрежа.
Доказана в практиката технология
За разпространението на AS-интерфейса може да се съди от направени изследвания на пазара, които още през 2004 г. свидетелстват за внедрени над 10 милиона устройства в глобален мащаб. Цифрата е близка до броя на апаратурата с PROFIBUS интерфейс, която се приема от инженерите по автоматизация като една от най-успешните полеви магистрали в света. Също така, AS-интерфейсът е водещ мрежов протокол на ниво сензори/изпълнителни механизми, осигуряващ доказана в практиката технология и поради тази причина се поддържа от почти всички водещи в областта на промишлената автоматизация компании. Сред фирмите, подкрепящи мрежовата технология, са ABB, Allen-Bradley, Camozzi, Emerson, Endress+Hauser, Festo, KSB, Lenze, Mitsubishi Electric, Moeller, Numatics, Phoenix Contact, Schneider Electric, SIEMENS, WAGO и много други. Счита се, че към настоящия момент броят на работещите уреди с AS-интерфейс надхвърля 14 милиона.
Бързо инсталиране, понижени разходи за окабеляване
Обикновено внедряването на AS-интерфейс спестява от 15% до 40% от разходите в сравнение с традиционните методи за окабеляване. В допълнение, бъдещите ползи от цифровото измерване осигуряват повишена работоспособност и облекчена поддръжка. Това позволява изпълнението на по-краткосрочни амортизационни планове, повишено качество на крайния продукт, осигуряване на непрекъснатост на производството, намаляване престоите за ремонт и по-висока производителност.
Както вече бе казано, AS-интерфейсът е вид сравнително елементарна цифрова технология. Опростената цифрова структура на съобщенията е по-скоро от полза за потребителя, отколкото затруднение. Всеки, който разбира топологиите при окабеляване, би могъл да навлезе в материята на AS-интерфейса с помощта на кратко допълнително обучение. Инсталирането на една мрежа е много по-бързо и конфигурацията й отнема обикновено минути вместо часове, тъй като грешките могат да бъдат идентифицирани много бързо. Използването на специален жълт кабел прави модернизирането на мрежата бързо и просто. По този начин магистрала с AS-интерфейс може лесно да посрещне бързо променящите се нужди на модерната производствена среда с неголеми допълнителни инвестиции.
Опростен метод за кабелна връзка
Разработчиците на AS-интерфейса са заложили на създаването на опростен метод за кабелна връзка, която не само да пренася захранващата енергия и информационния сигнал, но и да бъде лесна за изпълнение. Решението, на което са се спрели разработчиците, е създаване на характерен “жълт” кабел, който се превръща в отличителен знак за мрежите с AS-интерфейс (фиг. 1)
Жълтият кабел е със сечение 1,5 mm2 на всяко от жилата си и позволява да бъде използван в приложения със степен на защита IP67. Кабелът се характеризира с две очевидни особености. Първата е специалният му напречен профил, който гарантира правилно свързване. Втората е начинът на свързване чрез премахване на изолацията - показано вдясно на фиг. 1. Начинът на свързване осигурява бързо аранжиране и деаранжиране. Тук е мястото да се отбележи, че конвенционален кабел с кръгъл профил също може да бъде използван в системи с AS-интерфейс, когато е необходима степен на защита IP20. В този случай се използва обикновен двужилен кабел със сечение 0,8 mm2. Тази възможност е предвидена, тъй като много производители осигуряват допълнителни винтови клеми и мрежови разширители.
Електрическият модел на характерния за AS-интерфейса жълт кабел е показан на фиг. 2.
Техническите му данни са: R' < 90 mW/m; L'=400-1300 nH/m; C' < 50 pF/m и G'<5 mS/m. Вълновият импеданс е 70<IZI<140 W.
Захранващото напрежение обикновено се осигурява от правотоков източник за 24 V, несвързан към “земя”. Най-голямо значение в неговата конструкция има изолирането му от данните и осигуряването на приемливи стойности, както за електромагнитното излъчване навън, така и за индукцията в кабела.
Освен посочените мерки за защита на данните, са предвидени и софтуерни инструменти за недопускане смесването на информация. Чрез всичко това се постига
висока надеждност и сигурност в работата
доказано чрез многобройни проведени тестове, включително и при инсталиране в непосредствена близост до високоволтови машини за заваряване.
Обикновено една мрежа с AS-интерфейс се оразмерява за максимален ток 8А, протичащ през кабела. Тъй като елементите на мрежата са достатъчно чувствителни, в определени случаи са допустими и по-високи стойности на тока, но следва получаващите се падове на напрежение да съответстват със спецификациите на AS. Поради тази причина, висока захранваща мощност се осигурява за близки разстояния. За по-големи дистанции се използват отделни захранващи блокове. Друга възможност, съгласно спецификациите на AS-интерфейса, е използването на вторичен, т.нар. черен кабел за захранване. Черният кабел има същия напречен профил като жълтия и се използва за захранване на задвижвания, релета и др. При необходимост от захранване с 240V AC се използва вторичен кабел с червен цвят.
Структура на
AS-интерфейсна мрежа
Всяка мрежа с AS-интерфейс се нуждае от водещ възел, наричан още мастер, който би могъл да бъде локално управляващо устройство с ограничена функционалност. Все пак, повечето мастери представляват отделен контролер, най-често PLC, притежаващ стандартно или опционално вградени модули с AS-интерфейс. Предлагат се също и интерфейсни карти за персонални компютри (PC). Когато PLC или PC задейства автоматична програма чрез мастера, той извършва инициализация на мрежата. Това става, като мастерът изпраща команди и получава последователни отговори от свързаните устройства. Като водещ на AS-интерфейсна мрежа може да бъде използван и порт за Ethernet, или за полева мрежа от по-високо ниво. Така чрез специализиран софтуер е възможно дистанционно да се конфигурира, управлява или наблюдава една мрежа с AS-интерфейс - обикновено тя изглежда като изнесени входно/изходни модули на голямата система. Резултатът е опростено и икономично окабеляване на апаратурата за агрегат, машина или малък производствен процес.
На фиг. 4 са представени
Четирите типа
основни компоненти
на мрежата
Конвенционални входно-изходни устройства от всякакъв вид, работещи в две състояния (“включено/изключено”, “отворено/затворено” и т.н.), могат да бъдат свързани в мрежата. За реализацията й се използва т.нар. потребителски модул, който всъщност представлява интелигентен “подчинен”, имащ вграден интерфейсен чип. Всеки от потребителските модули може да има до 4 входа и 4 изхода. Следователно, ако са свързани 31 потребителски модула, мрежата ще разполага с 124 входа и 124 изхода, достигайки максималния си капацитет от 248 В/И. Възможно е комбинирането на интелигентни устройства и потребителски модули. В обявената наскоро Спецификация V2.1 виртуално е удвоен капацитетът на мрежата.
Обмен на информацията в мрежа
с AS-интерфейс
От определящо значение за преноса на данни е изборът на кабел. Също така е важно какви са импедансите на подчинените и водещия възли. Импедансите не бива да натоварват мрежата над допустимите граници и да не изкривяват трансферираната информация.
Друг важен момент е изборът на честотна лента за пренос на информацията. За да се постигнат двете цели - изграждане на произволни мрежови структури и премахване на необходимостта от крайни (терминиращи) резистори, честотната лента трябва да е ограничена. Поради това, спектърът, използван от AS-интерфейса за пренасяне на данни, е от 50 kHz до 300 kHz. С тази честотна лента и с ограничението за максимална дължина на кабела от 100 метра, отраженията и отслабванията на сигнала са лесно управляеми. Освен това, ограничения върху топологията на мрежата не съществуват.
Разработчиците на AS-интерфейса са заложили на метод за модулация на сигналите. Избрана е т.нар. APM или Alternating Pulse Modulation - алтернативно-импулсна модулация. Представлява техника на модулация, която се приема като опростена и ефикасна. Тази техника се отличава и с редица други предимства, правещи я много подходяща за мрежи с AS-интерфейс. APM се провежда в честотната лента на сигнала, следователно при нея отсъства необходимостта от носеща честота. Процесът на модулация е независим от правия ток и поради това може да се добави към захранващото напрежение. На следващо място, сигналът заема тясна честотна лента, което улеснява трансфера му. Излъчените от сигналите емисии са ниски и удовлетворяват изискванията на регулаторните органи, без допълнително ширмоване на кабела. Приемникът и предавателят могат да бъдат лесно събрани в една интегрална схема.
Физически слой на мрежата
На фиг. 5 вляво е показана част от схемата на мрежа с AS-интерфейс. Както е видно, жълтият кабел служи не само за захранване, но и за преносна среда на информацията от предаващото към преносното устройство. Вдясно, на графика (1) е показана примерна двоична последователност, която ще бъде излъчена. На графика (2) би могло да се види как изглежда тази последователност с извършено върху нея Манчестър кодиране. Този вид кодиране е метод, при който двоичната последователност се представя като смяна на напрежението през периода на всеки бит. Съответства на извършването на логическата функция “Изключващо ИЛИ” между кодираната двоична последователност и тактовите импулси . Първата половина на получения Манчестър сигнал е “Изключващо ИЛИ”, а втората е стойността на изходния двоичен сигнал.
Видно е, че преден фронт съответства на “1”, а заден фронт на “0”. Графика (3) илюстрира превръщането на Манчестър кода в предавателен ток. Приемникът улавя напрежение с формата, показана на графика (4). След това той го преобразува по начина, показан на графика (5) и получава изходната двоична поредица.
С така описания елементарен метод за предаване и приемане на информацията се постига 6 микросекунди период за трансфер за един бит, което съответства на скорост на обмен от 167 kbit/sec. Обобщено, кабелът, захранващият блок, APM, отделянето на данните и снабдяването с енергия представляват физическия слой (PHY) на мрежата с AS-интерфейс.
Слой за свързване
на данни
Съгласно спецификациите, AS-интерфейсът има дефинирани само три от общо седемте слоя по ISO/OSI - Физически слой (PHY), Слой за Свързване на Данните или DLL (от Data Link Layer) и Приложен слой (Application Layer).
Важно е да се отбележи, че в DLL на мрежите с AS-интерфейс отсъстват т.нар. “мрежови мостове”, които представляват връзка между две подмрежи и се използват, за да разширят мрежата по отношение броя на свързаните в нея устройства. Когато се достигне максималният брой свързани устройства, мрежата може да се раздели на две подмрежи, свързани с мостове. Освен това, мостовете могат да свързват две мрежи с различни скорости на информационен обмен. Употребата на мостове при AS-интерфейс е недопустима.
В DLL е дефиниран методът за магистрален достъп. Той е от типа “водещ - подчинен” с циклично обхождане (polling). Извършва се, като водещият изпраща телеграма, съдържаща известен адрес на подчинен. След това, подчиненият отговаря в рамките на специфицирано време. Когато водещият приеме отговора, се счита, че обменът е извършен успешно. Ако водещият не приеме отговор или ако приеме отговор, който не може да се декодира без грешки, информационният обмен не е изпълнен, а телеграмата може да бъде изпратена повторно. Следователно, отговорът на подчинения служи за потвърждение на правилната комуникация.
Съобщенията
съдържат четири елемента
Общата конструкция на съобщенията съдържа четири елемента - повикване на водещия с дължина 14 бита, пауза с продължителност 16 ms, отговор на подчинения с дължина 7 бита, последван от къса пауза продължителност от 9 до 12 ms. Изключение от тази структура има единствено т. нар. “разгласено съобщение”, което представлява повикване на водещия към всички подчинени в мрежата. При този вид повикване подчинените не изпращат отговор.
Тъй като предаването на един бит се извършва за 6 ms, то общата продължителност на обикновеното съобщение е 152 ms +2/-1 ms. Така, в рамките на 1 секунда могат да бъдат обменени над 6500 съобщения в мрежа с AS-интерфейс. Полезната информация е 32% от общия обмен, което съответства на 53 kBaud. С това се постига много висока надеждност на комуникационния трансфер - коефициентът на некоригираните грешки е по-малък от
10-14 или при непрекъсната работа на една мрежа с AS-интерфейс теоретично неразкрита грешка би могло да се случи веднъж на 2300 години.
Приложен слой
на мрежата
Съобщенията са важна характеристика на Приложния слой. Те могат да се класифицират в две групи. Първата включва т. нар. “единични транзакции”. Съобщенията от тази група могат да предават максимум 4 бита от подчинения към водещия възел (входяща информация) и от водещия към подчинения възел (изходяща информация). Втората група съобщения се наричат “комбинирани транзакции”. Използват се, когато е необходимо да се предадат повече от 4 бита информация. Съставени са от последователни повиквания на водещия и отговори на подчинените в ясно дефинирана връзка. Този тип съобщения се използват, когато трябва да се обмени информация с аналогови сензори, например за температура, разход, ниво и др., с изпълнителни механизми, с полеви устройства, които имат по-голям брой двоични параметри, или със скенери, клавиатури и текстови панели.
Следваща характеристика на Приложния слой са функционалните диаграми на водещия възел и на подчинените. Диаграмата на водещия съдържа три фази - фаза за обмен на данни, през която се разменя информация с подчинените; управляваща фаза, която включва параметрични и диагностични повиквания, команди и разгласени съобщения; въвеждаща фаза, служеща за проверка на новосвързани устройства към мрежата с AS-интерфейс. Диаграмата на подчинените устройства е по-елементарна и включва три стадия - инициализация, конфигурация и нормална работа.
Друга характеристика на приложния слой е автоматичното задаване на адрес. Тя е вложена като задача на водещия постоянно да проверява адресното пространство на мрежата за новоприсъединени устройства и при откриване на такива да ги включи в информационната комуникация. Сред характеристиките на Приложния слой са специфичните профили на устройствата. В съответствие с изискванията на IEC61915-1, профилът на едно устройство съдържа пълния списък от данни и параметри, които могат да бъдат обменяни с него, както и диаграма на състоянията с целия му набор от характеристики. В мрежа с AS-Интерфейс профилите се отнасят само за подчинените и имат фундаментално значение за осъществяване на съвместната им работа.
AS-Интерфейсът
в мрежите за безопасност
Представлява ново разширение на възможностите, които предлагат мрежите с AS-интерфейс - т.нар. AS-Interface Safety. Разработено е от консорциум от компании с цел осигуряване на висока степен на производствена и трудова безопасност. Специален подчинен в мрежата с AS-интерфейс, наречен Наблюдател за Безопасността (НБ), има единствената задача да следи за работата на Предпазните Подчинени (Safety Slaves) или накратко ПП. Обикновено, предпазен сензор или авариен стоп-бутон е свързван към ПП и мрежата с AS-интерфейс е отговорна да предава сигналите, свързани с безопасността към НБ, който има релета, с които задейства определена предпазна процедура. ПП и НБ могат да работят съвместно с конвенционалните устройства в една нормална мрежа с AS-интерфейс. Това води до намалено окабеляване, улеснена поддръжка и редуцирани инвестиционни разходи.
AS-Интерфейсът
като безлицензна система
Вижте още от Автоматизация
Ключови думи: WAGO
Новият брой 9/2024
