Podstawy AS-Interface – część 1

Posted on by Witold Nantka

Niniejszy rozdział, będący pierwszym poświęconym całkowicie AS-Interface, stanowi doskonałe wprowadzenie do zagadnień technicznych, omówienie możliwych aplikacji oraz specjalnych cech omawianego interfejsu. 

Opracowanie będzie się odnosiło bezpośrednio do referencyjnego ISO/OSI. Bazując na podziale warstwowym skupimy się na odwzorowaniu poszczególnych poziomów w interfejsie ASi:

Warstwa 1 (Warstwa Fizyczna):

 przewód AS-Interface
 zasilacz AS-Interface oraz układ rozdziału danych i zasialania (data de-coupling)
 proces modulacji sygnału 

Warstwa 2 (Warstwa Łącza Danych)

 procedura dostępu do sieci AS-Interface
 struktura telegramów sieci AS-Interface
 zabezpieczenie danych w sieci AS-Interface

Warstwa 3 (Warstwa Aplikacyjna):

 telegramy AS-Interface
 proces funkcyjny w module podrzędnym AS-Interface
 proces funkcyjny Mastera AS-Interface
 profile urządzeń

Przyswojenie niniejszych informacji pozwoli Państwu na lepsze zrozumienie technologii AS-Interface i unikalnych cech charakterystycznych. 

Model referencyjny ISO/OSI

Jak każdy inny system komunikacyjny, również AS-Interface podlega kategoryzacji wg 7-warstwowego modelu referencyjnego ISO-OSI.

Podobnie jak inne znany systemy sieciowe automatyki przemysłowej AS-Interface implementuje warstwy 1, 2 i 7. Pozostałe warstwy modelu nie mają zastosowania z uwagi na prostą strykturę sieci, stałe i niezmienne podłączenie wszystkich uczestników wymiany danych, a także dlatego, że jakakolwiek konwersja formatów danych może być faktycznie przeprowadzana w warstwie 7 (oczywiście jeśli jest to konieczne). 

Należy pamiętać, że klasyfikacja wg modelu referencyjnego nie oznacza, że AS-Interface jest rozwiązaniem specyfikowanym zgodnie z wytycznymi tego modelu. I tak, warstwy AS-Interface nie są wcale wolne od sprzężenia zwrotnego pomiędzy kolejnymi warstwami modelu. Na przykład, zabezpieczenie danych określane w warstwie 2 wykorzystuje liczne cechy specyfikowane w warstwie 1. Tylko w ten sposób możemy uzyskać skuteczne i pełne rozpoznawanie poszczególnych błędów. 

Warstwa fizyczna 

Warstwa 1, fizyczna, sieci AS-Interface, zawiera następujące elementy:

 przewód ASi oraz sieć AS-Interface
 zasilanie AS-Interface i układy rozdziału danych i zasiania 
 process modulacji sygnału 

Dodatkowym elementem tej warstwy są Repeater’y sieci AS-Interface, jak i inne komponenty zapewniające możliwość rozszerzenia zasięgu sieci. Są one klasyfikowane w warstwie fizycznej ponieważ ich podstawowym zadaniem jest zwiększenie zakresu pracy sieci, przy równoczesnym zapewnienie galwanicznej separacji pomiędzy poszczególnymi segmentami. Do tego typu rozwiązań jeszcze wrócimy w niniejszym opracowaniu.

Przewód AS-Interface

Dla przewodu AS-Interface specyfikacja definiuje podstawowy model transmisji z następującymi wartościami granicznymi:

Dodatkowo impedancja falowa [Z] została ograniczona do wartości pomiędzy 70…140Ohm, a opóźnienie grupowe ograniczono do t’ < 8.3ns/m, eliminując w ten sposób możliwość wystąpienia niekorzystanych kombinacji R, L i C. 

Żółty, dwużyłowy i płaski przewód jest najbardziej odpowiednim rozwiązaniem przy konfiguracji sieci AS-Interface. Stanowi on element podstawowy dla całej elektromechaniki, jaką charakteryzuje się omawiany interfejs. Takie wykonanie przewodu ASi umożliwia zastosowanie odpowiednich środków technicznych ze stopniem ochrony do IP67, przy jednoczesnym zapewnieniu prostoty i szybkości montażu, bazując na technologii piercingu (o czym powiemy więcej w dalszej części opracowania). Żyły przewodu ASi mają zazwyczaj wymiar przekroju poprzecznego 1.5mm2 lub 2.5mm2.

Do zastosowań wewnątrz szaf sterowniczych oraz dla aplikacji gdzie wystarczający jest stopień ochrony IP20, opracowano mniejszy , giętki i zoptymalizowany dla technologii IDC przewód ASi. Przekrój poprzeczny żył tego przewodu ma średnicę 0.8mm2 (zawsze zlecane jest stosowanie przewodu standardowego)

Tak naprawdę jakikolwiek przewód, którego charakterystyka odpowiada wyżej przedstawionym wymaganiom, może być swobodnie wykorzystany jako magistrala sieci AS-Interface. Zastosowanie płaskiego, profilowego przewodu ASi, stanowi natomiast gwarancję, że te wymagania są spełnione, jak i znacznie ułatwia montaż mechaniczny.

Podczas dobierania odpowiedniego przewodu, mającego służyć jako główna magistrala dla sieci AS-Interface, istotne są dwie własności elektryczne:

– oporność DC dla transferu mocy
– odpowiednie własności transmisyjne w paśmie częstotliwości wykorzystywanym do komunikacji

Oporność DC jest aspektem pomijalnym tak długo, jak całkowity prąd przepływający przez sieć ASi jest mniejszy niż około 1A. Ponieważ jednak technicznie możliwe jest doprowadzenie do sieci ASi prądu o natężeniu maksymalnym 8A, konieczne może być sprawdzenie, czy spadek napięcia nie przekracza wartości krytycznych. W takim przypadku może dojść do sytuacji, gdzie urządzenia podrzędne znajdujące się najdalej od Mastera i zasilacza nie otrzymują wystarczającego napięcia zasilania, a podłączone do nich peryferia nie będą w stanie pracować niezawodnie i poprawnie.  

PRAKTYCZNA WSKAZÓWKA:

Przy wartościach natężenia prądu przekraczających 1A należy ocenić spadek napięcia występujący w instalacji, aby zagwarantować nieprzerwane zasilanie dla wszystkich urządzeń podrzędnych i niezawodną pracę wszystkich peryferiów.

Jakkolwiek trywialnie by to nie brzmiało to należy o tym pamiętać – nie istnieje żadna technologia, która jest w stanie “nagiąć” prawo Ohma. 

Przewód ASi w środowiskach wymagających wysokiego stopnia ochrony (IP67)

Interfejs elektromechaniczny AS-Interface jest całkowicie znormalizowany i uzupełnia cały system o innowacyjną technologię instalacji i montażu. Stanowi to bardzo istotny element obniżania kosztów instalacyjnych i montażowych. 

Powyższy rysunek przedstawia standardowy, żółty przewód ASi do instalacji polowych. Ten przewód stał się również rozpoznawalnym znakiem szczególnym całego systemu AS-Interface. 

Właściwości mechaniczne i chemiczne dostępnych materiałów izolacji zewnętrznej przewodu w większości przypadków spełniają standardowe wymagania odpornościowe dla automatyki przemysłowej.

Standardowo dostępne materiały izolacji zewnętrznej:

  • Mieszanka gumowa EPR EM3 zgodnie z DIN VDE 0207 część 21
  • TPE YM5 zgodnie z DIN VDE 0207 część 5
  • PUR zgodnie z CENELEC HD 22, T 10

Przewód profilowy dostępny jest w różnych kolorach. Standardowy żółty (“traffic yellow”) wykorzystywany jest zawsze jako główna magistrala sieci AS-Interface. Przewód czarny jest określany przewodem zasilania pomocniczego AUX i dostarcza napięcie 24VDC. Wszędzie tam, gdzie urządzenia peryferyjne (np. napędy) wymagają zasilania 48VDC stosowany jest profilowy przewód szary. Wszystkie one dostępne są z różnymi materiałami izolacji zewnętrznej (jak wyżej). 

Przewód ASi do szaf sterowniczych (IP20)

Jako uzupełnienie omówionego płaskiego przewodu AS-Interface wprowadzono do zastosowania przedstawiony tutaj przewód dwużyłowy do stosowania w środowiskach bezpiecznych, wymagających maksymalnego stopnia ochrony na poziomie IP20 (głownie w szafach sterowniczych, skrzynkach przyłączeniowych i innych podobnie chronionych środowiskach).

Wymiar przekroju poprzecznego żyły takiego przewodu to 2 x 0,8 mm2 i oprócz oznaczeń kolorystycznych posiada również kodowanie mechaniczne. Przewód ten jest oczywiście zoptymalizowany do połączeń wykorzystujących technologię przebijania (piercingu). Przy takim montażu każda z żył jest wciskana w urządzenie wyglądem przypominające widelec, które przecina izolację, tworząc bezpieczny kontakt modułu z przewodem.

Taki sposób montażu, charakterystyczny dla AS-Interface, umożliwia wyeliminowanie wszelkich prac instalacyjnych, jak rozdzielanie przewodu, zdejmowanie izolacji i montaż końcówek oraz podłączanie przewodu i uziemienia. Dwużyłowy szafkowy przewód AS-Interface jest znacznie bardziej elastyczny i łatwiejszy w montażu niż standardowy żółty profilowy przewód płaski. Wynika to z faktu, że w środowiskach chronionych, gdzie maksymalnym wymaganym stopniem ochrony jest IP20, wystarczające jest zastosowanie tylko jednej warstwy izolacji, a także dlatego, że ma mniejszą średnicę żył.

Technologia przebijania (piercing/wampir)

Przewód żółty o przekroju żyły 2 x 1,5mm2 jest przewodem asymetrycznym z kodowaniem mechanicznym, zapewniającym prawidłowy montaż, chroniąc tym samum przed przypadkowym odwróceniem polaryzacji. Samo podłączenie (technologia piercing) przeprowadzane jest z wykorzystaniem noża stykowego lub też igieł łączeniowych, które przebijają tworzywo izolacji zewnętrznej oraz same żyły przewodu, zapewniając tym samym bezpieczne połączenie elektryczne. Rozdzielanie przewodu, zdejmowanie izolacji, montaż końcówek, podłączanie przewodów i uziemienia staje się zbędne. Nawet jakiekolwiek dostosowywanie przewodu nie jest już konieczne, ponieważ może on być podłączony w dowolnym miejscu instalacji/maszyny.

Rysunek przedstawia przykład montażu modułu na profilowym przewodzie ASi z zastosowaniem technologi przebijania (piercingu).

Do wykonania wymaganych odgałęzień od głównej magistrali, czy też do przeprowadzenia przewodu płaskiego przez uchwyty kablowe DIN itp. dostępny jest bardzo duży wybór akcesoriów. W zakresie dostępnych modułów polowych bezwzględnie wszystkie z nich opierają się na tej metodzie montażu elektromechanicznego.

Zachowanie sieci AS-Interface 

Na sposób przekazywania danych w sieci AS-Interface znaczący wpływ ma zawsze zastosowany przewód. Należy pamiętać, że warunkiem niezbędnym poprawnej pracy interfejsu jest zapewnienie braku przekłamań w przesyłanych telegramach. Brak przełamań gwarantuje niezawodne i bezpieczne odbieranie wiadomości w każdej części, potencjalnie rozległej sieci przemysłowej 

Podobne znaczenie mają wartości impedancji urządzeń podrzędnych (Slave), jak również Mastera, które muszą być tak dobrane, aby obciążenie sieci nie osiągało wartości niedopuszczalnych, a tym samym nie zakłócało transmisji danych. Impedancje dobierane są w taki sposób, aby jeden Master i do 62 urządzeń podrzędnych nie przekraczały dopuszczalnego obciążenia sieci. Znaczne ograniczenie pasma częstotliwości transmisyjnej gwarantuje możliwość skorzystania z dowolnej topologii sieci, jak również zapewnia poprawną komunikację bez konieczności stosowania terminacji. 

Transmisja danych AS-Interface wykorzystuje pasmo częstotliwości od 50kHz do 300kHz. Przy takiej szerokości pasma i ograniczeniu całkowitej długości sieci do 100m, odbicia i tłumienie są możliwe do opanowania, a zatem nie ma ograniczeń dotyczących topologii. Przy większych odległościach konieczne jest zastosowanie dodatkowych komponentów do rozbudowy sieci, jak repeater czy też terminator.

Poniższy wykres przedstawia spektrum częstotliwości typowego zapytania Mastera AS-Interface.

Poniżej natomiast można zobaczyć krzywą impedancji dla typowej sieci AS-Interface z 30 podłączonymi standardowymi urządzeniami podrzędnymi. 

Zasilacz AS-Interface

Ponieważ AS-Interface przesyła dane i zasilanie z wykorzystaniem tego samego przewodu, zasilacz ASi jest newralgiczną częścią warstwy fizycznej. Jest to również podstawowy powód specjalnej konstrukcji zasilaczy AS-Interface.

Zasilacz AS-Interface realizuje w sumie 4 funkcje:

  • zasilanie sieci napięciem nominalnym zgodnym ze standardem ASi
  • bezpieczna separacja strony pierwotnej i wtórnej
  • równoważenie sieci ASi
  • odsprzęganie danych (Data Decoupling)

Zasilanie sieci napięciem nominalnym zgodnym ze standardem ASi

Zasilacz zapewnia napięcie znamionowe na poziomie 30V. Jest to warunek konieczny gwarancji minimalnej wartości napięcie zasilania (24V DC) nawet na końcu sieci AS-Interface. Specyfikacja ASi dopuszcza spadek napięcia o około 3V wzdłuż przewodu AS-Interface oraz o dodatkowe 3V na urządzeniach podrzędnych, gdzie dane i zasilanie muszą zostać rozdzielone. Dane te dotyczą oczywiście maksymalnej możliwej konfiguracji sieci ASi (62 moduły podrzędne). Napięcie znamionowe zasilacza jest określone w standardzie AS-Interface i wynosi 29.5 do 31.6VDC.

Teoretycznie moc jaka jest doprowadzana do sieci AS-Interface może być dobierana dowolnie, bazując na wymaganiach samej aplikacji. Praktycznym ograniczeniem jest natężenie prądu o wartości 8A i wynika ono przede wszystkim z typowego przekroju przewodów AS-Interface.

Bezpieczna separacja strony pierwotnej i wtórnej

System AS-Interface został zaprojektowany jako system niskonapięciowy z bezpieczną separacją (PELV, „Protective Extra Low Voltage” zgodnie z IEC 60364-4-41). Dlatego też, zasilacz pracujący przy napięciu pierwotnym 115V AC lub 230V AC musi zapewniać bezpieczną separację pomiędzy napięciem pierwotnym i wtórnym, zgodnie z odpowiednimi normami IEC.

Separacja ochronna PELV pozwala również na pominięcie konieczności stosowania przewodu PE.

Równoważenie sieci ASi

AS-Interface jest symetrycznym, nieuziemionym systemem sieciowym.  Dobra symetryczna konstrukcja sieci ASi jest absolutnym warunkiem koniecznym do uzyskania optymalnej odporności na symetrycznie sprzężone zakłócenia kumunikacji. Można to osiągnąć poprzez zastosowanie układu równoważenia, będącego częścią każdego zasilacza ASi. 

Złącze “Ekran” (na rysunku powyżej) musi być uziemione w odpowiednim miejscu maszyny lub instalacji. Dla systemu jakim jest AS-Interface tylko i wyłącznie ten punkt może być podłączony do uziemienia funkcyjnego maszyny (GND).

Ze względu na doskonałą symetryczność systemu nie ma potrzeby stosowania przewodów ekranowanych lub skrętek. 

Odsprzęganie danych (Data Decoupling)

Układ  odsprzęgania danych jest z reguły zintegrowany właśnie w zasilaczu AS-Interface. Układ taki składa się z, połączonych równolegle, dwóch indukcyjności po 50µH i dwóch rezystorów po 39 Ω. Taka konstrukcja sieci zapobiega zwarciu przewodu AS-Interface przez sam zasilacz podczas transmisji danych. Jednocześnie układ ten jest odpowiedzialny za zamianę impulsów prądowych, wytwarzanych przez nadajniki AS-Interface na impulsy napięciowe, które mogą być odbierane przez odbiorniki AS-Interface.

W wielu nowszych rozwiązaniach układ odsprzęgania danych jest instalowany w Masterach AS-Interface. Takie rozwiązanie posiada szereg zalet, do których zaliczamy możliwość zastosowania standardowego zasilacza o wydolności napięciowej zgodnej ze specyfikacją ASi oraz, w przypadku zastosowania bramki wyposażonej w dwa Mastery ASi, możliwość zasilenia obu sieci ASi z jednego zasilacza 30VDC.