Kapitel 3: Die AS-Interface Technik; Abschnitt 3.2: AS-Interface Kommunikationssystem

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1 3.2.4 Der Application-Layer Die AS-i Masteraufrufe Datenkonvention Funktionsablauf im Slave Funktionsablauf im Master Geräte-Profile Die kombinierten Transaktionen Der Application-Layer Die AS-i Masteraufrufe In Bild 3.15 sind die vereinbarten AS-Interface-Masteraufrufe an einen Standard-Slave zusammengefasst. In dem darauffolgenden Abschnitt werden sie und die Reaktion des Slaves im einzelnen beschrieben. Bild 3.15: Übersicht der Masteraufrufe an einen Standard-Slave [1] E/A-Konfiguration lesen Mit dem Aufruf E/A-Konfiguration lesen kann der Master die eingestellte E/A-Konfiguration eines Slaves lesen. Diese wird in der Slaveantwort zu diesem Aufruf übertragen und dient zusammen mit den Aufrufen ID-Code lesen zur eindeutigen Identifizierung eines Slaves. Die E/A-Konfiguration bezieht sich auf die Datenports am Interface 1 des Slaves und ist entsprechend Bild 3.16 definiert. Hierbei bedeutet EIN ein Eingang vom Prozess, AUS ein Ausgang zum Prozess, E/A ein bidirektionales Verhalten des Ports und TRI hochohmige Ausgänge ohne Funktion. Der letztgenannte Zustand wird eingenommen, wenn während des Resets aufgrund eines Lesefehlers vom slaveeigenen Datenspeicher keine eindeutige E/A-Konfiguration festgestellt werden kann. Seite 1

2 Bild 3.16: E/A-Konfigurationen Überall dort, wo ein Ausgang AUS (und kein bidirektionales Verhalten) definiert ist, bedeutet dies, dass das entsprechende Informationsbit in der Slaveantwort undefiniert ist. Ebenso bleibt das Informationsbit aus dem Masteraufruf, obwohl es übertragen wird, ohne Bedeutung, wo ein Eingang EIN definiert ist. Mit dieser E/A- Konfiguration können also nicht benötigte Informationen ausgeblendet werden. Gleichzeitig wird die E/A-Konfiguration zusammen mit den ID-Codes zur Identifizierung von Slaves herangezogen. Sie verweisen auf das Profil des Slaves. Die E/A-Konfiguration ist 4Bit lang, wird vom Hersteller festgelegt und ist unveränderlich im Slave gespeichert. ID-Code lesen Die Kommandoaufrufe ID-Code lesen betreffen den Identifikations-Code des Slaves. Dieser dient zusammen mit der E/A-Konfiguration zur eindeutigen Identifizierung eines Slaves. Der ID-Code eines Slaves besteht aus drei Teilen: Der eigentliche ID-Code Mit diesem werden verschiedene Arten von Slaves gekennzeichnet. So bedeutet der ID-Code A", dass der Slave nach dem erweiterten Adressiermodus arbeitet und Masteraufrufe teilweise abweichend interpretiert. Der ID-Code B kennzeichnet einen Safety at Work -Slave, der für die Übertragung von sicherheitsgerichteten Signalen ausgelegt ist. Der ID-Code ist 4Bit lang, wird vom Hersteller festgelegt und ist unveränderlich im Slave gespeichert. Der erweiterte ID-Code 1 Dieser Teil des ID-Codes ist vom Anwender veränderbar. Er kann zur Kennzeichnung von Slaves herangezogen werden, die aus Herstellersicht identisch, aus Anwendersicht aber unterschiedlich sind. So wäre etwa denkbar, Motorstarter mit einstellbarer Überstromgrenze mit unterschiedlichen ID-Code 1 Werten zu versehen, damit sie bei Ersatzeinbau in eine Anlage nicht verwechselt werden können. Er ist beim Standard-Slave 4Bit lang, beim Slave mit erweitertem Adressiermodus 3Bit lang. Der erweiterte ID-Code 2 Dieser Teil des ID-Codes dient der Erweiterung der Identifikationsmöglichkeiten von AS-i-Slaves. Er ist wie der eigentliche ID-Code 4Bit lang, wird vom Hersteller festgelegt und ist unveränderlich im Slave gespeichert. Zusammen mit der E/A-Konfiguration verweisen die ID-Codes auf ein Geräte-Profil (siehe Abschnitt ). Dieses enthält Festlegungen zu den Bedeutungen der Daten- und Parameterbits, die vom Slave erwartet bzw. gesendet werden, Festlegungen zum Verhalten des Slaves sowie ggf. weitere Definitionen, die die Austauschbarkeit von Slaves verschiedener Hersteller mit gleicher Funktion unterstützen. Seite 2

3 Der erweiterte ID-Code ist bei Slaves nach Spezifikation 2.0 nicht realisiert. Bei solchen Slaves ergänzt der Master die fehlenden Codes zu F Hex. Datenaufruf Der Masteraufruf Datenaufruf ( Data Exchange, siehe [1]) ist der wichtigste und am häufigsten verwendete AS- Interface-Aufruf. Er wird eingesetzt, um das Bitmuster für die Datenausgänge am Interface 1 des durch die Adresse angesprochenen Slaves zyklisch zu übertragen und anschließend die Eingabepegel einzulesen und in der Slaveantwort zurückzusenden. Die Datenports können auf verschiedene Weise eingesetzt werden: als Ausgänge zum Prozess, die von dem Aufruf gesetzt und gelöscht werden, und/oder als Eingänge vom Prozess, deren Zustand, durch den Aufruf angestoßen, eingelesen wird. Maßgeblich hierfür ist das Slave-Profil, das über die E/A-Konfiguration und die ID-Codes definiert ist. Sind die Datenports als Ausgänge konfiguriert, wird der zuletzt übertragene Wert im Slave gespeichert, bis er durch einen neuen Wert überschrieben oder durch ein Reset zurückgesetzt wird. Slaves können ferner mit einer Watchdog- Funktion ausgestattet sein, die die Ausgänge dann zurücksetzt, wenn die Kommunikation mit dem Master für länger als 40ms unterbrochen ist. Nach einem Reset, der etwa durch das Einschalten der Betriebsspannung ausgelöst wird, sendet der Slave erst dann Antworten auf den Datenaufruf, wenn er einmal vorher einen gültigen Parameteraufruf erhalten hat. Ein Datenaufruf an die Adresse 00 Hex ist nicht möglich; er würde vom Slave als Adressieraufruf interpretiert. Parameteraufruf Der Masteraufruf Parameteraufruf wird eingesetzt, um das Bitmuster für die Parameterausgänge am Interface 1 azyklisch zu übertragen und anschließend die Eingangspegel einzulesen und in der Slaveantwort zurückzusenden. Mit diesem Parameterport können bestimmte Funktionen im Slave ferngesteuert werden, so etwa eine Zeitfunktion aktiviert, der Schaltabstand des Sensors umgeschaltet oder bei einem Multisensorsystem von einem Messverfahren auf ein anderes umgeschaltet werden. Der zuletzt übertragene Parameterwert wird im Slave gespeichert, bis er durch einen neuen überschrieben oder durch ein Reset zurückgesetzt wird. Das Einlesen der Informationen an den Parameterports kann zur Übertragung von einfachen Diagnoseinformationen genutzt werden. Nach einem Reset werden die Parameterports in einen definierten Zustand gesetzt. Erst nach einem fehlerfrei empfangenen Parameteraufruf werden sie entsprechend eingestellt. Erst danach werden Datenaufruf -Nachrichten ordnungsgemäß ausgetauscht. Es stehen beim Standard-Slave 4Bit Parameterdaten zur Verfügung; beim Slave im erweiterten Adressiermodus 3Bit. Ein Parameteraufruf an die Adresse 00 Hex ist nicht möglich; er würde vom Slave als Adressieraufruf interpretiert. Adressieraufruf Dieser Befehl erlaubt es dem Master, die Adresse des Slaves mit der bisherigen Adresse 00 Hex permanent auf einen neuen Wert einzustellen. Der Slave quittiert zunächst den fehlerfreien Empfang des Kommandos mit der Antwort 6 Hex und ist ab diesem Zeitpunkt unter der neuen Adresse ansprechbar. Zugleich startet der Slave intern das Abspeichern der neuen Adresse in einen nichtflüchtigen Speicher. Diese Prozedur kann bis zu 500ms in Anspruch nehmen, sie darf nicht durch einen Spannungsausfall oder ein Reset-Kommando unterbrochen werden. Das Adressiergerät verwendet diesen Aufruf, um über die AS-Interface Leitung dem Slave eine neue Adresse zu übermitteln. Auch der Master kann diesen Aufruf verwenden, um den Austausch defekter Slaves zu unterstützen. Reset Slave Mit Hilfe des Kommandos Reset AS-i-Slave kann ein Slave in seinen Grundzustand versetzt werden. Es hat die gleiche Wirkung wie der Reset nach Anlegen der Betriebsspannung oder das Rücksetzen am Reset-Eingang des Interface 1. Der Slave quittiert den fehlerfreien Empfang dieses Kommandos mit der Antwort 6 Hex. Der Reset-Vorgang kann maximal 2ms dauern. Betriebsadresse löschen Das Kommando Betriebsadresse löschen dient zum vorübergehenden Löschen der Betriebsadresse des Slaves und wird im Zusammenhang mit der Adressvergabe benötigt, weil der Addressieraufruf nur von einem Slave mit der Betriebsadresse 00 Hex ausgeführt werden kann. Soll etwa ein Slave mit der bisherigen Adresse 15 Hex auf die neue Adresse 09 Hex umprogrammiert werden, kann dies nur mit der Befehlssequenz: Betriebsadresse löschen und Adressieraufruf (09 Hex) Seite 3

4 durchgeführt werden. Der Slave quittiert den fehlerfreien Empfang von Betriebsadresse löschen mit der Antwort 0 Hex und ist ab diesem Zeitpunkt unter der neuen Adresse 00 Hex ansprechbar. Das Löschen der Betriebsadresse mit diesem Kommando ist nicht permanent; soll nach Ausführung dieses Befehls die ursprünglich nichtflüchtig gespeicherte Adresse wieder geladen werden, so kann dies mit dem Befehl Reset-AS-i-Slave erfolgen. Status lesen Mit Hilfe des Kommandoaufrufes Status lesen kann das Statusregister des angesprochenen Slaves ausgelesen werden. Sein Inhalt wird in der Slaveantwort zu diesem Aufruf übertragen. Das Statusregister des Slaves enthält drei Flags, die die folgende Bedeutung haben: Flag S0 S1 S3 Bedeutung Adresse flüchtig Dieses Flag ist gesetzt, wenn die slaveinterne Routine zum permanenten Speichern der Slaveadresse läuft. Peripheriefehler Dieses Flag ist gesetzt, wenn der Slave einen Fehler in seiner Peripherie erkannt hat. Hier kann beispielsweise eine Überlast der Sensorversorgung signalisiert werden. Lesefehler nichtflüchtiger Speicher Dieses Flag ist gesetzt, wenn während eines Reset ein Lesefehler beim Lesen des nichtflüchtigen Speichers aufgetreten ist. Das Flag S2 wurde bisher nicht verwendet und ist für zukünftige Erweiterungen reserviert. Gleichzeitig mit der Antwort auf den Aufruf wird durch Abfragen des nichtflüchtigen Speichers ein Adressvergleich durchgeführt. Ist die Adresse im Adressregister ungleich der im nichtflüchtigen Speicher, wird Flag S0 gesetzt. Die Informationen des Statusregisters können vom Master für Diagnosezwecke verwendet werden. Slaves nach Spezifikation 2.0 unterstützen das Flag Peripheriefehler nicht. Wenn der Master mit einem Slave mit erweitertem ID-Code 2=F Hex kommuniziert, wertet er das Flag S1 nicht aus. Broadcast Kommandoaufrufe mit dem Informationsteil 15 Hex sind als Broadcast"-Kommandos definiert. Für sie gilt, dass sie von den Slaves nicht beantwortet werden dürfen. Insoweit sind sie untypisch für den normalen AS-i Datenaustausch. Derzeit ist nur das Broadcast-Kommando Reset definiert. Weitere Broadcast-Kommandos werden voraussichtlich in zukünftigen Versionen der Spezifikation vorgesehen. Slaves nach Spezifikation 2.0 unterstützen die Funktion Broadcast nicht. Im folgenden Bild 3.17 ist die Übersicht der Masteraufrufe angegeben, die für einen Slave mit erweitertem Adressiermodus gilt: Seite 4

5 Bild 3.17: Übersicht der Masteraufrufe an einen Slave mit erweitertem Adressiermodus Aus Bild 3.17 ist ersichtlich, dass nunmehr in zahlreichen Aufrufen ein Informationsbit als Select-Bit verwendet wird, um zwischen dem A-Slave und dem B-Slave zu unterscheiden. Die Definition des Select-Bit ist so gewählt, dass der A-Slave sich genau so verhält wie der Standard-Slave. Damit ist die Möglichkeit gegeben, auch neue Slaves in AS-i Netzwerken zu betreiben, die an alte Master angeschlossen sind Datenkonvention Über das beschriebene Nachrichtenformat hinaus ist bei AS-Interface die in Bild 3.18 dargestellte Datenkonvention vereinbart [1]. Aus Sicht des Hostsystems oder des Interface 3 bedeutet der Wert 0 eines Datenbits, dass der Sensor, der Aktuator oder die Funktion des Slaves ausgeschaltet oder inaktiv ist; der Wert 1 bedeutet eingeschaltet oder aktiv. Bild 3.18: Konvention für die Datenübertragung Da diese Konvention im Interface 2 nicht in gleicher Weise gilt, muss der Master bei Datenausgaben (und nur dort!) die Datenbits invertieren. Ferner muss beachtet werden, dass diese Definition bei der Parameterein- und -ausgabe nicht gilt. Da Parameter systeminterne Daten sind, wurde bei ihnen auf die Invertierung durch den Master verzichtet Funktionsablauf im Slave Die Zustände, die die Ablaufsteuerung im Slave einnehmen kann, und die möglichen Übergänge zwischen denselben sind in dem Zustandsdiagramm in Bild 3.19 dargestellt. Nach einem RESET durchläuft der AS-Interface-Slave den Zustand INITIALISIEREN. Er führt dabei folgende Funktionen aus: Seite 5

6 Rücksetzen der Ausgänge, der internen Register und Flags Laden der Adresse, der E/A-Konfiguration und der ID-Codes aus dem nichtflüchtigen Speicher, Wechseln in den Zustand ASYNCHRON. Bild 3.19: Haupt-Zustandsdiagramm der Ablaufsteuerung im Slave Wenn die Ablaufsteuerung beim Lesen des nichtflüchtigen Speichers Fehler feststellt, setzt sie Flag S3 im Statusregister. Dies kann beispielsweise auch dann vorkommen, wenn während der Ausführung des Adressieraufrufes ein Spannungsausfall auftritt und deshalb der Speichervorgang im nichtflüchtigen Speicher nicht abgeschlossen werden kann. Im Zustand ASYNCHRON liest der Slave den auf der Leitung ankommenden Datenstrom ein und wartet auf eine Pause. Im Zustand EMPFANGEN wird, beginnend mit dem nächsten Startbit, ein Datentelegramm eingelesen und die in Abschnitt beschriebene Prüfung durchgeführt. Bei fehlerhaftem Empfang geht der Slave wieder in den Zustand ASYNCHRON, wo er auf die nächste Pause wartet; wenn bei der Prüfung keine Fehler festgestellt wurden, geht er in den Zustand DECODIEREN über. Im Zustand DECODIEREN wird zunächst ein Adressvergleich durchgeführt. Nur bei übereinstimmenden Adressen wird das Kommando analysiert, ausgeführt und ggf. eine Antwort generiert. Diese wird im Zustand SENDEN an den Master zurückübermittelt. Weil die Kommunikation mit dem nichtflüchtigen Speicher längere Zeit in Anspruch nehmen kann (je nach Aufruf und IC-Ausführung bis zu 500ms), läuft sie im Hintergrund ab. Sie stört den Datenverkehr zwischen Master und Slave nicht, der Master muss jedoch die Ausführungszeiten berücksichtigen. Nach der Initialisierung wird der Slave zwar alle Kommandos ausführen, aber nicht sofort auf Datenaufrufe antworten. Erst nachdem ein gültiger Parameteraufruf empfangen worden ist, wird der Datenaustausch freigegeben. Dieses Verhalten soll sicherstellen, dass der Slave sich im gewünschten Betriebszustand befindet, bevor Daten ausgegeben werden Funktionsablauf im Master Seite 6

7 Bild 3.20: Haupt-Zustandsdiagramm (vereinfacht) des Masters Im Normalbetrieb nach Abschluss der Erkennungs- und Aktivierungsphase (die im Abschnitt näher behandelt wird) findet eine zyklische Kommunikation zwischen dem Master und allen angeschlossenen Slaves statt. Ein solcher Zyklus besteht aus der Datenaustauschphase, der (optionalen) Managementphase und der Aufnahmephase. Die beiden im Bild 3.20 dargestellten Datenaustauschphasen unterscheiden sich nur dann voneinander, wenn A- und B- Slaves unter einer Adresse im Netz vorhanden sind. In der Datenaustauschphase fragt der Master nacheinander alle aktivierten Slaves mit einem Datenaufruf ab; dabei werden die Zustände aus dem Ausgangsdatenabbild zum Slave übertragen und die Eingangssignale, die in der Slaveantwort enthalten sind, im Eingangsdatenabbild abgelegt. Meldet die Übertragungsebene einen Fehler, wird der Aufruf in bis zu drei aufeinanderfolgenden Zyklen wiederholt. Schlägt auch der dritte Versuch fehl, wird davon ausgegangen, dass der entsprechende Slave fehlt oder defekt ist. Der Slave wird dann aus allen Listen des Masters ausgetragen, das Eingangsdatenabbild wird auf Null gesetzt. Diese über mehrere Zyklen verteilte Fehlerbehandlung ist notwendig, weil durch die kurzen Telegramme ein Störburst mit extrem hoher Amplitude mehrere Zyklen stören kann. Die Wiederholung der Aufrufe stellt auch unter diesen Bedingungen einen zuverlässigen Betrieb sicher. Einzelne Störimpulse oder Störungen, die im Rahmen der industrieüblichen Schärfegrade liegen, werden durch die sofortige Wiederholung schon in der Übertragungsebene abgefangen, ohne dass sich dadurch das Zeitverhalten nennenswert ändert. Nach Abschluss der Datenaustauschphase wird bei Bedarf in die Managementphase übergegangen. In der Managementphase werden azyklische Telegramme übertragen. Pro Zyklus kann hier genau ein Masteraufruf durchgeführt werden, mit dem die für die Ausführung der Funktionen der Ablaufkontrollebene (z.b. Parameter setzen oder Betriebsadresse ändern) notwendigen Daten, zum Teil über mehrere Zyklen verteilt, übertragen werden. Liegt kein Auftrag vor, wird unmittelbar mit der Aufnahmephase fortgefahren, es wird kein Telegramm übertragen. Folgende Aufträge können während der Managementphase durchgeführt werden: Setzen der Parameterwerte, Lesen eines Slavestatus, Lesen der E/A-Konfiguration, Lesen der drei ID-Codes, Schreiben des erweiterten ID-Codes 1, Zurücksetzen der Betriebsadresse eines Slaves auf 0, Zuweisen einer neuen Betriebsadresse an Slave 0, Rücksetzen eines Slaves oder Durchführen eines Broadcasts. Nach Abschluss der Managementphase wird die Aufnahmephase bearbeitet, in der am Ende jedes Zyklus nach neu hinzugekommenen Teilnehmern gesucht wird. Während jeder Aufnahmephase wird nach genau einem Slave mit dem Aufruf Status lesen gesucht. Dieser Aufruf wird von der Übertragungsebene ohne Wiederholung im Fehlerfall durchgeführt, weil ein Übertragungsfehler an dieser Stelle zeitunkritisch ist. Bei aktivierten Slaves wird in der Aufnahme- Seite 7

8 phase mit diesem Aufruf die Peripheriefehler-Information der Slaves eingesammelt. Das hat den Vorteil, dass dadurch keine Verlängerung des Zyklusses erforderlich wird. Andererseits dauert das Abfragen aller Peripheriefehlerinformationen mehrere Zyklen. Bereits aktivierte Slaves erhalten außerdem noch den Aufruf "ID-Code lesen", damit eventuell später angeschlossene passive Geräte im Netzwerk (z.b. Diagnosegeräte) die Slaves identifizieren können. Antwortet ein Slave, der schon aktiviert ist oder bleibt die Slaveantwort aus, dann wird in der nächsten Aktivierungsphase nach dem nächsten Slave gesucht. Antwortet ein Slave, der bisher noch nicht erkannt war, wird in den nächsten Aufnahmephasen die vollständige Identifikation des Slaves ermittelt. In der nächstfolgenden Aufnahmephase wird dann der Slave in Abhängigkeit vom gewählten Betriebsmodus aktiviert. Die Aktivierung erfolgt durch Schreiben der Parameter aus dem Feld der Parameter. Eine Aufnahme bzw. Wiederaufnahme eines Slaves erstreckt sich daher über mehrere Aufnahmephasen. Der Vorgang, der hier verteilt über mehrere Zyklen mit einem Telegramm pro Zyklus abläuft, ist der gleiche wie der, mit dem Slaves im Anlaufbetrieb gesucht und aktiviert werden. Sähe man sich den hier beschriebenen Ablauf eines AS-i Zyklus mit dem Oszilloskop auf der AS-i Leitung an, dann ergäbe sich der in Bild 3.21 dargestellte Verlauf auf dem Schirm. Bild 3.21: AS-i Zyklus Geräte-Profile Gemäß IEC (Entwurf [21]) besteht ein Geräte-Profil aus Daten und Parametern, die mit einem Gerät ausgetauscht werden können sowie dem Zustandsdiagramm, das Auskunft über das Verhalten des Gerätes am Kommunikationsnetzwerk gibt. Geräte-Profile sind zunächst unabhängig von der Ausprägung des verwendeten Feldbussystems. Bei AS-Interface heißen diese Geräte-Profile Slave Profiles (im Gegensatz zu den Master- Profiles, siehe Abschnitt 3.4.9). Ein Slave-Profil legt folgende Eigenschaften eines Slaves eindeutig und verbindlich fest: Welche Datenbits Informationen tragen und welche Bedeutung diese Informationen haben, Ob Parameter verwendet werden und, wenn ja, welche Bedeutung sie haben, Welcher Adressiermodus verwendet wird, Ob das Peripherie-Fehlerbit ausgewertet werden darf, Welches Verhalten der Slave aufweist. Ein Beispiel für ein typisches Zustandsdiagramm eines einfachen Slaves ist in Bild 3.22 dargestellt. Im Falle eines Slaves, der beispielsweise Digitaldaten über mehrere Zyklen verteilt übermittelt, ist das Zustandsdiagramm natürlich etwas komplexer. Dies ist allerdings eine Information, die nur für den Master- und den Slave-Entwickler von Bedeutung ist; der Anwender braucht sich um diese Abläufe nicht zu kümmern. Die eindeutige Zuordnung eines Slaves zu einem Profil ist über die Kombination aus E/A-Konfiguration, ID-Code und erweiterter IDCode 2 gegeben. Seite 8

9 Bild 3.22: Zustandsdiagramm eines Slaves nach einem Geräte-Profil Weiter legt das Profil in vielen Fällen fest: welche Logik-Pegel an den Ein- und Ausgängen des Slavemoduls definiert sind, welche Zeitverzögerungen bei Ein- und/oder Ausgangssignalen ggf. zu berücksichtigen sind, welche Steckerbelegungen einzuhalten sind und wie die Beschriftung des Moduls auszusehen hat. Bild 3.23: Belegung für M12-Steckverbindungen an AS-i Slaves (hier: Buchse) Im Bild 3.23 sind die in den Profilen vorgesehenen Steckerbelegungen für die am weitesten verbreitete M12- Steckverbindung dargestellt. Diese Festlegungen sind soweit möglich kompatibel zu den Normen für die anschließbaren Produkte (z.b. IEC [16]). Mit diesen zusätzlichen Festlegungen wird die Interoperabilität zwischen Produkten verschiedener Hersteller unterstützt. Um Weiterentwicklungen oder das Angebot von Sondermodulen nicht durch zu enggefasste Profildefinitionen zu behindern, steht das freie Profil mit dem ID-Code F Hex zur Verfügung. Hier dürfen bzw. müssen wesentliche Teile der Geräte-Profil-Definition zwischen Hersteller und Anwender vereinbart werden. Die Übersicht in Bild 3.24 zeigt die derzeit verfügbaren Profile. Weitere werden von der technischen Kommission der AS-International Association laufend beraten und verabschiedet. Seite 9

10 Bild 3.24: Slave-Profile (I: Input, O: Output, B: bidirektionaler Port, T: Tristate, R: reserviert) Die kombinierten Transaktionen Obgleich die meisten der AS-Interface Slaves mit nur wenigen zyklisch ausgetauschten Daten- und azyklisch übertragenen Parameterbits an Informationen auskommen, gibt es doch zahlreiche Anwendungen, wo dies allein nicht ausreicht. Für diese Aufgabenstellungen wurden in der Version 3.0 der Spezifikation nunmehr einige Lösungen geschaffen, die im folgenden im Detail beschrieben werden sollen. Gemeinsames Kennzeichen dieser Lösungen ist, dass mehrere Nachrichten nacheinander zwischen Master und Slave ausgetauscht werden, deren Inhalte in einem definierten Zusammenhang stehen. Diese Art der Kommunikation zwischen Master und Slave wird daher "kombinierte Transaktionsart" (englisch: "Combined Transaction Types", abgekürzt: CTT) genannt. Der Master erkennt am Profil des Slaves, dass dieser auf eine der definierten "kombinierten Transaktionsarten" kommunizieren möchte und beginnt automatisch mit dem Austausch der notwendigen Informationen und dem zyklischen Datentransfer. Bild 3.24a: einfache Transaktion Zum Vergleich ist in Bild 3.24a der Daten- und Parameteraustausch mit einem Standard-Slave dargestellt. Die linke Hälfte des Bildes zeigt den zyklischen Datenaustausch: mit jedem AS-Interface Telegramm werden 4 Bit Daten vom Master zum Slave übertragen und 4 Bit Daten vom Slave zurück zum Master. Im ungünstigsten Fall wird der Slave alle 5ms mit einem Datentelegramm angesprochen, die Zykluszeit beträgt also maximal 5ms. Die rechte Hälfte des Bildes stellt den azyklischen Datenaustausch über den Parameteraufruf dar. Hier werden ebenfalls 4 Bit Parameter vom Master zum Slave übertragen. In der neuen Spezifikation Version 3.0 ist nun auch der Rücktransfer von 4 Bit Parameterdaten vom Slave zum Master beschrieben, diese Bits dürfen also zur Signalisierung etwa von einfachen Diagnoseinformationen verwendet werden. Da nur ein Parametertelegramm pro AS-Interface Zyklus versendet werden darf und im ungünstigsten Fall jeder Slave mit Parameterdaten versorgt werden muss, errechnet sich eine minimale Transferrate von 25Baud (Bit/Sekunde) in jeder Richtung. Eine Zykluszeitangabe ist hier nicht sinnvoll, weil diese Daten ja gerade nicht zyklisch übertragen werden. Zum Austausch von zyklischen digitalen Daten, also etwa einem gemessenen und digitalisierten Temperaturmesswert, einem Zählerstand, einem Drehzahl-Sollwert oder einer Weg- oder Winkelangabe, wurde im Master das Seite 10

11 "Analoge Eingangsdaten-Abbild" (englisch: Analog Input Data Image, AIDI) und das "Analoge Ausgangsdaten-Abbild" (AODI) mit je 124 Worten Kapazität geschaffen (siehe Bild 3.36). Für die azyklischen Daten, das sind typischerweise Diagnosedaten, Parameterdaten oder Daten, die den Slave im Detail identifizieren, steht in den Mastern ein Datenkanal zur Verfügung, der ähnlich wie der bisher bekannte Parameterkanal aufgebaut ist. Mit ihm lassen sich Datenpakete mit Längen bis zu 32 Byte mit dem Slave austauschen. Inzwischen sind 5 verschiedene Möglichkeiten des byteweisen Datenaustausches zwischen Master und Slave von AS-International spezifiziert worden. Diese werden im folgenden eingehender beschrieben. Die in den Bildern angegebenen Datenmengen sind Nettodaten, die Zykluszeiten sind die maximalen Zeiten, die unter ungünstigsten Umständen auftreten können. Voraussetzung für die Verwendung dieser Transaktionsarten ist, dass ein Master zum Einsatz kommt, der diese unterstützt. CTT1 Die kombinierte Transaktionsart 1 (CTT1) ist vorgesehen für einfache und komplexe Sensoren oder Aktuatoren wie etwa Temperatur-, Druck- oder Durchflusstransmitter, Weg- und Winkelmesssysteme, Scanner, drehzahlgeregelte Motoren, analoge Prozessventile, Anzeigen mit bis zu 8 Stellen oder ähnliche Feldgeräte. Der Slave kann ausschließlich im Standard-Adressiermodus betrieben werden. Ein Umschalten der Transferrichtung für die zyklischen Daten im laufenden Betrieb ist nicht möglich. Während Slaves mit dem Profil S-7.3 nur zyklische Daten empfangen oder senden können und eine Parametrierung lediglich über die 4 Bit Parameter erfolgen kann (Bild 3.24c), bietet das Profil S-7.4 erweiterte Möglichkeiten der Kommunikation: Hier können durch Umschalten auf den Parameterkanal die ID-Daten und Diagnosedaten des Slaves abgefragt und Parameterdatensätze ausgetauscht werden (Bild 3.24d). In den ID-Daten ist u.a. der Hersteller (Vendor-ID) und der Gerätetyp (Device ID) codiert enthalten. Weiter wird der Betriebsmodus des Slaves (analoger Modus, transparenter Modus, 4 Bit Modus) übermittelt. Im analogen Modus wird der verfügbare Zahlenbereich von (8000 Hex ) bis (7FFF Hex ) üblicherweise in fünf Bereiche eingeteilt (Bild 3.24b zeigt dies am Beispiel eines 4..20mA Signals): Bild 3.24b: Fehler-, Warn- und Arbeitsbereiche eines Analogsensors am Beispiel eines 4..20mA Signals 1. Fehlerbereich "Drahtbruch" der Messwert ist ungültig, das Überlaufbit ist gesetzt 2. Unterlastbereich der Messwert ist zwar gültig, hat aber eine größere Messunsicherheit, weil er sich außerhalb des Nennbereiches befindet 3. Arbeitsbereich der Messwert wird mit der spezifizierten Genauigkeit erfasst 4. Überlastbereich der Messwert ist zwar gültig, hat aber eine größere Messunsicherheit, weil er sich außerhalb des Nennbereiches befindet 5. Fehlerbereich "Kurzschluss" der Messwert ist ungültig, das Überlaufbit ist gesetzt Die genauen Grenzen des Nenn- und der Über- bzw. Unterlastbereiche sowie der Fehlerbereiche sind im Datenblatt des Herstellers definiert. Der Default-Wert, der etwa bei Unterbrechung der Kommunikation im Empfänger ersatzweise eingetragen wird, ist 7FFF Hex. Im transparenten Modus können 16 Bit Daten in beliebigem Format übertragen werden. Es gibt keinen Über- oder Unterlauf des Messwerts, das entsprechende Bit wird nicht gesetzt. Der Default-Wert, der bei Unterbrechung der Kommunikation im Empfänger ersatzweise eingetragen wird, ist 0000 Hex. Im 4 Bit Modus verhält sich der Slave wie ein Standard-Slave, mit dem 4 Bit Daten in beiden Richtungen zyklisch ausgetauscht werden. Hier wird der CTT1 also lediglich zur Identifizierung des Slaves, zur detaillierten Diagnose und zur Parametrierung verwendet. Seite 11

12 Bild 3.24c: CTT1 (Profil S-7.3) für einfache Sensoren oder Aktuatoren Die in den Bildern 3.24c und 3.24d angegebenen Worst-Case Zeiten bzw. Datenraten können bei optimaler Nutzung der Möglichkeiten von AS-Interface halbiert bzw. verdoppelt werden, nämlich dann, wenn der Slave seine Antwort auf den Aufruf des Masters in der gleichen Nachricht zurücksendet und nicht einen ganzen Zyklus dafür verstreichen lässt. Zu beachten ist, dass die Umschaltung zwischen dem zyklischen Datenaustausch und dem Parameteraustausch eine gewisse Zeit (einige 100ms) in Anspruch nehmen kann und dass während des azyklischen Datenaustausches keine zyklischen Daten übertragen werden können. CTT2 Die kombinierte Transaktionsart 2 (CTT2) ist für einfache und komplexe Feldgeräte wie etwa Temperaturregler, Anzeigen mit mehr als 8 Zeichen, drehzahlgeregelte Motoren mit Istwert-Rückmeldung, analoge Prozessventile mit Stellungs-Rückmeldung oder ähnliche Feldgeräte gedacht, bei denen digitale Daten in beiden Richtungen ausgetauscht werden müssen (Bild 3.24e). CTT2 kann mit kleinen Einschränkungen auch als Alternative für eine HART- Schnittstelle zu einem Feldgerät dienen. Der Slave kann im Standard-Adressiermodus, aber auch im erweiterten Adressiermodus betrieben werden. Der Datenverkehr funktioniert voll duplex, d.h. es können zeitlich parallel sowohl Binärdaten als auch digitale Ein- und Ausgabedaten übertragen werden. Eine spezielle Umschaltung der Datentransferrichtung ist nicht erforderlich. Seite 12

13 Bild 3.24d: CTT1 (Profil S-7.4) für parametrierbare Sensoren oder Aktuatoren Diese Transaktionsart erlaubt den Betrieb von "Kombi-Feldgeräten". Darunter sollen solche Geräte verstanden werden, die sowohl über binäre als auch digitale Ein- und Ausgänge verfügen. Die binären Ein- und Ausgänge können etwa zur schnellen Anzeige einer Grenzwert-Über- oder Unterschreitungen verwendet werden, die parallel dazu verfügbare digitale Übermittlung des genauen Messwertes kann zu Diagnose- und Wartungszwecken dienen. Über den Parameterkanal können bei dieser Transaktionsart ebenfalls die ID-Daten des Slaves einschließlich Vendor- ID, Produkt-ID und Betriebsmodus übermittelt werden. Außerdem können umfangreiche Diagnose- und Parameterdatensätze ausgetauscht werden. Wenn azyklische digitale Daten ausgetauscht werden, wird der zyklische digitale Datenverkehr für die Dauer der Übertragung unterbrochen, die zyklische Übertragung der binären Daten bleibt unverändert erhalten. Die verwendeten Datenformate sind die gleichen wie bei CTT1. Die in Bild 3.24e angegebenen Worst-Case Zeiten bzw. Datenraten können bei optimaler Nutzung der Möglichkeiten von AS-Interface halbiert bzw. verdoppelt werden, nämlich dann, wenn der Slave seine Antwort auf den Aufruf des Masters in der gleichen Nachricht zurücksendet und nicht einen ganzen Zyklus dafür verstreichen lässt. Um die nun mögliche Parametervielfalt beherrschen zu können, wird derzeit daran gearbeitet, AS-Interface in den FDT-Standard einzubinden. Damit steht eine herstellerübergreifende Plattform zur Verfügung, über die etwa die Parametrierung komfortabel durchgeführt und Ferndiagnose und -wartung abgewickelt werden können. Seite 13

14 Bild 3.24e: CTT2 für Kombi-Feldgeräte (hier nicht dargestellt: das Profil S-B.A.E) CTT3 Die kombinierte Transaktionsart 3 (CTT3) ist für binäre Sensoren, Aktuatoren und Feldgeräte wie etwa Eingabetastenfelder mit Rückmeldeleuchten, Ventilinseln, Signalsäulen und ähnliche Geräte gedacht, bei denen binäre Daten in beiden Richtungen ausgetauscht werden müssen. Weiter können auch einfache analoge Sensoren oder Aktuatoren mit CTT3 betrieben werden, wenn eine Auflösung von 8 Bit ausreichend ist. Der Slave wird im erweiterten Adressiermodus betrieben (Bild 3.24f). Mit dem Profil S-7.A.7 wird das wegen der erweiterten Adressierbarkeit "verlorengegangene" Ausgangsdatenbit wieder verfügbar. Dies geht allerdings zu Lasten der Reaktionszeit, die bei dieser Transaktionsart bis zu max. 40ms betragen kann. Die in Bild 3.24f angegebenen Worst-Case Zeiten bzw. Datenraten (Ausnahme: Digitale Eingabe bei Profil S-7.A.7) können bei optimaler Nutzung der Möglichkeiten von AS-Interface halbiert bzw. verdoppelt werden, nämlich dann, wenn der Slave seine Antwort auf den Aufruf des Masters in der gleichen Nachricht zurücksendet und nicht einen ganzen Zyklus dafür verstreichen lässt. Würde man ein AS-Interface Netzwerk mit 62 Slaves des Profiles S-7.A.A ausrüsten, dann stünden insgesamt 496 binäre Eingänge und 496 binäre Ausgänge zur Verfügung, insgesamt also fast 1000 E/As. Seite 14

15 Bild 3.24f: CTT3 für Tastenfelder, Ventilinseln und ähnliche Geräte Bild 3.24g: CTT4 für ein- oder zweikanalige analoge Sensoren CTT4 Die kombinierte Transaktionsart 4 (CTT4) ist für einfache analoge Sensoren wie etwa Temperatur-, Druck- oder Durchflusstransmitter und ähnliche Geräte vorgesehen, bei denen digitale Daten nur vom Slave zum Master hin übertragen werden müssen. Der Slave wird im erweiterten Adressiermodus betrieben (Bild 3.24g). Diese Transaktionsart ist eine Ergänzung zu CTT1. CTT5 Die kombinierte Transaktionsart 5 (CTT5) ist auf schnelle Datenübertragung hin optimiert. Sie kann für schnelle Sensoren wie Winkelcodierer, Aktuatoren und Feldgeräte verwendet werden, die etwa Bestandteile von dynamischen digitalen Regelkreisen sind. Es können wahlweise 8 Bit, 12 Bit oder 16 Bit Daten vollduplex in 5ms übertragen werden (Bild 3.24h). Dies wird unter Verwendung von mehreren Slaveadressen auf folgende Weise organisiert: Die niedrigste Adresse von 2, 3 oder 4 aufeinander folgenden Adressen ist die physikalische Adresse des Slaves. Dieser Slave Seite 15

16 verwendet die nächsthöheren Adressen zur Verbreiterung seines Datenkanals mit. Auf diese Weise kann ein digitaler Wert bis zu 16 Bit Auflösung in einem einzigen AS-Interface Zyklus vollständig übertragen werden. Die "Schattenadressen" dürfen dabei natürlich nicht von anderen Slaves belegt sein. Der Slave belegt 2, 3 oder 4 Standard- Adressen. Der Ausgabewert wird im analogen Ausgangsdaten-Abbild des Slaves mit der niedrigsten Adresse bereitgestellt, der Eingabewert im entsprechenden Feld des analogen Eingangsdaten-Abbilds. Die Felder der "Schattenslaves" bleiben leer. Bei Slaves, die diese Transaktionsart verwenden, muss beachtet werden, dass die Mechanismen zur automatischen Adressierung nicht in gleicher Weise funktionieren wie bei anderen Slaves. Es kann also notwendig werden, dass der Anwender besondere Maßnahmen ergreifen muss, wenn er Slaves mit CTT5 einsetzt. Bild 3.24h: CTT5 für schnelle analoge Sensoren, Aktuatoren und Feldgeräte Auch die Kommunikation mit sicheren Slaves gehört zu den "kombinierten Transaktionsarten". Hier findet die Kommunikation aber nicht primär zwischen Master und Slave, sondern vielmehr zwischen Slave und Safety Monitor statt. Dies wird im Abschnitt 4 dieses Buches ausführlich behandelt. Insgesamt stehen nun verschiedene sich ergänzende Methoden zur Verfügung, über AS-Interface auf einfache Art und Weise Analogdaten, Parameterdaten, ID-Daten und detaillierte Diagnosedaten auszutauschen. Es ist Aufgabe des Produktentwicklers, aus der Vielzahl der Möglichkeiten das für die zu lösende Aufgabe richtige Verfahren auszuwählen. Für den Anwender stellen sich die neuen Kommunikationsarten so einfach dar, wie er es bisher bei AS- Interface gewohnt war: "Click and Go" auch für die Welt der Analogtechnik. Seite 16