Die Sensorik lernt sprechen mit dem Aktuator - Sensor - Interface

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1 Die Sensorik lernt sprechen mit dem Aktuator - Sensor - Interface Durchgängige Datenübertragung bis zum Aktuator und Sensor erschließt neue Möglichkeiten für die Automatisierungstechnik Ein höherer Automatisierungsgrad von Produktionsanlagen wird in allen Bereichen der Industrie angestrebt. Dies erfolgt nicht nur um Herstellungskosten zu senken sondern auch um die Produktionsanlagen bedarfsgerecht zu steuern. Eine flexibel zu handhabende Produktpalette sowie kurze Reaktionszeiten bei Anpassung an den Markt bringen unschätzbare Wettbewerbsvorteile. Eine optimale Steuerung der Produktionsprozesse kann nur gelingen wenn die anfallenden Daten durchgängig über alle Bereiche der Produktionsanlagen hinweg verfügbar werden. Prozeßdaten - dies sind die vielen kleinen Bits die direkt vor Ort, beim Produktionsprozeß als Schaltinformationen, Meßwerte und Steuerinformationen anfallen. Der einzelne Datenwert ist hierbei nicht sehr groß (einzelne Bits bis Bytes) die Menge jedoch ist ungeheuer. So sind zum Beispiel bei einer automatischen Lagereinheit oder einem Transportsystem in der Fertigung ohne weiteres einige hundert Näherungsschalter, Lichtschranken, Endschalter, Schütze Relais und Signalgeber enthalten. Daten, die hierbei von den beteiligten Sensoren anfallen und auch für Aktuatoren bestimmt sind wurden bisher in konventioneller Weise mit Punkt-zu-Punkt Verdrahtung an den übergeordneten Steuerungen angeschlossen. Die komplexeren Bereiche der industriellen Kommunikation waren für die einfachen binären Sensoren und Aktuatoren vor allem aus Kostengründen und wegen der Komplexität der Anschlüsse direkt nicht erreichbar. Kommunikation im Kleinsten In einer Gemeinschaftsentwicklung von 11 namhaften Sensor-, Aktuator- und Steuerungsherstellern sowie unter Beteiligung von zwei Hochschulen wurde die Technologie des Aktuator-Sensor-Interface (AS-Interface) entwickelt. Diese Technik ermöglicht nunmehr auch den kleinsten Prozeßeinheiten, den binären Aktuatoren und Sensoren die Teilnahme an der industriellen Kommunikation. AS-Interface bietet als komplette Systemlösung einfache Realisierung leichte Anwendbarkeit kostengünstige Installation direkte Integration in Sensoren und Aktuatoren Support durch zahlreiche Hersteller Die Technik des AS-Interface bietet den Aktuator-Sensor-Herstellern neue Möglichekiten zur Vereinfachung der Verkabelung als auch zur Entwicklung neuartiger Aktuatoren und Sensoren mit zusätzlichen Funktionen. Seite 1

2 ASI in der Kommunikations-Landschaft Die breite Basis einer modernen Produktionsumgebung bildet die Feldbusebene mit der unterlagerten Prozeßebene. Die in diesem Bereich zahlreich anzutreffenden Klein- und Kleinststeuerungen sowie Sensoren und Aktuatoren werden in zunehmendem Maße in die industrielle Kommunikation einbezogen. Feldbussysteme wie der PROFIBUS decken hierbei einen wesentlichen Teil der geforderten Funktionalität ab. Eine Integrationsmöglichkeit für Aktuatoren und Sensoren in ein modernes Kommunikationskonzept ermöglicht das neue Aktuator-Sensor-Interface. Die funktionale Struktur einer modernen Kommunikationslandschaft am Beispiel der, bei Siemens eingesetzten Kommunikationssysteme zeigt das nachfolgende Bild. Das, im Bereich der Prozeßebene realisierte Aktuator-Sensor-Interface wird hier mit dem Produktnamen SINEC S1 angesprochen. SINEC H3 FDDI SINEC S1 (AS-I) Leitebene SINEC H1 Ethernet Zellenebene Feldebene Prozeß- Ebene SINEC L2 SINEC S1 PROFIBUS Aktuator- Sensor- Interface Bild 1: Industrielle Kommunikation Anwendungsbereich der AS-Interface Technik ist die unterste Prozeßebene. Hier verbindet die AS- Interface-Leitung einfachste binäre Aktuatoren und Sensoren mit der Steuerungsebene. Hierbei kennzeichnen AS-Interface zwei wesentliche Merkmale: Übertragung rein "binärer" Informationen Hilfenergieversorgung der Aktuatoren und Sensoren über die gemeinsame Zweidrahtleitung. Als echter Aktuator-Sensor-Bus bietet AS-Interface eine sinnvolle Ergänzung zu bestehenden Feldbussystemen wie beispielsweise PROFIBUS. Übergänge von AS-Interface, der Prozeßebene, zu den übergeordneten Kommunikationssystemen wie PROFIBUS ermöglichen eine vollständige Integration der Sensoren und Aktuatoren in eine moderne Automatisierungsumgebung. Unübersichtliche Kabelbäume werden durch eine, den Prozeßanforderungen angepaßte Kommunikationsleitung ersetzt. Seite 2

3 Die bewußte Einschränkung des Datenaustauschs auf binäre Informationen ermöglicht kleine Abmessungen des AS-Interface-Chips. Dieser rund 12mm x 8mm große, als anwenderspezifischer ASIC realisierte 20 Pin SMD IC kann auch in kleine, binäre Aktuatoren und Sensoren (Slaves) direkt intergriert werden. Damit werden jetzt auch solche Aktuatoren und Sensoren kommunikationsfähig, für die ein direkter Feldbusanschluß bisher technisch nicht realisierbar oder nicht wirtschaftlich war. Jeder AS- Interface-Slave kann vier Binärelemente wahlweise als Eingang oder als Ausgang ansprechen. Bei Vollausbau mit 31 Slaves lassen sich bis zu 124 Binärelemente ansprechen. Verbindendes Element bei AS-Interface ist die gemeinsame Zweidrahtleitung. Diese überträgt nicht nur die Daten zwischen Master und den Slaves, sondern sie versorgt auch die Slaves mit Hilfsenergie. Die Verdrahtung der Slaves erfolgt auf einfache Weise in Form einer Baumstruktur. Vorzüge der einfachen Verlegung sind eine günstigere Installation, übersichtliche Kabelstrukturen für Service und Wartung sowie geringere Verkabelungskosten. Die bei den AS-Interface Klemmen eingesetzte Durchdringungstechnik bietet bei der Installation Vorteile. Auch nicht speziell geschultes Personal kann die Installation durchführen. Die Datenübertragung zwischen der AS-Interface Masterbaugruppe (z.b: SINEC S1 CP2433 für SIMATIC S5-95U oder CP2413 für AT-PC) und allen Slaves wird in einem Zyklus von maximal 5ms abgewickelt. Kenndaten eines AS-Interface-Systems Netzstruktur Übertragungsmedium Leitungslänge Zahl der Slaves Zahl anschließbarer Sensoren/Aktuatoren Adressierung Nachrichten Nettodatenrate Zykluszeit Fehlersicherung Geräteschnittstelle des AS- Interface-Chip Dienste des Masters Managementfuntkionen des Masters Linien- und Baumstruktur ungeschirmte Zweidrahtleitung für Daten und Energie max. 100 m max. 31 Slaves je Segment bis zu 4 je Slave (max. 124 Binärelemente je Segment) feste Adresse der Teilnehmer; Einstellung über Adressiergerät Nachricht vom Master mit direkter Antwort des Slave 4 Bit je Aufruf eines Slave < 5ms bei 31 Slaves Identifikation und Wiederholung gestörter Telegramme 4 konfigurierbare Ein- / Ausgänge für Daten sowie 4 Parameterausgänge und 2 Steuerausgänge (Strobe) zyklische Abfrage aller Teilnehmer (Polling), zyklische Datenweitergabe an bzw. Übernahme vom Host (SPS, PC) Initialisierung des Netzes, Identifikation der Teilnehmer, azyklische Vergabe von Parameterwerten an die Teilnehmer, Diagnose der Datenübertragung und der AS-Interface Slaves, Fehlermeldung an die Steuerung, Adressierung ersetzter Slaves Seite 3

4 Übertragungstechnik bei AS-Interface Ein wesentliches Merkmal der AS-Interface Technik ist die Verwendung einer gemeinsamen zweiadrigen Leitung für die Datenübertragung und die Verteilung der Hilfsenergie. Es wird eine serielle Basisband- Übertragung eingesetzt. Das Nachrichtensignal wird hierbei der Energieversorgung aufmoduliert. Da die AS-Interface-Leitung in nicht abgeschirmter Ausführung eingesetzt wird kommt eine Signalform zur Anwendung die eine elektromagnetische Abstrahlung auf geringe Pegel reduziert. Da bisherige Modulationsverfahren nicht alle geforderten Eigenschaften aufweisen wurde für AS-Interface die "Alternierende Puls Modulation (APM)" neu entwickelt. Eine wesentliche Eigenschaft dieser Modulation ist eine niedrige Grenzfrequenz und eine geringe Störabstrahlung. Die vom jeweiligen Sender intern erzeugten seriellen digitalen Signalfolgen werden Manchester-codiert und von einer Ausgangsstufe in einen Sendestrom umgewandelt. Im Zusammenspiel mit der, im AS-Interface Netzteil eingebauten Datenentkopplung (R,L) erzeugt der Sendestrom Spannungspulse in angenäherter sin² Form auf der AS- Interface Leitung (Bild). Praxistests haben gezeigt, daß zum Schutz gegen symmetrische Störeinkopplung eine Verbindung des, im Bild dargestellten GND-Anschlußes mit der Anlagen-Erde wichtig ist. Dies ist der einzige Anschluß, der bei AS-Interface geerdet werden darf. Aufgrund der Gesamtkonzeption der Übertragunstechnik ist grundsätzlich auf einen symmetrischen Aufbau des Gesamtsystems zu achten (Netzteil, Leitungen, Slave-Schaltung). Manchester kodierte Bitfolge Sendestrom 0-60 ma Netz 230V Netzteil CE CE R L R ASI+ ASI- Ub+2V Signale auf der AS-I Leitung Ub Ub-2V R = 39 Ohm L = 50 µh Bild 3: Aufbau AS-Interface Netzteil L GND Bild 2: Signalformen Kommunikation zwischen Master und Slave Die Kommunikation zwischen Master und Slave erfolgt in einem Polling Zyklus (< 5ms). Der Master sendet ein "Masteraufruf" genanntes Telegramm an einen Slave. Dieser Slave antwortet hierauf mit den bei ihm vorliegenden Daten. Im Masteraufruf ist die Adresse des jeweils angesprochenen Slaves enthalten. Somit wird ein Slave zu einer Zeit eindeutig angesprochen. Ein kompletter Polling-Zyklus (AS-Interface Zyklus) spricht alle angeschlossenen Slaves nacheinander an. Der Master überwacht die Reaktion der Slaves und ergreift zusätzliche Maßnahmen zur Wiederaufnahme eines Slaves sofern dieser kurzzeitig ausgefallen sein sollte. Bild 4: Polling-Zyklus Seite 4

5 Aufbau eines AS-Interface Systems Ein AS-Interface System besteht im wesentlichen aus den Komponenten Master-Anschaltungen für zentrale Steuerungseinheiten wie SIMATIC S5 oder PC die AS-Interface Zweidrahtleitung Klemmen zum Verzweigen der AS-Interface Leitung sowie zum Anschluß der Slaves das Netzteil für die Stromversorgung der Slaves Aktuatoren und Sensoren mit und ohne Slave-ASIC das Adreßprogrammiergerät zur Einstellung der Slave-Adresse Die folgende Darstellung zeigt einen Systemaufbau mit den angegebenen Komponenten. Als SINEC S1 Masterbaugruppe kommt hier wahlweise der CP2433 für SIMATIC S5 (90U, 95U, 100U, und ET200U) oder der CP2413 für AT-PC zur Anwendung. Bei zusätzlicher Verwendung von Standard Kommunikationskomponenten aus dem Bereich SINEC L2 oder SINEC H1 ist die Integration des SINEC S1 in eine übergeordnete SINEC Umgebung möglich. SINEC H1 / SINEC L2 / L2DP / PROFIBUS SINEC L2 / L2DP / PROFIBUS CP 2413 Bei Bedarf Einbindung in übergeordnete Netze PC SIMATIC S5 mit CP 2433 AG90U, 95U, 100U, ET200U AS-I Netzteil oder Adressprogrammiergerät und Diagnosegerät! Passives AS-I Modul (ohne Slave ASIC) Aktives AS-I Modul (mit Slave ASIC) Aktuator / Sensor mit Direktanschluß und Slave-ASIC AS-I Leitung Aktives oder passives AS-I Modul Binäre Sensoren / Aktuatoren ohne Slave ASIC Passives AS-I Modul (ohne Slave ASIC) Abzweig der AS-I Leitung Slave-ASIC Binäre Sensoren / Aktuatoren mit Slave ASIC Bild 5: AS-Interface System mit SIMATIC S5 oder PC als Master Seite 5

6 Integration einer AS-Interface Masterbaugruppe in die SIMATIC S5 Die Masterbaugruppe CP2433 wird in gleicher Weise wie eine EA-Baugruppe bei den SIMATIC Typen S5-95U, S5-100U und ET200U eingesetzt. Die Daten der AS-Interface Slaves werden über den Rückwandbus der SIMATIC in das AG sowie vom AG zum Master übertragen. Dieser Vorgang ist für den Anwender nicht erkennbar. Die Slave-Daten erscheinen für ihn im EA-Adressbereich der Steuerung. Der Zugriff auf die Daten erfolgt in gewohnter Weise entsprechend dem Lesen und Schreiben von Eingängen und Ausgängen. Die Lage der Slave-Daten im Adreßraum der SPS ergibt sich durch die Adresse des Steckplatzes auf dem die Masterbaugruppe betrieben wird. Diese Steckplatzadresse ist die Basisadresse für den Beginn der Slave-Datenfelder. Die vier Datenbit eines Slaves belegen 4 EA-Bit beginnend mit der Basisadresse. Zur Übertragung von Steuerinformationen zwischen der SPS und der Masterbaugruppe sind 4 Steuerbit reserviert. Die Masterbaugruppe CP2433 kann in zwei Betriebsarten eingesetzt werden: - Der Standardbetrieb ermöglicht den direkten Zugriff auf die EA-Daten der AS-Interface-Slaves über die E- und A-Aufrufe im SPS Programm. - Bei Verwendung eines zusätzlichen Funktionsbausteines in der SPS können auch die von AS-Interface definierten Masteraufrufe zur weiteren Administration der Slaves angewendet werden. EA-Byte Nr. S5-95U CP 2433 n+15 Slave 30 Bit 2 Bit 1 Slave 31 Bit 2 Bit 1 n+5 n+4 n+3 n+2 n+1 n+0 Basis- Adresse = n Slave 10 Slave 11 Bit 2 Bit 1 Bit 2 Bit 1 Slave 8 Slave 9 Bit 2 Bit 1 Bit 2 Bit 1 Slave 6 Slave 7 Bit 2 Bit 1 Bit 2 Bit 1 Slave 4 Slave 5 Bit 2 Bit 1 Bit 2 Bit 1 Slave 2 Slave 3 Bit 2 Bit 1 Bit 2 Bit 1 Slave 1 Steuerbits Bit 2 Bit EA-Bit Nr. AS-I Slaves AS-I-Leitung Slave Nr. 2 Slave Nr. 3 Slave Nr. 4 Slave Nr. 9 (Adr. 2) (Adr. 3) (Adr. 4) (Adr. 9) Bit 2 Bit 1 Bit 2 Bit 1 Bit 2 Bit 1 Bit 2 Bit 1 EA - Bits der AS-I Slaves Bild 6: Abbildung der AS-Interface Slaves im Adreßraum der SIMATIC Seite 6

7 Integration von AS-Interface in einen PC Ein PC kann durch die MAsterbaugruppe CP2413 an eine AS-Interface Leitung angeschlossen werden. Der PC wird durch den CP2413 vollständig von der Abfrage der angeschlossenen AS-Interface Slaves entlastet. Die Datenübertragung zwischen PC und der CP2413 erfolgt über ein Dual-Port-RAM mit einer Größe von 2 KByte. Als Software ist ein Treiber für MS-DOS / Windows sowie eine Library für die AS- Interface Masteraufrufe verfügbar. Anwendungssoftware A-S-I Library Treiber für bis zu vier CP2413 CP 2413 Abhängig vom Gerätetyp und Ausbau sind bis zu 4 CP2413 einsetzbar Bild 7: AS-Interface Master im PC Funktionsweise des Slave-ASIC Die direkte Integration der AS-Interface Schnittstelle in einen Aktuator / Sensor erfordert die Verwendung eines hochintegrierten Bausteins. Im Rahmen der gemeinsamen Entwicklung der an AS-Interface beteiligten Firmen wurde ein ASI-Slave-ASIC entwickelt. Dieser Baustein enthält alle für die Datenübertragung zwischen Master und Slave notwendigen Schaltungsteile. Zusätzlich ist die Ansteuerung eines seriellen EEPROMs und eine Stromversorgung für den angeschlossenen Aktuator / Sensor enthalten. Das IC hat die Aufgabe, aus der Versorgunsspannung die überlagerte Signalspannung zu erkennen und zu dekodieren. Bei Übereinstimmung der Adresse im Mastertelegramm mit der Adresse des Salves (im EEPROM eingestellt) führt der ASIC den entsprechenden Masterbefehl durch. Anschließend sendet der ASIC die Slave-Antwort über die ASI-Leitung an den Master zurück. Das Slave-IC entnimmt der AS- Interface-Leitung die Versorgungsspannung für sich selbst und das EEPROM und stellt außerdem an der Geräteschnittstelle UOUT eine Gleichspannung mit einem maximalen Strom von 35mA zur Versorgung des Aktuator / Sensor zur Verfügung. Die Adaption an die Signalpegel auf der Leitung sowie die Fehlerüberwachung wird zusätzlich vom ASIC durchgeführt. Der Daten- und Parameterport ist jeweils 4 Bit breit. Die 4 Bit des Datenports sind wahlweise als Eingang oder als Ausgang zu benutzen. Die jeweilige Datenrichtung wird durch einen Eintrag im EEPROM bestimmt und richtet sich nach dem angeschlossenen Aktuator / Sensor. Dieser Eintrag erfolgt bei der Fertigung des Slaves und kann nachträglich nicht mehr geändert werden. Die vier Parameter Bit sind als Ausgänge geschaltet und werden zur Einstellung von Betriebsarten und Funktionen am Slave verwendet. Die Gültigkeit der Bit-Informationen bei beiden 4-Bit Gruppen wird durch das Signal DSTB (Data-Strobe) und PSTB (Parameter-Strobe) angezeigt. Das angeschlossene EEPROM enhält Informationen über die Betriebsart der vier Datenleitungen (E oder A) sowie die Slave-Adresse als auch Indentifikations- und Konfigurationsdaten des Slaves. Die Adresse des Slaves kann von Außen über die ASI-Leitung unter Verwendung eines Adressprogrammiergerätes oder über den Master geändert werden. Seite 7

8 Die Geräteschnittstelle ist für die Versorgung von Aktuatoren, Sensoren sowie von externen Schaltungen mit einer Stromaufnahme <35mA vorgesehen, ohne die ASI-Leitung im Signalfrequenzbereich zu belasten. Das Slave-IC hat interne Schutzschaltungen, die den Strom bei der Aufladung des Lastkondensators begrenzen und eine Abschaltung des Chip bei thermischer Überlastung bewirken. Bei Spannungseinbrüchen auf der ASI-Leitung wird nach Unterschreiten der Ansprechschwelle vom Slave-IC automatisch ein Reset durchgeführt. ASI-Slave-ASIC TEST LTGP Switch Signal decoupling CDC Transmitter internal power supply external power supply UOUT U5R Emergency and Temperature Control Receiver pos_puls neg_puls EEPROM-Interface SCL SDA LTGN OSC1 OSC2 Power-On Reset Oscillator Digital Logic HV-I/O D0-D3 DSTBn P0-P3 PSTBn Bild 8: Slave-ASIC Seite 8

9 Realisierung eines AS-Interface Slaves Die dargestellte Schaltung zeigt den einfachen Aufbau eines AS-Interface Slaves. Im wesentlichen ist beim Schaltungsentwurf darauf zu achten, daß die Begrenzerdiode V2 eine kleine Kapazität hat um die Eingangsimpedanz des Slaves nicht zu verschlechtern. Bei einer zu großen Kapazität kann unter Umständen nicht mehr die maximale Anzahl von 31 Slaves an einer AS-Interface Leitung erreicht werden. Um das aufmodulierte Signal auf der Leitung nicht zu stark zu belasten sollte die Eingangsimpdanz des Slaves nicht kapazitiv sondern möglichst induktiv und hochohmig sein. ASI-P ASI Line V1 V2 C2 C1 C4 C5 C3 Aktuator - Sensor Beschaltung Vss ASI-N Vss Mode E0 E1 E2 Vcc SDA SCL LTGN LTGP CDC U5R SDA SCL TEST UOUT D0 D1 D2 D3 DSTB Vcc EA-Daten D0-D3 Daten-Strobe IC2 EEPROM zb. ST24C01A6 Q OSC1 OSC2 P0 P1 P2 P3 PSTB Parameter P0-P3 Parameter-Strobe IC1 ASI-Slave-IC C1 = nf C2 = nf C3 = µf Bild 9: Schaltung eines AS-Interface Slave C4 = nf C5 = nF nahe an IC1 V1 = 1N4002 o.ä. V2 = TGL 41-39A o.ä. Q1 = Quartz 5,333 MHz Literatur [1] Handbuch SINEC S1 Masterbaugruppen CP2413 und CP2433; Siemens 1994 [2] Datenblatt ASI-Slvae-ASIC; Firma AMS München, März 94 [3] AS-Interface: das Aktuator-Sensor-Interface für die Automation; W. Kriesel; O.W. Madelung; Hanser Verlag Seite 9

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