C AS-Interface (Euronorm, IEC-Normentwurf)

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1 AS-Interface 1 C AS-Interface (Euronorm, IEC-Normentwurf) Verfasser: Dipl.-Ing. Udo Jakobza, Steinbeis-Transferzentrum Automatisierungs-, Informations- und Elektrosysteme, Leipzig Inhalt 1 Buseigenschaften Anforderungsklasse Systemkonfiguration Buszugriffsverfahren Protokollaufbau, Datenverkehr und Modulation Zuverlässigkeit, Datensicherheit, Fehlererkennung Elektromechanische Lösungen für Installation und Montage Spezifische Anforderungen Module und Kabel für die Durchdringungstechnik Koppelmodule (Unterteile) und Anwendermodule (Oberteile) Flachkabel Einordnung in das ISO/OSI-Referenzmodell Systemeigenschaften Systemkomponenten für AS-Interface-Netze Slave-Schaltkreis Master Repeater Kopplung von AS-Interface und PROFIBUS-DP Adressiergerät Service- und Entwicklungswerkzeuge Stromversorgung zur Fernspeisung Spezielle Einsatzbedingungen (EMV) Standardisierung, Profilbildung, Zertifizierung, Nutzerorganisation Spezifikationen und Profile Profil zur Analogwertübertragung Zertifizierung Nutzerorganisation AS-International Association Industrielösungen: Planung, Installation und Betrieb eines AS-Interface-Netzes AS-Interface-Planung Leitungsführung und Netzstruktur Einsatz von Repeatern und mehrerer AS-Interface-Stränge Einsatz von Feldbus-Kopplern Dezentrale Automatisierung Geräteplanung, Netzteilauswahl und Not-Aus-Planung Sicherheitsaspekte... 51

2 AS-Interface, 1 Buseigenschaften, 1.1Anforderungsklasse Explosionsschutz-Variante des AS-Interface Geschwindigkeit Praxis-Beispiel: Förderstrecke Inbetriebnahme und Betrieb Geräteübersicht Technische Daten Literatur Buseigenschaften 1.1 Anforderungsklasse Das AS-Interface ist ein Bussystem für die Ankopplung von insbesondere binären Low-cost- Sensoren/Aktuatoren an eine Steuerung bzw. über Gateways an übergeordnete Busse. Die nachfolgenden Darlegungen hierzu basieren auf den Quellen [KrMa99] [KrHDT93] [KrTe95] [KrTe97] sowie insbesondere auf langjährigen Erfahrungen aus über 400 Zertifizierungsprüfungen. Folgende Eigenschaften des AS-Interface sind für den Anwender bedeutungsvoll: AS-Interface als Systemlösung: Durch Spezialisierung auf binäre Sensoren und Aktuatoren und durch Analyse dessen, was die Kabelbaumtechnik auszeichnet und problematisch macht, ist ein neuartiges "Interface-System" entstanden. Es zeichnet sich für den Anwender dadurch aus, dass von der E/A-Karte der Steuerung bis zum Anschluss am Sensor oder Aktuator die konventionelle Lösung entfernt und durch das Aktuator-Sensor-Interface komplett ersetzt wird. Das AS-Interface erlaubt durch spezielle Module aber weiterhin die Ankopplung konventioneller, marktgängiger Sensoren und Aktuatoren. In der erweiterten Form ist der Slave- Schaltkreis ein integrierter Teil des Sensors oder Aktuators. Mit solchen intelligenten "AS- Interface-Sensoren" und "AS-Interface-Aktuatoren" sind auch neue Funktionen (z.b. Parametrierung) und Diagnoseeigenschaften (z.b. Fehlermeldung, Verschmutzungsanzeige) zu realisieren, ohne den Verkabelungsaufwand zu erhöhen. Steuerungsseitig wird die Flexibilität des Systems durch unterschiedliche Mastervarianten für die Kopplung an SPSen, Standard-PCs, Industrie-PCs sowie über Koppler an Feldbusse erreicht, s. Bild 1.

3 AS-Interface, 1 Buseigenschaften, 1.1Anforderungsklasse 3 AS-i Master -SPS -PC -Feldbus-Koppler (PROFIBUS u. Ä.) AS-i Netzgerät AS-Interface-Leitung (Signale und Energie) AS-i Slaves AS-i AS-i AS-i AS-i a) Sensor mit Integriertem AS- Interface Aktuator mit Integriertem AS- Interface Sensor mit externem AS-Interface Standard- Netzgerät Aktuator mit externem AS-interface M M Feldbus (PROFIBUS u. ä.) SPS PC M AS-i-Leitung AS-i-Leitung AS-i-Leitung S R S R S R S S S S S S S S S S S S b) c) d) Bild 1: Grundvarianten des AS-Interface-Systems a) Master mit Slavevarianten b) Kopplung mit einer SPS c) Kopplung mit einem (Industrie-) PC d) Kopplung mit einem Feldbus (z.b. PROFIBUS-DP) M Master, S Slave (für Sensor-/Aktuator-Ankopplung),R Repeater Einfachheit des AS-Interface: Der Anwender des AS-Interface spricht die binäre Peripherie über die Steuerung (SPS) an wie bisher bei Verwendung von E/A-Karten und Kabelbaum. Für die praktische Programmierung einer SPS muss der Anwender nur sehr begrenzt umlernen, überwiegend nur bei Nutzung von solchen Eigenschaften, die AS-Interface gegenüber dem Kabelbaum zusätzlich bietet (Parametereinstellung der Sensoren/Aktuatoren, Selbst-Test, Diagnose u. ä.). Der Betreiber eines AS-Interface-Netzes benötigt keine Spezialkenntnisse über AS- Interface. Er muss z.b. beim Austausch eines defekten Sensors keine neue Adresse vergeben, kein SPS-Programm ändern o.ä.

4 AS-Interface, 1 Buseigenschaften, 1.1Anforderungsklasse 4 Eine Besonderheit von AS-Interface ist die verwendete Verbindungstechnik, die sowohl Daten und als auch Energie auf einem einzigen nicht abgeschirmten und unverdrillten 2-Leiter-Kabel überträgt, wobei eine auf Masseneinsatz abgestimmte Installations- und Montagetechnik nach dem Durchdringungsprinzip verwendet wird (vgl. Abschnitt 1.6). Schnelligkeit des AS-Interface: Im Vollausbau mit 31 Slaves (max. 124 bzw. ggf. 248 Sensoren/Aktuatoren) hat das AS- Interface eine Zykluszeit von ca. 5 ms. Im Frühjahr 2000 wird die Anzahl der Slaves auf max. 62 erhöht bei einer Zykluszeit von 10 ms. Das Abfrageverfahren (zyklisches Polling) ist streng deterministisch, d. h. es wird also spätestens nach 5 ms bzw. 10 ms jeder Sensor oder Aktuator aufgerufen. AS-Interface ist somit schneller als die meisten SPSen (typ. Zykluszeiten ms) und erfüllt damit die Echtzeitanforderungen. Sicherheit des AS-Interface: Übertragungssicherheit: AS-Interface ist mehrfach gegen Störungen gesichert. Jeder Nachrichtenaustausch zwischen Master und Slave wird beim jeweiligen Empfänger auf Signalamplitude und Störimpulse untersucht. Es werden zwei oder drei Fehler innerhalb einer Nachricht immer erkannt (vgl. Abschn. 1.5). Fehlerhafte Nachrichten werden automatisch sofort wiederholt, ohne dass sich die genannte Zykluszeit von 5 ms merkbar verlängert. Sicherheit bei Fehlfunktion von Komponenten: Der Betreiber bekommt sofort eine Störungsmeldung mit Angabe eines Befundes, bei Fehlern im Slave mit Angabe der Slaveadresse. Sicherheit gegen Servicefehler: In einem programmgesteuerten System kann ein Servicefehler (z. B. bei Reparatur falsche Sensoradresse eingestellt) höchst unerwünschte Folgen beim Wiederanlauf einer Maschine haben. Bei AS-Interface gibt es Vorkehrungen, solche Servicefehler zu erkennen und zu beseitigen. Sicherheit durch Diagnose: Das AS-Interface kann bei den meisten auftretenden Störungen ein Diagnoseergebnis ausgeben und damit den Aufwand für die Fehlersuche erheblich reduzieren. Zukunftssicherheit: Die direkte Adressierung der Slaves und der elektromechanische Aufbau (Durchdringungstechnik, Baumstruktur) ermöglicht einfache Nachrüstung bzw. Umbau eines AS-Interface-Netzes. Kosten beim AS-Interface: Der AS-Interface-Master ersetzt mehrere E/A-Karten aus der traditionellen Verkabelung von SPSen. Die sehr einfach zu installierende Verkablung des AS-Interface senkt die Installationskosten, macht Anlagen übersichtlicher und sehr einfach erweiterbar. Die Servicekosten, die Umrüstkosten bei Produktwechsel und die Kosten für Maschinenstillstandszeiten werden durch die oben genannten Eigenschaften gegenüber dem Kabelbaum spürbar gesenkt. Die im Abschnitt 4 aufgelisteten Parameter zeigen die technischen Kennwerte des AS- Interface im Überblick. Diese erfüllen die Forderungen für einen seriellen Feldbus zur

5 AS-Interface, 1 Buseigenschaften, 1.1Anforderungsklasse 5 direkten Ankopplung von Sensoren und Aktuatoren im Low-cost-Bereich, zugeordnet zur Kommunikationsebene FAN: Sensor-Aktuator-Busse. 1.2 Systemkonfiguration Die Topologie eines AS-Interface-Netzwerkes ist entsprechend Bild 2 beliebig wählbar, was die Projektierung sehr erleichtert. Die Kabelführung kann daher ganz an die örtlichen Anforderungen angepasst werden und darf stern- oder linienförmig sein, Stichleitungen enthalten oder sich wie ein Baum verzweigen, ganz so wie eine normale Elektroinstallation zur Energieverteilung auch aussehen würde. Die Teilnehmer können gleichmäßig entlang des Kabels verteilt angeordnet werden oder auch in Gruppen, etwa an den Enden der verschiedenen Äste des Baumes. Einzelne Leitungsabschlusswiderstände sind nicht vorhanden. Zulässige Strukturen sind also zum Beispiel: ca. 100 m Leitung und AS-Interface-Slaves am Ende, ca. 90 m Leitung und ein Stern mit 31 Slaves am Ende der Leitung, ein Stern mit 31 Slaves und gleicher oder auch ungleicher Leitungslänge zum Master (Summe der Leitungslängen 100 m), eine Linie mit 31 Slaves gleich oder auch ungleich verteilt an der Leitung. Linie mit langen Stichleitungen Master Baum Master Ring Master Bild 2: Mögliche Topologien des AS-Interface-Systems

6 AS-Interface, 1 Buseigenschaften, 1.3Buszugriffsverfahren 6 Der einzige Punkt, der beachtet werden muss, ist die Beschränkung des Kabels auf eine Gesamtlänge von ca. 100 m. In diesen Wert sind alle Leitungslängen, also auch die von Stichleitungen, einzubeziehen. Überall dort, wo größere Entfernungen zu überbrücken sind, müssen gegebenenfalls ein oder zwei Repeater dazwischengeschaltet werden (vgl. Abschnitt 2.1.3), so dass sich die zulässige Leistungslänge auf max. 300 m verlängert. Technisch realisierbar sind auch Ringstrukturen mit passiver Buskopplung (nicht Bestandteil des Normentwurfes), indem das Ende der AS-Interface-Leitung wieder zum Master zurückgeführt und dort parallel angeklemmt wird. Dabei kann die Kabellänge folglich bis zu 200 m ohne Repeater betragen. Praktische Tests hierzu haben positive Resultate erbracht. 1.3 Buszugriffsverfahren Mit dem AS-Interface werden sternförmige Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (traditioneller Kabelbaum) ersetzt, und daher wurde ein Buszugriffsverfahren gewählt, das diese Topologie nachbildet und eine definierte Reaktionszeit gewährleistet: der Master-Slave-Zugriff mit zyklischem Polling. Der Master sendet ein Telegramm mit der jeweiligen Slaveadresse, worauf dieser Slave nach der Masterpause sofort antwortet, s. Bild 3. Das für AS-Interface gewählte Verfahren ermöglicht, dass sich bei zyklischem Polling die erreichbare Zykluszeit automatisch an die Zahl der angeschlossenen Slaves anpasst: werden etwa nur 6 Slaves an die Leitung angeschlossen, wird eine Zykluszeit von 1 ms erreicht, im Maximalausbau mit 31 (62) Slaves (124 (186) Teilnehmer) beträgt sie etwa 5 (10) ms. Weiterhin kann der Master im Falle einer kurzzeitigen Störung auf der Leitung einzelne Telegramme, auf die er keine oder keine gültige Antwort empfangen hat, sofort wiederholen. Dabei ist es nicht notwendig, den gesamten Zyklus noch einmal ablaufen zu lassen. Die Bruttoübertragungsrate des AS-Interface beträgt einschließlich aller funktionsnotwendigen Pausen 167 kbit/s, was eine Nettodatenrate von maximal 53 kbit/s ermöglicht. Daraus kann eine Effizienz des Nutzdatentransfers von 32% errechnet werden. Dies ist ein im Vergleich zu anderen Bussystemen sehr guter Wert, der auch nur deshalb erreicht werden konnte, weil bewusst auf überflüssiges Beiwerk bei der Definition der Nachrichtentelegramme verzichtet worden ist. Nicht verzichtet wurde jedoch auf zahlreiche Maßnahmen zur Gewährleistung einer hohen Datensicherheit bei der Übertragung in elektromagnetisch gestörter Umgebung (vgl. Abschnitt 1.5).

7 AS-Interface, 1 Buseigenschaften, 1.4 Protokollaufbau, Datenverkehr und Modulation Protokollaufbau, Datenverkehr und Modulation Ein AS-Interface-Protokoll besteht nach Bild 3 aus einem Masteraufruf, gefolgt von der Masterpause, der zugehörigen Slaveantwort sowie einer Slavepause. Alle Masteraufrufe sind 14 Bitzeiten lang, alle Slaveantworten besitzen eine Länge von 7 Bitzeiten. Eine Bitzeit entspricht dabei 6 µs. Masteraufruf: Slaveantwort: Masterpause Slavepause ST SB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB EB ST I3 I2 I1 I0 PB EB ST SB A4...A0 I4...I0 PB EB Startbit Steuerbit Adresse des Slaves (5 bit) Informationsteil von Master an Slave (5 bit) und von Slave an Master (4 bit) Paritätsbit Endebit Bild 3: Struktur eines AS-Interface-Protokolls Für die Masterpause gilt, dass sie mindestens 3 und maximal 10 Bitzeiten lang sein darf. Ist der Slave synchronisiert (d. h. Slave hat bereits ein gültiges Mastertelegramm empfangen und beantwortet), dann kann er bereits nach 3 Bitzeiten mit dem Senden der Slaveantwort beginnen. Wenn er nicht synchronisiert ist (z. B. erster Aufruf an diesen Slave oder nach Störung), benötigt er 2 Bitzeiten länger, weil er die Masterpause während dieser Zeit auf eventuelle weitere Informationen überwacht, bevor er den Aufruf als gültig akzeptiert. Wenn der Master jedoch nach 10 Bitzeiten noch kein Startbit der Slaveantwort empfangen hat, kann er davon ausgehen, dass keine Antwort mehr eingeht, und er darf den nächsten Aufruf beginnen, z. B. den Slave mit nächst höherer Adresse oder Managementaufruf. Ein Masteraufruf besteht im einzelnen aus folgenden Bits: ST Startbit: markiert den Beginn eines Masteraufrufes =0: gültiges Startbit =1: nicht erlaubt SB Steuerbit: kennzeichnet den Daten/Parameter/Adressaufruf bzw. Kommandoaufruf =0: Daten/Parameter/Adressaufruf =1: Kommandoaufruf A0...A4 Adresse: Adresse des aufgerufenen Slaves (5 bit) I0...I4 Information: 5 Informationsbits charakterisieren den Aufruftyp, z. B. Parameteraufruf, Datenaufruf, Kommandoaufruf PB Paritätsbit: Paritätsbit, die Summe aller "1" im Masteraufruf muss gerade sein

8 AS-Interface, 1 Buseigenschaften, 1.4 Protokollaufbau, Datenverkehr und Modulation 8 EB Endebit: markiert Ende des Masteraufrufs =0: nicht erlaubt =1: gültiges Endebit. Die Slaveantwort enthält im einzelnen folgende Bits: ST Startbit: markiert den Beginn einer Slaveantwort =0: gültiges Startbit =1: nicht erlaubt I0...I4 Information: 4 Informationsbits, z. B. Parameter, I/O-Port belegt, Slave-Status PB Paritätsbit: Paritätsbit, die Summe aller "1" in Slaveantwort muss gerade sein EB Endebit: makiert Ende der Slaveantwort =0: nicht erlaubt =1: gültiges Endebit. Datenverkehr Im folgenden sind die spezifizierten AS-Interface-Telegramme und die Reaktion des Slaves im einzelnen beschrieben. Datenaufruf "Datenaustausch" Dieser Masteraufruf wird eingesetzt, um das Bitmuster für die Datenausgänge des angesprochenen Slaves zu übertragen und anschließend aus der Slaveantwort die log. Zustände der Slave-Daten-Eingänge einzulesen. Die Richtung des Slave-Datenports (Ein- und Ausgabe, bidirektionale Ports) wird über das AS-Interface-Telegramm "E/A-Konfiguration" gesetzt. Parameteraufruf "Parameterschreiben" Dieser Masteraufruf setzt die Parameterausgänge des Slaves. Die korrekte Initalisierung des Parameterports ermöglicht erst die Behandlung der "Datenaufruf"-Telegramme. Adressieraufruf "Adressezuweisen" Dieser Befehl erlaubt es dem Master, die Adresse des Slaves von der Null-Adresse 00H permanent (EEPROM o. ä.) auf einen neuen Wert automatisch einzustellen. Der Slave quittiert zunächst den fehlerfreien Empfang des Kommandos mit der Antwort 6H und ist ab diesem Zeitpunkt unter der neuen Adresse ansprechbar. Kommandoaufruf "Reset_AS-Interface-Slave" Mit Hilfe dieses Kommandos kann ein Slave in seinen Grundzustand (Reset nach Anlegen der Betriebsspannung) versetzt werden. Der Slave quittiert den fehlerfreien Empfang dieses Kommandos mit der Antwort 6H. Der Reset-Vorgang darf maximal 2 ms dauern. Kommandoaufruf "Betriebsadresse_löschen" Dieses Kommando dient zum vorübergehenden Löschen der Betriebsadresse des Slaves und wird im Zusammenhang mit der Adressvergabe benötigt, weil der "Adressieraufruf" nur von

9 AS-Interface, 1 Buseigenschaften, 1.4 Protokollaufbau, Datenverkehr und Modulation 9 einem Slave mit der Betriebsadresse 00H ausgeführt werden kann. Soll etwa ein Slave mit der bisherigen Adresse 15H auf die neue Adresse 09H umprogrammiert werden, kann dies nur mit der Befehlssequenz: "Betriebsadresse_löschen", "Adressieraufruf" (09H) durchgeführt werden. Der Slave quittiert den fehlerfreien Empfang des Kommandos mit der Antwort 6H und ist ab diesem Zeitpunkt unter der neuen Adresse 00H ansprechbar. Die gespeicherte alte Adresse kann wieder mit dem Befehl "Reset AS-Interface-Slave" geladen werden. Kommandoaufruf "E/A-Konfiguration_lesen" Der Master kann damit die eingestellte E/A-Konfiguration des Datenports eines Slaves lesen. Diese wird in der Slaveantwort zu diesem Aufruf übertragen und dient zusammen mit dem Kommandoaufruf "ID-Code_lesen" zur eindeutigen Identifikation eines Slaves. Kommandoaufruf "ID-Code_lesen" (Erweiterung ID1-, ID2-Code bei 62 Slaves mit A²SI- ASIC) Es wird der ID-Code des Slaves eingelesen. Dieser dient zusammen mit dem Kommandoaufruf "E/A-Konfiguration_lesen" zur eindeutigen Identifikation eines Slaves. Der ID-Code wird bei der Herstellung des Slaves einmal programmiert und kann nicht verändert werden. Er dient zur Kennzeichnung von Slaves, die festgelegten Profilen entsprechen (Abschnitt 2.3.1). Alle Slaves, deren Daten- und Parameterportbelegungen keinem Profil entsprechen, müssen den ID-Code FH tragen. Kommandoaufrufes "Status_lesen" Es wird hiermit das Statusregister des angesprochenen Slaves ausgelesen. Kommandoaufrufes "Status_lesen_und_löschen" Es wird das Statusregister des angesprochenen Slaves ausgelesen und gleichzeitig der Inhalt beim Slave gelöscht. Modulation Bei der Auswahl eines geeigneten Modulationsverfahrens müssen zahlreiche Anforderungen berücksichtigt werden, deren wichtigste hier kurz aufgezählt seien: Das elektrische Signal, das der Energieversorgung der Sensoren und Aktuatoren überlagert werden soll, muss gleichstromfrei sein. Der Sender des Slaves - und wenn möglich auch der Sender des Masters - muss das Signal auf einfache, also kostengünstige und raumsparende Weise erzeugen können. Für das AS-Interface-System muss das Nachrichtensignal zugleich relativ schmalbandig sein, damit es nicht in unzulässiger Weise elektromagnetisch abstrahlt, weil das Buskabel ungeschirmt ist. Kein bekanntes und bereits im Einsatz befindliches Modulationsverfahren konnte alle diese Forderungen erfüllen. Es war daher erforderlich, für das AS-Interface ein neues Verfahren zu spezifizieren und zu entwickeln. Aus diesen Gründen entstand die Alternierende Puls Modulation (APM), ein Verfahren zur seriellen Übertragung im Basisband, dessen Funktionsweise anhand von Bild 4 erläutert wird. Die Sende-Bitfolge wird zunächst in eine Bitfolge umcodiert, die bei jeder Änderung des Sendesignals eine Phasenumtastung vornimmt (Manchester-Code, MAN). Daraus wird dann

10 AS-Interface, 1 Buseigenschaften, 1.4 Protokollaufbau, Datenverkehr und Modulation 10 ein Sendestrom erzeugt, der in Verbindung mit einer im System nur einmal vorhandenen Induktivität (Datenentkopplungsnetzwerk im spezifizierten AS-i-Netzteil, nach Abschnitt 2.1.7) durch Differentiation den gewünschten Signalspannungspegel auf der AS-Interface- Leitung erzeugt. Jedes Ansteigen des Sendestromes führt also zu einem negativen, jedes Abfallen zu einem positiven Spannungspuls. Auf diese Weise ist es sehr einfach möglich, auch im Slave Signale zu erzeugen, die eine höhere Spannung als die eigene Versorgungsspannung aufweisen. Damit entfallen Induktivitäten im Slave, was die im Sensor oder Aktuator zu integrierende Elektronik klein und preiswert hält. Auf der Empfangsseite werden diese Spannungssignale auf der AS-Interface-Leitung detektiert und wieder in die gesendete Bitfolge zurückgewandelt. Wenn die Spannungspulse näherungsweise wie sin 2 -Pulse geformt werden, wird gleichzeitig auch den Forderungen nach niedriger Grenzfrequenz und geringer Störabstrahlung Rechnung getragen. Dies erfolgt durch geeignete Formung der Sendepulse, die entsprechend dem Integral eines sin 2 -Pulses erzeugt werden müssen. Sende- Bitfolge Empfänger Sender Bitfolge MANcodiert Sendestrom Signale auf der Ub Leitung Ub-0,5Vpp negative Impulse positive Impulse Is 0 Ub+0,5Vpp rekonstruierte Bitfolge Pause Bild 4: Alternierende Puls Modulation (APM)

11 AS-Interface, 1 Buseigenschaften, 1.5 Zuverlässigkeit, Datensicherheit, Fehlererkennung Zuverlässigkeit, Datensicherheit, Fehlererkennung Von großer Bedeutung für die fehlerfreie Kommunikation über die ungeschirmte und unverdrillte AS-Interface-Leitung ist die sichere Fehlererkennung, die im Zustand "Empfangen" vorgenommen wird. Die Datensicherung bei AS-Interface erfolgt dabei nach einem gänzlich anderen Verfahren als bei den meisten bekannten Bussystemen. Ein Grund dafür liegt in den sehr kurzen Telegrammen, die ausgetauscht werden. Der Masteraufruf enthält 11 bit zu sichernde Daten, die Slaveantwort 4 bit. Wollte man diese mit einer Hamming-Distanz HD=4 konventionell sichern (CRC; Prüfsumme), so wären beim Mastertelegramm 7 bit zusätzlich (+64%), beim Slavetelegramm sogar 4 bit (also +100%) zusätzlich zu übertragen. Damit würde die erreichbare Nettodatenrate drastisch absinken. Zudem sind Datensicherungsverfahren, bei denen die Zahl der Prüfbits gleich der Zahl der Nutzbits ist, schon deshalb technisch fragwürdig, weil die Wahrscheinlichkeit sehr groß wird, dass ein Telegramm wegen gestörter Prüfbits als falsch zurückgewiesen wird, obwohl alle Nutzbits korrekt übertragen wurden. Aus diesen Gründen wird bei AS-Interface stattdessen bei der Bitübertragung (physikalische Schicht) selbst bereits ein hoher Sicherungsaufwand betrieben. Hierbei wird von der a-priori Kenntnis von Redundanzen im Code und den festen Längen der Telegramme Gebrauch gemacht. Dabei können die folgenden Fehler unterschieden werden: Startbit-Fehler, Paritäts-Fehler, Stopbit-Fehler, Manchester-Fehler / Informationsfehler, Alternationsverletzung, Timeout-Fehler / Pausenzeitverletzungs-Fehler, Überschreitung der Telegrammlänge. Jeder Masteraufruf und jede Slaveantwort wird diesen Prüfungen unterzogen. Wird einer der genannten Fehler erkannt, dann wird das Telegramm als fehlerhaft verworfen. Ein Fehler in der Ablaufsteuerung des Slaves könnte sich dahingehend auswirken, dass der Slave ohne Aufforderung durch einen Masteraufruf dauernd sendet. Dies würde den gesamten Datenverkehr auf der AS-Interface-Leitung stillegen. Der Slave verfügt daher über eine unabhängige Überwachungsschaltung, die Dauersenden detektiert und den Slave in einem solchen Falle abschaltet ("Jabber Inhibit"). Wird der Slave versehentlich verkehrt gepolt an die Betriebsspannung angeschlossen, darf er keinen Schaden nehmen. Ein Kurzschluss oder eine Überlast im Slave, an den externen Anschlüssen des Slaves oder im angeschlossenen Sensor/Aktuator muss zum Abschalten des Slaves führen und darf die Kommunikation zwischen dem Master und den anderen Slaves nicht behindern. Kurzzeitige Spannungseinbrüche, wie sie etwa durch sehr energiereiche Störpulse verursacht werden können, werden von der Slaveelektronik bis zu einer Dauer von 1 ms ohne Funktionsminderung toleriert.

12 AS-Interface, 1 Buseigenschaften, 1.5 Zuverlässigkeit, Datensicherheit, Fehlererkennung 12 Datensicherheit Bussysteme erfahren heute auch in den prozessnahen Ebenen der Automatisierungstechnik insbesondere dadurch eine wachsende Verbreitung, weil neben dem geringeren Verkabelungsaufwand zugleich die kostengünstige Übertragung von Zusatzinformationen realisierbar ist, z. B. beim AS-Interface die zusätzliche Übertragung von Parameter- und Diagnosedaten. Dabei darf aber nicht außer acht gelassen werden, dass diese gemeinsame Informationsübertragung über eine einzige Sammelleitung (Bus) für mehrere Teilnehmer gerade aus der Sicht der Zuverlässigkeit eine strukturelle Schwachstelle darstellt. Bei einem Ausfall dieses seriellen Übertragungssystems sind viele oder sogar alle Teilnehmer betroffen und eben nicht nur ein einzelner Sensor oder Aktuator, dessen Kabel unterbrochen wurde. Außerdem müssen wegen der zeitmultiplexen Übertragung der Daten wesentlich mehr Informationen pro Zeiteinheit über die Leitung gesendet werden als bei der herkömmlichen Sternverdrahtung (Parallelverdrahtung). Dies alles bedeutet, dass besonders bei der Entwicklung und beim Einsatz von Bussystemen im Sensor-Aktuator-Bereich die Zuverlässigkeit der Datenübertragung ernsthaft betrachtet werden muss. Dazu gehört neben der Toleranz gegenüber Störungen, die zu verfälschten Telegrammen führen, auch die Erkennung und definierte Behandlung von (Teil-) Systemausfällen. Nachfolgend wird daher schwerpunktmäßig die Erkennung und Behandlung von Datenübertragungsfehlern betrachtet. Diese Fehlerart wird insbesondere durch die elektromagnetischen Einstreuungen auf die ungeschirmte AS-Interface-Leitung verursacht. Sie besitzt gegenüber den Hardware-Ausfällen eine viel größere Häufigkeit, zumal die Anschaltelektronik weitgehend durch integrierte Schaltkreise realisiert wird und somit von vornherein hochzuverlässig ausgelegt ist (vgl. Abschnitt 2.1.1). Die gewählte AS-Interface-Bitcodierung weist eine Reihe von Regelmäßigkeiten und Redundanzen auf, die für eine Erhöhung der Übertragungsicherheit spezifisch genutzt werden. Daraus wird nachfolgend für die Überwachung des Datenstromes ein Set von Regeln abgeleitet, nachdem zuvor die spezifische Bitcodierung des AS-Interface hierzu analysiert wurde. Um die auf der Leitung zu übertragenen Signalformen zu erzeugen, wird beim AS-Interface aus der Bitfolge des Nutzsignals, die im Non-Return-to-Zero (NRZ) - Code vorliegt, zunächst ein Manchester-II - Code (M-II) nach den Regeln der M-II-Codierung gebildet, so dass gleichstromfreie Signale erhalten werden, s. Bild 5. Aus dem M-II codierten Bitstrom werden im AS-Interface-System die auf der Leitung tatsächlich zu übertragenden Signale mittels einer Alternierenden Puls Modulation (APM) mit sin 2 -Impulsen erzeugt (vgl. hierzu Abschnitt 1.4). Bei der APM werden nur dann Impulse generiert, wenn sich die Wertigkeit des Eingangssignals des APM-Coders ändert. Die Polarität der Impulse entspricht der Wertigkeit der Flanke im M-II-Signal, d. h. es wird ein positiver sin 2 -Impuls an einer L-H-Flanke und ein negativer sin 2 -Impuls an einer H-L-Flanke gebildet (Bild 5).

13 AS-Interface, 1 Buseigenschaften, 1.5 Zuverlässigkeit, Datensicherheit, Fehlererkennung 13 Datensignal im NRZ-Code a) Datensignal nach Manchester II- Codierung b) Datensignal nach APM-Codierung Bild 5 Spezielle Codierungen im AS-Interface-System a) Manchester-II-Codierung b) APM-Codierung Das so gewonnene APM-Signal besitzt eine Reihe von besonderen Eigenschaften, die gleichermassen zur Erlangung einer höheren Datensicherheit genutzt werden. Aus den Codierungsvorschriften nach Bild 5 sowie aus dem AS-Interface-Telegramm nach Bild 4 läßt sich entnehmen, dass das APM-codierte Signal folgendem Set von Regeln entsprechen muss: 1. Startbit: Der 1. Impuls eines jeden AS-Interface-Telegramms muss ein negativer Impuls sein. 2. Alternation: Zwei aufeinanderfolgende Impulse müssen unterschiedliche Polarität besitzen. 3. Impulspause: Zwischen zwei Impulsen innerhalb eines Telegramms darf maximal eine Impulslänge (halbe Bitzeit 3 µs) Ruhe herrschen. Dies ist genau dann der Fall, wenn zwei aufeinanderfolgende Bits unterschiedliche Wertigkeit besitzen. 4. Informationsgehalt: Da der Informationsgehalt eines M-II-codierten Bits in einer Flanke in der Mitte der Bitzeit liegt und diese Flanke in jedem gültigen Codewort vorhanden ist, muss in der zweiten Bithälfte stets ein Impuls liegen. 5. Paritätsprüfung: Die Summe aller im Codewort enthaltenen 1-Bits (positive Impulse in der zweiten Bithälfte) muss eine gerade Zahl ergeben. 6. Endebit: Der letzte Impuls eines gültigen Codewortes muss ein positiver Impuls sein. 7. Aufruflänge (Zeitüberwachung): Im synchronen Zustand überwacht der Slave die AS- Interface-Leitung noch eine Bitzeit, im asynchronen sogar noch drei Bitzeiten nach dem Endebit des Masteraufrufs. In dieser Zeit darf kein Impuls übertragen werden.

14 AS-Interface, 1 Buseigenschaften, 1.5 Zuverlässigkeit, Datensicherheit, Fehlererkennung 14 Fehler: ST SB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB EB P P P Startbit Alternation Pause Information Parität Endebit Aufruflänge Bild 6: Verletzung der Datenübertragungsregeln des AS-Interface am Beispiel eines Master- Telegramms Jeder AS-Interface-Teilnehmer prüft jedes von ihm empfangene Codewort auf die Einhaltung dieses Regel-Sets. Im Bild 6 wird die Verletzung jeder dieser Regeln verdeutlicht. Zur quantitativen Bestimmung der Datensicherheit werden in [KrMa99] umfangreiche Rechnersimulationen beschrieben. In deren Ergebnis ist im Bild 7 das AS-Interface-System in die Datenintegritätsklassen der Norm DIN eingeordnet worden. Hieraus ist zu sehen, dass das AS-Interface-System für Bitfehlerwahrscheinlichkeiten kleiner 10-3 (d. h. im Mittel ein fehlerhafter Impuls pro AS-Interface-Zyklus) der höchsten Datenintegritätsklasse I 3 genügt. Es bietet hier unter der Voraussetzung voneinander unabhängiger Einzelfehler eine Restfehlerwahrscheinlichkeit von kleiner 10-12, was einer mittleren Zeit zwischen zwei unerkannt fehlerhaften Telegrammen von weit über 10 Jahren entspricht. Damit ist die volle Wirksamkeit der im AS-Interface eingebauten Sicherungsmechanismen für die Datenübertragung nachgewiesen. Gleichzeitig ist aus Bild 7 ersichtlich, dass mit diesen elektronischen Sicherungsmechanismen eine effektive Hamming-Distanz von HD eff =5 für das AS-Interface erreicht wird.

15 AS-Interface, 1 Buseigenschaften, 1.5 Zuverlässigkeit, Datensicherheit, Fehlererkennung 15 R = Restfehlerwahrscheinlichkeit Datenintegritätsklasse I 1 HD=2 Datenintegritätsklasse I 2 HD=4 AS-Interface Datenintegritätsklasse I P = Bitfehlerwahrscheinlichkeit Bild 7: Einordnung des AS-Interface in die Datenintegritätsklassen nach DIN I1: für sich zyklisch aufdatende Systeme (Fernmessen) I2: für spontane Übertragung (Fernanzeigen, Fernzählen) I3: für kritische Informationsübertragung (Fernsteuern) Fehlererkennung und Reaktion auf Übertragungsfehler Wird ein Datenübertragungsfehler von einem an der fehlerhaften AS-Interface-Übertragung beteiligten AS-Interface-Teilnehmer erkannt, sind Maßnahmen einzuleiten, die den Fehler beheben oder in seinen Auswirkungen einschränken. Im folgenden werden die automatischen Reaktionen der jeweiligen Teilnehmer aufgeführt: AS-Interface-Slave: Der AS-Interface-Slave verliert die Synchronisation, und es kommt zu einem Verwerfen des Masteraufrufs. Die Slaveantwort bleibt aus, woraus der Master erkennen kann, dass der Versuch, mit dem Slave zu kommunizieren, fehlgeschlagen ist. AS-Interface-Master: Der AS-Interface-Master muss eine gestörte Slaveantwort verwerfen und die Übertragung als gescheitert betrachten. Die Reaktion des Masters auf ausbleibende oder gestörte Slaveantworten ist gleich: Wurde der Übertragungsebene des Masters der Transferauftrag übergeben, so kann der Masteraufruf genau einmal wiederholt werden. Die Wiederholung geschieht direkt im Anschluss an die fehlgeschlagene Übertragung selbstständig durch Schicht 1. Ist auch die zweite Übertragung eines Auftrages fehlgeschlagen, muss der Master diesen Versuch, mit dem Slave zu kommunizieren, in diesem Zyklus als gescheitert betrachten. Konnte während drei aufeinanderfolgender Datenübertragungsphasen (also nach max. 6 Aufrufen, wenn man davon ausgeht, dass kein Managementaufruf an diesen Slave erfolgte) keine Kommunikation mit ein und demselben Slave erfolgen, so wird dieser aus der LAS (Liste der aktive Slaves) und der LES (Liste der erkannten Slaves) ausgegliedert, d. h. der Slave wird als defekt oder fehlend betrachtet. Weiterhin wird das Datenabbild des ausgegliederten Slaves auf Null gesetzt. Der Master kann nun versuchen, in der