AS-Interface Basiswissen – So funktioniert das Bussystem für die Industrieautomation

4. Juni 2019, 10:57 Uhr
In den Anfängen steuerte man Alles und Jedes mit selbstgestrickter Verkabelung und proprietären Datenformaten. Doch im Bereich der Industrieautomation ist diese Vorgehensweise seit langer Zeit out – stattdessen setzt man bis zum letzten Board auf vollwertige Bus-Systeme. Neben dem offensichtlichen Vorteil der einfachen Wart- und Erweiterbarkeit spricht auch ein anderer Grund dafür. Ein verbreiteter Industriestandard sichert die langfristige Verfügbarkeit von Hard- und Software - jedenfalls bis zu einem gewissen Grad. Wir geben einen Überblick über das AS-Interface.

 
Bild 1. Die Hierarchieebenen beim
Automatisierungsbaum.
Wenn komplexere Fertigungsprozesse zu automatisieren sind, dann orientiert man sich am in Bild 1 gezeigten Automatisierungsbaum. Auf der untersten Ebene befinden sich die Sensoren und Aktoren. Die Kommunikation mit ihnen kann – sowohl aus Kosten, als auch aus Effizienzgründen – nur schwierig über eine Ethernet-Verkabelung erfolgen. Kurzstreckenverbindungen mit Protokollen wie SPI oder I²C erweisen sich den oft sehr rauen Bedingungen in Fertigungsbetrieben als nicht gewachsen [ J. M. Jacob, Industrial Control Electronics, Seite 260 ff.].

Zum Anschluss von Sensoren und mehr bieten sich mit dem als ASi bekannten AS-Interface (Actuator-Sensor-Interface) und dem vom Profibus-Umfeld vorangetriebenen Protokoll IO-Link (unter der Bezeichnung SDCI normiert) zwei verbreitete Techniken an. Der größte Vorteil des AS-Interfaces ist, dass ein Master eine Vielzahl von Slaves über einen einzigen Port ansprechen kann. Bei IO-Link braucht man normalerweise pro Slave einen Port und ein Kabel. In der englischsprachigen Literatur wird IO-Link für diejenigen Systeme als geeigneter erachtet, die größere Datenmengen transportieren müssen.

Angemerkt sei, dass sowohl ASi und IO-Link stellenweise „gemeinsam“ auftreten. Das in Bild 2 gezeigte und im Netz im Detail beschriebene System von Bihl-Wiedemann nutzt IO-Link zum Einsammeln von Informationen. Die verdichteten Datagramme wandern dann per ASi Richtung Master.
 
Bild 2. Vom Feldbus zu Sensoren/Aktoren (Quelle).

Eine Frage der Version

Das AS-Interface entstand ab 1990 als Zusammenschluss einer Gruppe von Firmen, die unter dem Namen AS-International Association eine Art Interessenvertretung gründeten. Diese hält die Rechte am Namen AS-Interface und verkauft Produkte rund um den offiziellen Standard. Aktuell liegt der Mitgliedsbeitrag im Bereich von rund 4.000 €/Jahr (falls Sie Interesse an einer Mitgliedschaft haben sollten).

Wer nur einen Blick auf den Standard werfen möchte, kann auch einen preiswerteren Weg gehen: Das AS-Interface wird über eine Gruppe von Industriestandards spezifiziert - der mit Abstand populärste ist EN 62026-2:2015. Das zugehörige Dokument kostet beim offiziellen Normierungsgremium „nur“ etwa 250 €. Wenn man die Mühe des persönlichen Recherchierens nicht scheut, findet man es auch in den Bibliotheken technischer Universitäten oder Fachhochschulen. Falls da die Dokumente nicht vorliegen, helfen die Fernleihe oder auch einschlägige Instituts-Bibliotheken.

Wer in die Materie einsteigen will, wird sich womöglich damit schwer tun, da im Moment gleich zwei ASi-Versionen im Markt koexistieren. Aktuell wirklich erhältlich ist – sowohl auf Spezifikations-, als auch auf Hardwareebene – nur die Version 3.0. Allerdings wird seit der Messe SPS IPC Drives 2018 überall die Version 5.0 angepriesen, welche Detailverbesserungen mitbringt.

Schwierig an dieser an sich normalen Weiterentwicklung ist, dass die genaue Spezifikation für die Protokollversion 5.0 (zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels) noch nicht einmal für alle Mitglieder offen steht. Laut Insiderinformationen bekommt man sie nur, wenn man an der Weiterentwicklung des Protokolls beteiligt ist.

Daraus ergeben sich „interessante“ Phänomene: Die Transceiver-ICs für Version 3.0 (Details weiter unten) stammen von der Firma ZMD, die mittlerweile von IDT aufgekauft und dann selbst von Renesas geschluckt wurde. Für die Version 5.0 wird man daher mit Renesas zusammenarbeiten, deren Firmen-Philosophie „Wir implementieren jedes Protokoll“ lauten könnte.

ASi-Kabel

Die „Multidrop“-Fähigkeit des ASi liegt unter anderem im Aufbau der Kabel begründet. Es handelt sich dabei um eine zweiadrige Leitung, welches die Signale AS+ und AS- überträgt. AS- ist dabei die „Masse“ , während relativ dazu AS+ das positive Signal führt. Schon hier sei angemerkt, dass das „Erden“ von AS- auf keinen Fall erlaubt ist.

Bei konkreten Installationen sind ASi-Datenleitungen so gut wie immer in gelber Farbe ausgeführt. Typisch ist das in Bild 3 gezeigte asymmetrische Kabel, das im Querschnitt einer Art Nase aufweist. Eine optionale schwarze Leitung mit gleichartigem Aufbau ist für die Bereitstellung zusätzlicher Energie für die Endgeräte gedacht.
 
 
Bild 3. Querschnitt durch ein ASi-Kabel
(Leiterdurchmesser 1,8 mm).
Die „Nase“ verhindert versehentliche Verpolung
(Bild: nach Bihl+Wiedemann).
Analog zum für den direkten Anschluss von Sensoren an Mikrocontroller-System geeigneten One-Wire-Bus gilt auch beim AS-Interface, dass die Stromversorgung von Geräten mit geringem Energiebedarf direkt über die Busleitung erfolgt. Die Nominalspannung liegt dabei bei 24 V; laut Spezifikation darf man theoretisch bis zu 8 A über den Bus jagen. Praxisgerechter ist die Empfehlung, dass man ab 2 A auf die Spannungsabfälle im Kabel und an den Konnektoren achten sollte.

Wichtig ist, dass das AS-Interface potentialfrei operiert und keine Referenz zur Erde aufweist. Es ist wie schon erwähnt explizit verboten, Erdungen durchzuführen. Neben vollwertigen AS-Slaves gibt es auch die Möglichkeit, ASi-Geräte nur mit Strom zu versorgen. Sie dürfen dann bei 24 V bis zu 400 mA an Strom ziehen, erhalten aber keine Adresse und sind von der Kommunikation abgetrennt. Da ein ASi-Bus physikalisch bis zu 100 m lang sein darf (bei entsprechender Terminierung sogar bis zu 300 m), eignet er sich also gut zur Versorgung fremder Systeme kleiner Leistung. Ein derartiges Gerät wird einfach an AS+ und AS- angeschlossen und tut dann, wozu auch immer es gedacht ist.

Die Versorgung in einem ASi-System erfolgt normalerweise über ein dediziertes Netzteil, dessen Aufbau in Bild 4 dargestellt ist. Von Selbstbau und eigenen Konzeptionen in diesem professionellen Bereich sei strengstens abgeraten. Auf der Website des ASi-Verbandes wird auf viele Firmen verlinkt, die entsprechend zertifizierte Produkte im Angebot haben.
 
Bild 4. Die als PELV bezeichneten Netzteile sind vergleichsweise komplex aufgebaut (Quelle).
Interessant ist hierbei, dass die Netzteile durchweg eine Gleichspannung von 29,5 bis 31,6 V bereitstellen. Die gegenüber 24 V erhöhte Spannung ist erforderlich, um Spannungsabfälle an Kabeln und Konnektoren zu kompensieren. Allerdings ist die recht hohe Stör-Immunität in einem ASi-System kein Freibrief für nachlässige oder wilde Verkabelungen. Wenn Sie ASi-Kabel im gleichen Schacht nahe an mit Powerline-Signalen verseuchten Netzleitungen verlegen, können Sie unter Umständen schwer zu ermittelnde Störungen erleben. Eine Präsentation von Phoenix Contact bietet weitere Informationen zum Aufbau einer Installation.

Kommunikation

Das in Bild 3 gezeigte Kabel dürfte klarstellen, dass es keine getrennten Leitungen für Strom und Daten gibt. Daraus folgt, dass die Informationen vor der Verwendung erst noch demoduliert/umgeformt werden müssen.

Die Daten werden per APM (Alternierende Pulsmodulation) übertragen. Dieses Verfahren basiert auf einer Manchester-Kodierung, die Takt und zu übertragende Bitfolge kombiniert. Im nächsten Schritt wird dafür gesorgt, dass die Manchester-codierte Bitfolge in einen Sendestrom umgewandelt wird. Laut den frei verfügbaren Informationen hat dieser eine Amplitude zwischen null und 60 mA.

Negative Flanken führen zu einem Anstieg des Sendestroms und positive Flanken entsprechend zu einem Abfall. Durch die Induktivität der Leitung verwandeln sich diese Stromänderungen dann in Spannungsimpulse, die einen Pegel von etwa ±2 V um die Nennspannung aufweisen. Wichtig ist noch, dass der Start eines Datagramms immer durch einen negativen Impuls erfolgt. Dies ist beim Triggern von digitalen Oszilloskopen und Signalanalysatoren relevant.

Leider zeigen die klassischen Hersteller von Oszilloskopen bisher nur wenig Interesse an der gebrauchsfertigen Integration von passenden Decodern in ihre Produkte. Selbst die Geräte von Pico Technology können das nicht von Hause aus. Allerdings kann man diese Aufgabe dank einer API an ein Tool eines Drittanbieters übertragen.

Für ein eigenes ASi-Modul wird man die Decoder-Hardware wohl kaum in eigener Regie implementieren wollen. Die schon erwähnte Firma IDT bietet mit dem ASI4U einen Transceiver-Chip an, der sowohl als Master als auch als Slave operieren kann. Bild 5 zeigt die den Datenblatt entnommene Grundschaltung.
 
Bild 5. Der Transceiver-Chip kommt mit recht wenig externen Bauteilen aus (Quelle).
Besonders auffällig sind die beiden Leuchtdioden, die IDC im Datenblatt grün und rot darstellt. Der ASi-Bus spezifiziert nämlich, dass solche LEDs auf Slaves vorhanden sind. Sie geben Hinweise zum gerade aktiven Betriebszustand – weitere Informationen hierzu finden sich im oben angegebenen Datenblatt.

Die mit DIx und DOx bezeichneten Pins dienen als Ein- und Ausgänge. Ist ein per Transceiver angeschlossenes Modul im Slave-Mode, so stehen dort die über den Bus übertragenen Informationen zur Verfügung. Die mit Px bezeichneten Eingänge dienen für das Festlegen von Parametern. Sie spielen insbesondere beim hier nicht besprochenen Master-Mode eine wichtige Rolle.

Der Kommunikationsstandard

Nachdem nun die grundlegenden elektronischen Eigenschaften eines ASi-Systems klar sind, geht es nun um die Logik des Kommunikationsformats. Die eigentliche Kommunikation erfolgt streng Master-gesteuert. Der Master führt zyklische Polling-Vorgänge durch, bei denen er die einzelnen, am Bus befindlichen Slaves nacheinander abklappert. Die Slaves antworten darauf mit normalerweise 4 Bit langen Nutzdaten, woraufhin der Zyklus wieder von vorne beginnt (siehe Bild 6).
 
Bild 6. Datenformat von ASi-Nachrichten (Quelle).
Das Adressformat legt die maximale Zahl der am Bus adressierbaren Geräte fest. In „normalen“ Datagrammen stehen nur fünf Adressbits zur Verfügung und die Adresse „0“ ist für einen neuen Slave reserviert. Folglich bleiben netto 31 mögliche Adressen für ansprechbare Slaves übrig. Mit Adresse 0 auftauchende Peripheriegeräte bekommen vom Master eine neue, noch freie Adresse zugewiesen.

Aus dem zyklischen Polling folgt eine deterministische Reaktionszeit in einem ASi-System. Bei ASi 3.0 liegt sie normalerweise im Bereich von 5 ms, während die neue Version 5 bei 24 Teilnehmern eine Zykluszeit von nur 1,2 ms verspricht. Zudem ist die maximale Anzahl an Slaves bei ASi 5.0 mit 96 deutlich größer.

Von besonderer Bedeutung ist, dass entweder Daten oder Parameter übertragen werden können. Ein Informationsbit zeigt an, welche Art von Informationen gerade über den Bus wandern. Das Steuerbit entscheidet zudem, ob Adress- oder Kommandoaufrufe erfolgen.

Wie vorgehen?

Wenn Sie es mit einem schon existenten ASi-System zu tun bekommen oder ein neues ASi-Systems aufbauen sollen/wollen, sollten Sie ökonomisch denken. Die eigene Entwicklung von Modulen mit Sensoren mag Vergnügen bereiten, ist in der Praxis aber unwirtschaftlich. Es gibt schon viele Firmen, die in diesem Bereich tätig sind. Sie bieten fast alle denkbaren Sensoren und Aktoren mit AS-Interface an. Viel effektiver ist es daher, aus diesen Komponenten ein individuelles Gesamtsystem zu komponieren und es zusammen mit ihren Consulting-Dienstleistungen an Kunden zu verkaufen.

Wer unbedingt selbst mit ASi experimentieren möchte, kommt über kurz oder lang nicht um eine Mitgliedschaft in der Standardisierungsorganisation herum. Die Norm mag zwar alle notwendigen Informationen enthalten und der Transceiver-Chip ASI4U ist laut oemsecrets.com tatsächlich am freien Markt erhältlich, doch dann kommt ein großes ABER.

Das Problem ist nämlich, dass es hier um Markenrechte geht. Sobald man ohne explizite Erlaubnis die Bezeichnung ASi oder gar das ASi-Logo verwendet, wird es rechtlich ganz schnell brisant. Wenn Sie ihr System am freien Markt anbieten, ist es wohl nur eine Frage der Zeit, bis Klagen eintreffen.

Diese Situation mag für den an Laborarbeit interessierten Elektroniker nicht unbedingt befriedigend sein. Auf der anderen Seite kann sich die Arbeit mit ASi-Systemen sehr erfreulich auf Ihr Konto auswirken, denn im Bereich Industrieautomation sind vergleichsweise hohe Entwickler- und Berater-Honorare die Norm. Das kann ordentlich für den getriebenen formalen Aufwand entschädigen.

Informationen aus Kempten

Einen schnellen Überblick über den ASi-Standard in Version 3.0 gibt es übrigens im YouTube-Kanal der Staatlichen Berufsschule Kempten. Unter der URL www.youtube.com/user/BS1Elektro/videos gibt es insgesamt vier Videos zu diesem Thema in deutscher Sprache zu sehen.

Unbedingt Datenblatt lesen!

Dieser Artikel kann schon aus Umfangsgründen nur einen groben Überblick über den ASi-Standard geben. Vor eigenen praktischen Schritten ist daher das eigenständige Durcharbeiten des Datenblatts asi4you von IDT wirklich dringend nahelegt.
(190124​)
 
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