17/09/01 - Artikel: Analogwertverarbeitung mit AS-Interface nach der neuen Spezifikation 2.1
Das AS-Interface, hat sich als Installationssystem für die unterste Feldebene im Markt etabliert und wird von allen führenden Herstellern angeboten. Insbesondere zeichnet es sich durch eine extrem leichte "elektrikergerechte" Handhabung, flexible Vernetzungsstruktur, eine hohe Sicherheit in industrieller Umgebung und vor allem für den Anwender niedrigen Kosten aus. Das Produktspektrum reicht von verschiedenen Masterbaugruppen - direkte Anschaltbaugruppen für PC oder SPS oder Gateways zu übergeordneten Feldbussysteme wie PROFIBUS, InterBus oder auch Ethernet TCP/IP - über integrierte AS-Interface Sensoren, I/O Baugruppen für Schaltschrank- (IP20) und Feldeinsatz (IP67) bis hin zu intelligenten Aktuatoren. Seit der Einführung des Systems im Markt 1994 haben sich von Kundenseite Anregungen und Forderungen aufgetan, die in die neue AS-Interface Spezifikation 2.1 eingebunden wurden. Die Spezifikation wurde so weiterentwickelt, dass eine Abwärtskompatibilität zum Standard AS-Interface erhalten bleibt. Dies ist insofern wichtig für Maschinen- und Anlagenbauer, dass sie auf eine zukunftsweisende Technologie aufsetzen, die sich ständig weiterentwickelt bei der jedoch die bisherigen Komponenten weiterverwendet werden können. Das AS-Interface nach neuer Spezifikation (AS-Interface 2.1) unterscheidet sich zum bisherigen AS-Interface 2.0 im wesentlichen in 3 Punkten. (vgl. Bild 1).
Bild 1: Neuerungen bei AS-Interface
Auf die einfache Übertragung von Analogwerten über AS-Interface wird im folgenden näher eingegangen.
Da AS-Interface im 1.
Schritt auf die Übertragung binärer Daten optimiert wurde, war die
Übertragung von Analogsignalen über AS-Interface nur mit
Klimmzügen möglich. Es stellte sich jedoch heraus, dass häufig
in Applikationen der eine oder andere analoge Wert wie Druck oder Temperatur
verarbeitet werden muss. Mit der neuen AS-Interface-Spezifikation wurde
eingeführt, dass bei AS-Interface 2.1 Analogwerte so einfach
übertragen werden können wie digitale Werte. Aus diesem Grunde wurden
in der neuen AS-Interface-Spezifikation die Slave-Profile 7.3 und 7.4 zur
Übertragung von Analogwerten definiert. Nach dem Profil 7.3 nimmt der
AS-Interface-Master die analogen Slaves genauso wie die digitalen Teilnehmer in
betrieb und startet den Datenaustausch automatisch. Dem Hostsystem (PC, SPS,
Feldbus) wird der 16-Bit-Wert direkt zur Verfügung gestellt. Für den
Anwender läuft die Analogwertübertragung zwischen AS-Interface-Master
und AS-Interface-Slave im Hintergrund ab.
Bei AS-Interface werden zwischen
dem AS-Interface-Master und dem AS-Interface-Slave 4 Bit E/A-Daten
ausgetauscht. Soll jetzt ein 16-Bit-Werte übertragen werden, ist ein
zeitliches Multiplexing notwendig. Der einzelne Analogwert wird vom Sender in
mehrere Stücke aufgeteilt, die nacheinander übertragen und vom
Empfänger wieder zusammengesetzt werden. Je nachdem ob es sich dabei um
den Messwert eines Sensors oder um den Sollwert für einen Aktuator (z.B.
einen drehzahlvariablen Antrieb) handelt, ist der Slave Sender oder
Empfänger und der Master das Pendant.
Bei AS-Interface erfolgt die
Übertragung der Teilnachrichten in aufeinanderfolgenden Zyklen. Dadurch
bleibt die Zykluszeit des Systems unabhängig von der Anzahl solcher
Slaves, die lange Nachrichten zu übertragen haben. So bleibt selbst dann,
wenn in einem Netz viele Analogwerte übertragen werden müssen, die
Zykluszeit zur Auffrischung der Binärwerte (max. 5 ms bei 31
Single-Slaves) konstant. Für den Anwender ist der Slave, der diesen
"gestückelten" Datenaustausch vornimmt, ein Gerät, das er vom
Hersteller bezieht, um dessen Einzelheiten er sich jedoch nicht kümmert.
Nach der Spezifikation 2.1 wird eben jetzt auch der Teil auf der Gegenstelle im
Master automatisch abgearbeitet. Dies bedeutet, dass sich der Anwender voll auf
seine Applikation konzentrieren kann, und er sich nicht um die Übertragung
einzelner Bits bei der Analogwertübertragung kümmern muss, wie es
nach den bisherigen AS-Interface-Profilen 7.1 und 7.2 gemacht werden
musste.
Die Vorteile für den Anwender sind offensichtlich: Er muss sich
nicht um die Abwicklung des Datenverkehrs im Anwenderprogramm kümmern.
Dies führt in den meisten Fällen zu einer Verringerung der
Übertragungszeit der Analogwerte über AS-Interface, da der Analogwert
nicht mehr von der Zykluszeit der Anwendung sondern von der
AS-Interface-Zykluszeit abhängt. Bis zu 31 analoge AS-Interface-Slaves
können an einen AS-Interface-Master nach der Spezifikation 2.1 betrieben
werden. Nach dem Slaveprofil 7.3 können je nach Slave entweder ein, zwei
oder sogar vier analoge Sensoren bzw. Aktuatoren angeschlossen werden. Somit
können maximal 124 Analogwerte über AS-Interface übertragen
werden.
Bihl+Wiedemann hat
eben für den sicheren und direkten Anschluss von Sensoren und Aktuatoren
AS-Interface-Analogmodule entwickelt, die analoge Daten wie Druck und
Raumtemperatur als störsichere digitale Signale über AS-Interface
tragen (vgl. Bild 4).
In der Anlagentechnik werden an diese Module
Messverstärker, Trennverstärker oder Wirkleistungsumformer
angeschlossen. Die Module sind nach dem oben angeführten standardisierten
AS-Interface-Profil 7.3 aufgebaut. Sie werden einfach - wie rein digitale
AS-Interface-Slaves - an die AS-Interface-Leitung geklemmt und der Master nimmt
eigenständig die Kommunikation zum Slave auf. Einfach Plug and
Play! Für den Anwender entfällt die Programmierung von
Funktionsbausteinen zur Bedienung des Analogprofils.
Bild 2: AS-Interface-Analogmodul: Einfach "Plug and Play" nach dem
Profil 7.3
Die Baureihe der
Analogmodule umfasst heute 5 Module: 2 analoge Eingänge 0 bis 10V, 2
analoge Eingänge 0/4 bis 20mA, 2 analoge Ausgänge 0 bis 10V und 2
analoge Ausgänge 0/4 bis 20 mA sowie ein Modul mit 4 Pt100 Eingängen.
Die hohe Schutzart IP65 ermöglicht den Einsatz der Module direkt vor
Ort.
Neben dem Anschluss von konventionellen Sensoren und Aktuatoren mit 0 -
10 V bzw. 0/4 - 20 mA Eingängen / Ausgängen können auch durchaus
andere Endgeräte über entsprechende AS-Interface-Slaves, welche die
16-Bit-Wertübertragung nach den Slaveprofilen 7.3 oder 7.4
unterstützen, an das AS-Interface angeschlossen werden. Hier können
beispielsweise Tastenfelder oder Bediengeräte angeführt werden. Es
werden aber auch immerhäufiger drehzahlveränderbare Antriebe an das
AS-Interface angeschlossen.
Die vielseitigen drehzahlveränderbaren Antriebe der unterschiedlichsten Hersteller sind sowohl im gesamt Maschinenbau als auch im industriellen Bereich einsetzbar. Ihre Fähigkeit, Prozesse zu optimieren und Energie zu sparen steht und fällt jedoch gerade in innovativen Maschinen und Anlagenkonzepten mit den Kommunikationsschnittstellen, die sie nahtlos in ihr jeweiliges Automationsumfeld integrieren. Dieses Umfeld wird heute im wesentlichen auch von Sensoren geprägt. Aus diesem Grunde wurden von Bihl+Wiedemann AS-Interface-Slaves für Frequenzumrichter sowie Motoren mit integrierten Frequenzumrichtern entwickelt, die diese Probleme lösen, um auch Applikationen zu ermöglichen die nicht unbedingt den Einsatz leistungsfähigerer Feldbussystem zur Anbindung der Antriebe erfordern, und somit dem Anwender Kosten einsparen.
Bild 3: AS-Interface-Slave in Verbindung mit einem
Frequenzumrichtermotor
Hierbei handelt es sich um AS-Interface-Slaves, die über eine serielle Schnittstelle verfügen mit der Frequenzumrichter bzw. Motoren mit integriertem Frequenzumrichter angeschlossen werden können. Die Aufgabenstellung dieser Slaves besteht darin, dass einerseits die Frequenzumrichter angesteuert werden müssen und andererseits auch Rückmeldungen der Antriebe ausgewertet werden müssen. Die Ansteuerung kann sowohl Festsollwerte als auch sich ändernde Sollwerte und Rampen betreffen. Um diesen Anforderungen zu genügen, können die AS-Interface-Slaveanschaltungen in verschiedenen Modi betrieben werden, welche durch das Senden unterschiedlicher AS-Interface-Parameteraufrufe aktiviert werden. Im Default-Modus verhalten sich die AS-Interface-Slaves aus Sicht des AS-Interface-Masters wie ganz normale AS-Interface-4E/4A-Module. Um jedoch auch Sollwert und Rampe zu übertragen wird der AS-Interface-Slave in einen anderen Betriebmodus umgeschaltet. In diesem Modus verhält sich der AS-Interface-Slave wie ein 4 kanaliges AS-Interface-Analogausgangsmodul. Nach dem Slave-Profil 7.3 werden dann vier 16-Bit-Werte vom AS-Interface-Master an den AS-Interface-Slave übertragen. Diese 4 Werte beinhalten:
Dies bietet eine einfache Möglichkeit zur Optimierung von Anlagen an, beispielsweise Förderanlagen, die aufgrund unterschiedlicher Produkte, die transportiert werden auch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten sowie Beschleunigungs- und Bremsvorgängen gefahren werden müssen.
Die Übertragung der analogen AS-Interface-Daten an das Host-System ist entsprechend einfach wie bei den binären AS-Interface-E/A-Daten. Wird beispielsweise eine PC-Karte als AS-Interface-Master verwendet, so werden die analogen Daten neben den binären Daten zwischen dem AS-Interface-Master und dem PC über ein DPRAM ausgetauscht. Über entsprechende Treiber für die gängigen Betriebssysteme sowie einen OPC-Server können die 16-Bit-Werte der AS-Interface-Analogslaves einfach in die Applikation eingebunden werden.
Bild 4: AS-Interface/PROFIBUS DP-Gateway nach neuer Spezifikation
2.1
Wird ein Gateway zwischen AS-Interface und einem übergeordneten Feldbussystem als AS-Interface-Master eingesetzt, so werden die analogen Daten über den übergeordneten Bus übertragen. Die AS-Interface/PROFIBUS-Gateways nach neuer Spezifikation 2.1 von Bihl+Wiedemann beipielsweise können bei der Inbetriebnahme des PROFIBUS so konfiguriert werden, dass die analogen Daten entweder zusammen mit den binären AS-Interface-E/A Daten im zyklischen PROFIBUS DP Telegramm übertragen werden oder dass die analogen Daten über den azyklischen PROFIBUS DP V1 Dienst übertragen werden. Der Anwender kann die für ihn beste Möglichkeit auswählen. Auch die Übertragung von Sollwerten und Rampen der oben beschriebenen AS-Interface-Slaves für Frequenzumrichter kann einfach über den PROFIBUS DP erfolgen. Über ein einfaches PROFIBUS Kommando werden die entsprechenden AS-Interface-Parameterumschaltungen sowie die Übertragung der vier 16-Bit-Werte ausgeführt. Der Anwender muss lediglich ein Kommando über den PROFIBUS ausführen und der Rest geschieht automatisch. Dies bedeutet nicht nur eine deutliche Erleichterung für den Anwender sondern auch eine Erhöhung der Performance des Gesamtsystems durch die Optimierung der Übertragungszeiten.
Mit den Verbesserungen nach der neuen AS-Interface-Spezifikation 2.1 ist die Übertragung von Analogwerten so einfach wie die von binären Werten. Dem Anwender eröffnen sich nun Möglichkeiten neben überwiegend binär arbeitenden auch viele einfache analoge Geräte in ein AS-Interface-Netz einzubinden. AS-Interface als System wird somit universeller verwendbar ohne dabei komplizierter zu werden. Die Vorteile des AS-Interface, wie die geringen Kosten, die hohe Flexibilität und die "Elektriker-gerechte" Handhabung können mit den Funktionen von analogen Engeräten aber auch Antrieben sinnvoll kombiniert werden. Damit bietet sich dem Anwender eine echte Alternative neue Lösungen für Maschinen und Anlagen zu konzipieren, mit AS-Interface als eigenständigem System oder aber als Subsystem zu einem übergeordneten Feldbussystem.
Autor
Dipl.-Wirtsch.-Ing. Lutz
Bieberstein
Bihl+Wiedemann GmbH
Floßwörthstr. 41, D-68199
Mannheim
Tel.: (+49) 621/33996-0, Fax: (+49) 621/3392239
eMail:
lbieberstein@bihl-wiedemann.de
Herr Bieberstein ist Marketing- und
Vertriebsleiter bei der Bihl+Wiedemann GmbH
Literatur
[1] Dr. Otto W. Madelung:
AS-Interface® Version 2.1: In Zukunft auch einfache
Analogwertübertragung, 1999
[2] AS-International: Was ist neu bei
AS-Interface? Eine kurze Einführung. Vortragsfoliensatz , April
2000
[3] Lutz Bieberstein: AS-Interface-Anschaltungen für
Frequenzumrichter, 1999