A Interface do Sensor do Atuador é uma interface Fieldbus padrão para conectar atuadores e sensores binários em um sistema de automação baseado em PLC, DCS ou PC. É o único Fieldbus orientado a bits padronizado mundialmente. Tradicionalmente, os atuadores e sensores eram conectados a um controlador PLC ou outro controlador usando fiação paralela. O complexo conjunto de fios era difícil de instalar, manter e solucionar problemas. A fiação paralela também era bastante cara. Então, no final da década de 1980 e início da década de 1990, o AS-i foi desenvolvido pela Siemens em parceria com outras dez empresas como uma interface serial para atuadores e sensores de baixo nível. A interface fornece rede industrial para o nível de processo mais baixo em sistemas de automação.
AS-i simplifica sensores e atuadores em rede, reduzindo a rede a dois fios. Os mesmos fios são usados para alimentar os dispositivos de entrada/saída, ou seja, os sensores e atuadores. Ele conecta sensores e atuadores binários que são dispositivos simples de ligar/desligar. As redes AS-i podem ser conectadas a redes de nível superior como PROFIBUS, DeviceNet e Ethernet Industrial. A interface permite conectar 31 ou 62 dispositivos escravos em um raio de 100 metros. O alcance pode ser estendido até 300 metros usando repetidores. O Fieldbus permite ainda a comunicação de dados analógicos. Com uma topologia flexível, a interface também oferece uma funcionalidade de segurança chamada “AS-i Safety at Work”. Não há dúvida de por que essa interface serial se tornou o padrão de fato para redes simples de entrada/saída em automação.
O que é uma interface de sensor de atuador?
A Interface do Sensor do Atuador é um barramento de campo orientado a bits padrão que conecta sensores binários e atuadores no nível de processo mais baixo em automação. Ele conecta nós simples como botões, chaves fim de curso, válvulas de processo, solenóides, relés, indicadores e dispositivos liga-desliga com PLC ou outro controlador. A interface permitiu a substituição completa de chicotes de cabos complexos por um cabo AS-i, que é um cabo simples de 2 fios, não blindado e não torcido. O cabo permite a transferência de dados padrão e orientados para segurança na mesma linha. Além disso, sensores e atuadores de baixa potência podem ser alimentados pelo mesmo cabo. Na maioria dos locais de automação, o AS-i é agora a solução de rede de fato para o primeiro nível de automação devido à sua simplicidade, baixo custo, flexibilidade e recursos de segurança.
Por que AS-i?
Na automação industrial, os sensores e atuadores de baixo nível são a maior parte dos dispositivos que devem ser instalados e configurados primeiro. Esses dispositivos de comando simples constituem a maior parte da rede. Sua instalação, manutenção e solução de problemas são o trabalho mais tedioso para engenheiros de automação. Se a maioria dos dispositivos estiver conectada ao controlador PLC por cabos discretos, organizar a malha será a coisa mais frustrante. O AS-i não apenas simplifica o cabeamento, mas também fornece um protocolo de rede padrão para comunicação com a maioria dos dispositivos de E/S em campo.
A interface AS-i simplifica o cabeamento em automação de baixo nível e minimiza o custo de montagem. O barramento de campo pode ser instalado em diversas topologias como barramento, estrela, anel, margarida, árvore, etc. AS-i é flexível e rápido de instalar e configurar com menos componentes. Esta é a solução de conectividade mais segura, simples e rápida em campo.
Os únicos componentes necessários para configurar o Fieldbus são o mestre AS-i, a interface AS-i e o cabo amarelo AS-i. Não há necessidade de peças em T ou cabos pré-montados para conectar os dispositivos. Os dispositivos de E/S precisam ser simplesmente parafusados em um único cabo amarelo de 2 núcleos e pronto. Os módulos (interfaces AS-i) que conectam os dispositivos ao cabo simplesmente perfuram o isolamento de borracha do cabo e estabelecem contato seguro com cada um dos dois fios do cabo por meio de duas agulhas banhadas a ouro, respectivamente. Entre todas as redes de substituição de baixo nível disponíveis, a AS-i é a opção mais econômica e com maior desempenho e segurança. Quase não tem custo de montagem e nenhuma chance de erro de instalação. Por não ser torcido, não há necessidade de descascar ou terminar o cabo.
O mesmo cabo permite a comunicação de dados padrão e dados orientados para a segurança e, ao mesmo tempo, também fornece energia aos dispositivos. AS-i é o único Fieldbus de baixo nível compatível com todos os outros sistemas Fieldbus de nível superior, incluindo PROFIBUS, Ethernet Industrial, PROFINET, DeviceNet, CC-Link, etc. O padrão mais recente permite até mesmo a interface de sensores inteligentes como IO-Link. Embora o AS-i 3.0 permitisse conectar apenas dispositivos de comando simples (On/Off) ao controlador PLC, o mais recente padrão AS-i 5.0 permite a comunicação de maiores volumes de dados a taxas mais altas.
Padrão AS-I
A interface foi desenvolvida pela Siemens e algumas outras empresas na década de 1990. Desde a sua concepção, o AS-i foi desenvolvido como uma tecnologia aberta. Logo após o seu desenvolvimento, uma organização baseada em membros chamada AS International Association foi formada para padronização e desenvolvimento adicional do protocolo. A tecnologia está em conformidade com o padrão global IEC 62026-2:2015 e padrões locais, incluindo EN 50295 (Europa), GB/T18858.2 (China), JIS C 82026-2 (Japão) e KS C IEC 62026-2 (Sul Coréia).
Componentes AS-i
Os sensores e atuadores de baixo nível compatíveis com AS-i estão disponíveis em centenas de fornecedores de automação. Já existem milhões de dispositivos de campo AS-i instalados e operacionais em todo o mundo. Esses dispositivos de entrada/saída de comando simples incluem chaves de proximidade indutivas, botões de pressão, válvulas de processo, motores trifásicos de velocidade variável, teclados, chaves fim de curso, indicadores, barreiras de luz e muitos outros dispositivos liga/desliga. Os dispositivos podem ser conectados em um campo de automação em qualquer topologia selecionável. Existem três componentes principais de um AS-i.
- AS-i Master: Os dispositivos de campo AS-i conectam-se a um CLP ou controlador através de uma arquitetura mestre-escravo. O mestre AS-i atua como um gateway para os dispositivos se conectarem ao controlador ou sistema de controle de nível superior. Os dispositivos operam como dispositivos escravos na rede. Um único mestre AS-i pode conectar até 62 dispositivos escravos ao controlador PLC, transferindo até quatro entradas e quatro saídas de cada dispositivo a qualquer momento. Dados digitais e analógicos podem ser comunicados por cabo. O mestre é responsável por definir os parâmetros da linha, gerenciar o tráfego de dados na linha, executar diagnósticos e monitorar os dispositivos escravos.
- Cabo AS-i: Este é um cabo amarelo não blindado e não torcido com dois núcleos. O cabo tem uma impedância de linha de 70~140 ohm. O cabo transporta dados e energia para os dispositivos de campo. Às vezes, um cabo preto achatado adicional é usado para fornecer 24 Vcc aos atuadores. Para aplicações especiais, também pode ser utilizado um cabo redondo. Os dispositivos de campo podem ser fixados em qualquer lugar do cabo, pois utiliza uma tecnologia de perfuração especial para conectar os módulos, conforme mencionado acima. O mecanismo de perfuração também garante nenhuma conexão solta e elimina qualquer chance de polaridade reversa.
- Nós AS-i: Esses módulos conectam sensores e atuadores com o cabo de interface AS. Os nós são projetados para penetrar verticalmente no cabo perfilado, estabelecendo uma conexão segura com os núcleos por meio de quatro agulhas banhadas a ouro.
Além dos componentes principais, é necessária uma fonte de alimentação que forneça 30 Vcc constantes ao mestre AS-i e aos dispositivos de campo. Se a alimentação for fornecida apenas pelo cabo AS-i, a fonte de alimentação atua como um desacoplador de dados separando os sinais de dados e a fonte de alimentação. Para dispositivos de campo alimentados por 24 V padrão, nem mesmo uma fonte de alimentação de 30 V CC é necessária. Esses dispositivos podem extrair energia do próprio sistema de rack PLC.
Os dispositivos de campo podem ser conectados diretamente a um controlador CLP através do mestre AS Interface no rack CLP ou conectados a um Fieldbus de nível superior como PROFIBUS ou DeviceNet novamente apenas através do mestre AS-i.
Como funciona o AS-i
Os dispositivos de campo são conectados no AS-i em uma configuração mestre-escravo. Os dispositivos escravos estão disponíveis em dois modos de endereçamento – escravos AS-i padrão (escravos A) e escravos AS-i com modo de endereçamento estendido (escravos A/B). Com um único mestre AS-i podem ser conectados até 31 escravos AS-i padrão. Como os escravos A/B podem operar em pares no mesmo endereço, até 62 escravos AS-i com modo de endereçamento estendido podem ser conectados a um único mestre AS-i.
Cada escravo AS-i padrão pode receber dados de 4 bits e enviar dados de 4 bits. Freqüentemente, esses bits são usados como sensores binários ou atuadores binários. Isto significa que até 4 sensores binários e quatro atuadores binários podem ser conectados a cada nó AS-i que seja um escravo AS-i padrão. Assim, 248 anexos binários (124 entradas e 124 saídas) podem ser feitos na rede AS-i com escravos AS-i padrão. Se forem usados escravos AS-i com modo de endereçamento estendido, um nó pode receber dados de 8 bits e enviar dados de 8 bits. Assim, até 8 sensores binários e oito atuadores binários podem ser conectados a cada nó AS-i, permitindo um total de 496 conexões (248 entradas e 248 saídas) no AS-i.
O AS-i mater pesquisa cada dispositivo de campo de maneira periódica. No protocolo AS-i, o tempo de varredura de um dispositivo de campo é muito rápido. É mais rápido que a varredura de entrada/saída em uma rede PLC típica. O protocolo usa comprimentos de mensagens constantes, portanto não há necessidade de controlar a transmissão ou interpretar o tamanho ou formato dos dados. O tempo máximo de varredura para escravos AS-i padrão é de 5ms. O tempo máximo de varredura para escravos AS-i com modo de endereçamento estendido é de 10ms. Se houver apenas um escravo A/B conectado à interface, o tempo máximo de varredura permanece em 5ms. Mas se mais de um escravo A/B estiver conectado à interface, o tempo máximo de varredura será estendido para 10 ms. Para aplicações de tempo crítico, a largura de banda para 4 escravos A/B pode ser reservada para um único escravo A/B para reduzir o tempo máximo de varredura para 5 ms.
Devido às mensagens de comprimento fixo e aos métodos de polling cíclicos, o tempo necessário para a comunicação entre os dispositivos mestre e escravo é sempre previsível. Isto permite alternar o dispositivo com uma precisão calculada. Todos os dispositivos de campo são reconhecidos na interface pelo mestre somente através do modo de endereçamento. Não há necessidade de configurar o mestre ou o escravo ou definir quaisquer parâmetros de configuração na interface. Os dispositivos de campo Combi, como módulos de exibição de texto, sensores de pressão, sensores analógicos lentos e módulos contadores, comunicam-se pela interface através do protocolo serial. A taxa de dados típica na interface AS-i é de 167 Kbps. Isso significa que leva 6 microssegundos para comunicar cada bit.
Modulação de linha de barramento AS-i
Os dados transmitidos na interface AS-i existem em formas sem retorno a zero. É codificado no formato Manchester. As correntes de linha codificadas Manchester são então diferenciadas para modulação de pulso alternado (APM). Os sinais AMP são acoplados CA à linha e sobrepostos no nível +/-2V DC.
No lado do receptor, os pulsos positivos e negativos são recuperados e reconstruídos nos dados originais.
Protocolo AS-i
O AS-i mater pesquisa cada dispositivo de campo por uma sequência. O mestre e o escravo têm no máximo 5ms ou 10ms para trocar mensagens dependendo do modo de endereçamento do escravo AS-i. Ao pesquisar um escravo, o mestre comunica uma chamada de 14 bits ao dispositivo escravo. O quadro de 14 bits consiste em 1 bit inicial (MSB), um bit de controle, endereço de 5 bits, comando ou dados de 5 bits, um bit de paridade e um bit final (LSB). Os dispositivos escravos respondem transmitindo um quadro de 7 bits, que consiste em 1 bit de início (MSB), dados de 4 bits solicitados pelo mestre, um bit de paridade e um bit de parada (LSB).
Segurança AS-i no trabalho
O AS-i também pode conectar componentes de segurança no trabalho, como botões de parada de emergência, scanners a laser, barreiras luminosas de segurança e contatos de portas. Este recurso é denominado “AS-i Segurança no Trabalho”. O AS-i típico permanece inalterado após a adição do recurso. A função é habilitada simplesmente adicionando um monitor de segurança e escravos de segurança ao AS-i. A interface pode então transferir dados padrão e orientados à segurança dos escravos de segurança para o monitor de segurança. A configuração funciona mesmo sem PLC à prova de falhas ou qualquer mestre AS-i especializado.
Os escravos AS-i seguros continuam adquirindo dados de entradas seguras. Os dados orientados para a segurança são comunicados ao monitor de segurança no mesmo barramento através de um protocolo dinâmico e seguro. De acordo com o protocolo, o monitor de segurança busca uma resposta específica dos escravos de segurança em cada ciclo. O quadro de dados enviado como resposta pelo escravo é alterado dinamicamente de acordo com um algoritmo. Uma lógica de desligamento é configurada adequadamente no monitor de segurança. Se o monitor de segurança não receber o quadro de dados esperado de um respectivo nó de segurança, isso será interpretado como um alarme e um procedimento de desligamento será iniciado dentro de um tempo de resposta máximo de 40 ms.
ASI-safe é um sistema certificado pela TUV até o Nível de Integridade de Segurança 3 (SIL 3). Esta é uma excelente forma de agregar segurança ao ambiente de automação sem nenhum custo adicional.
Transmissão analógica no barramento AS-i
O barramento AS-i é capaz de transmitir valores analógicos digitalizados. Para transmissão analógica, a saída de 4 bits em um escravo AS-i padrão é dividida em três bits analógicos e um bit de handshake. O mestre AS-i inicia o modo analógico no primeiro ciclo. O inverso também é possível. O mestre AS-i também pode enviar valores analógicos para um escravo. As tecnologias de processamento utilizam amplamente a transmissão analógica através do AS-i.
Aplicações do AS-i
AS-i é um padrão global. Ele tem sido amplamente adotado em todo o mundo para conectar em rede atuadores binários e sensores para automação de fábrica, controle de processos industriais e automação predial.