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PROTOCOLO AS-I: AGREGANDO INTELIGÊNCIA A SENSORES E ATUADORES

Dr. Marcelo Barros de Almeida, Smar Equipamentos Industriais Ltda,

barros@smar.com.br;

Fernando Henrique Ataíde, Centro Universitário do Leste Minas Gerais – UNILESTEMG,

fha@unilestemg.br;

Max Mauro Dias Santos, Centro Universitário do Leste Minas Gerais – UNILESTEMG,

maxmauro@unilestemg.br.

 

Resumo



A finalidade deste artigo é apresentar uma introdução ao protocolo AS-Interface, apresentado os seus principais conceitos, características, vantagens e limitações relacionadas à sua aplicação em automação de processos industriais.

 

Introdução



O protocolo AS-Interface, comumente referenciado somente como AS-i (proveniente de Interface Sensor Atuador) foi criado por conjunto de onze empresas ligadas a setores de automação, através de um consórcio fundado em 1990, denominado “ASI consortium”. Uma das principais idéias do projeto AS-i era levar ao nível de sensores e atuadores os benefícios já alcançados nos níveis superiores da hierarquia de automação industrial. Desta forma, a rede AS-i foi concebida para complementar os demais sistemas e tornar mais simples e rápida as conexões dos sensores e atuadores com os seus respectivos controladores. Como ponto de partida para o desenvolvimento do AS-i, foi elaborada uma lista de requisitos para o desenvolvimento de uma interface serial digital, para sensores e atuadores, listados a seguir:

 

  • Interoperabilidade: sensores e atuadores de diferentes empresas poderão ser conectados a uma mesma interface serial digital.
  • Facilidade de instalação e localização de falhas · Baixo custo de conexão por nó e sem restrições de topologia de rede
  • Cabeamento realizado através de dois fios, de fácil uso e baixo custo, capazes de entregar tanto energia quanto dados.
  • Confiabilidade operacional alta em ambientes industriais severos. · Baixo tempo de reação e comportamento determinístico.
  • Volume pequeno dos dispositivos usados na conexão de circuitos.

Em 1998, a rede AS-i foi padronizada pela norma EN 50295, sendo considerada uma solução simples em redes industriais e aplicada ao nível mais baixo de automação (Figura 2.1). A rede AS-i pertencente à categoria de Sensor Bus (Figura 2.2), isto é, tem como foco os dispositivos discretos, suas interligações e controle. AS-Interface fornece uma alternativa simples de rede para interligação de sensores e atuadores através de uma barramento de dois fios, fornecendo aos elementos periféricos como: transmissão de dados e diagnostico de todo o sistema. Dispositivos analógicos são também suportados, apesar de não ser o foco principal do protocolo AS-i.

 

Figura 1.1: Níveis de redes para automação.

 

Figura 1.2: Categorias das redes para automação.

 

Características



A rede AS-i é do tipo mestre-escravo, com polling cíclico. Em outras palavras, ela apresenta um dispositivo mestre, capaz de controlar toda a rede, realizando um polling cíclico em todos os outros dispositivos presentes na rede, denominados de escravos. O mestre AS-i realiza várias tarefas, como inicialização da rede, identificação dos escravos, diagnóstico dos escravos e de dados transferidos. Além disso, geralmente se comunica a um controlador (PLC ou PC) para receber a configuração de controle da rede AS-i, reportar erros, endereçar escravos substituídos, entre outras tarefas. O tempo máximo de ciclo para uma rede AS-i é de 5ms, mesmo estando a rede repleta, com 31 dispositivos. Isto permite uma integração eficiente entre botoeiras e acionadores, além de lógicas de intertravamento. Os escravos são dispositivos passivos, isto é, só podem ter acesso a rede quando o mestre faz uma requisição para ele e a transferência de dados de escravo para escravo só é possível via mestre. Aos escravos podem estar conectados até quatro sensores e quatro atuadores, que terão os seus valores lidos/escritos ciclicamente pelo mestre. Existem também escravos que trabalham com valores analógicos, mas estes precisam de quatro ciclos de rede para que uma leitura/escrita se complete. As principais características do protocolo AS-Interface estão listadas abaixo, segundo a versão 2.0 do protocolo. Recentemente foi introduzida a versão 2.1, discutida ao final.

 

 

Transferência de dados

Mestre escravo com polling cíclico.

Endereçamento

Os escravos recebem um endereço enviado pelo mestre ou um terminal de configuração.

Estrutura da rede

Barramento, anel, estrela, ou árvore.

Meio físico

Dois cabos não trançados e nem blindados para dados e energia (24V DC), tipicamente até 200mA por escravo e 8A por rede.

Comprimento de cabo

Máximo 100m. Maiores distâncias podem ser obtidas com repetidores. Não é necessário nenhum tipo de terminador.

Número de escravos

31 escravos.

Número de sensores e atuadores

4 sensores e 4 atuadores por escravos. Máximo de 248 participantes binários por rede.

Tempo de ciclo

5ms para uma rede completa, com 31 escravos. Cada escravo pode utilizar até 150μs do tempo da rede por ciclo. Os dados transmitidos são limitado a 4 bits por escravos que podem ser trocados a cada ciclo. Mensagens longas podem ser transmitidas dividindo-as em vários ciclos.

Modulação

Emprega uma modulação por pulsos alternados conhecida como APM (Alternating Pulse Modulation) e baseada no código Manchester.

Taxa de transferência

A taxa de transferência no AS-i é de 167kbit/s, resultando em 6μs como o tempo gasto de transmissão de um bit (tempo de bit).

 

 

 

Tabela 2.1: Principais características do AS-Interface versão 2.0.

 

A rede AS-i utiliza um cabo especial não blindado e perfilado (para evitar a inversão de polaridade), composto de dois fios e transportando simultaneamente dados e alimentação para os elementos da rede. Este cabo é comumente conhecido como “Yellow flat cable”. Para aplicações que demandam potência maior, existem versões especiais indicadas por cores, como o cabo preto (“Black flat cable”, fornecendo até 30V) e o vermelho (“red flat cable”, fornecendo até 230V AC). Na Figura x é apresentado um corte de perfil no cabo AS-i amarelo.

 

 

Figura 2.1: Formatos de cabos AS-i e sua conexão rápida.

 

A conexão do cabo AS-i é rápida, feita geralmente através de conectores “vampiros” que perfuram o isolante do cabo e estabelecem o contato com os fios internos. Na retirada das tomadas, em caso de modificação da fiação, o cabo retorna ao seu aspecto original, pois o seu isolante é “auto-regenerativo”.

 

 

Figura 2.2: Conexões do cabo AS-i.

 

Protocolo de comunicação



A troca de dados entre mestre e escravo no AS-i sempre consiste de um chamado do mestre, seguido por uma pausa e uma posterior resposta do escravo, também seguida de uma pausa. A pausa do mestre tem que ser mantida e checada pelo escravo depois de receber um chamado do mestre e apresenta duração de 3 a 10 bits (18 a 60 µs). A pausa entre a resposta do escravo e o próximo chamado do mestre é a duração de tempo em que a rede estará ociosa após o fim de uma resposta do escravo. A especificação do mestre determina que a duração máxima desta pausa seja de 2 bits (12 µs) em operação normal, assegurando que o tempo de ciclo será mantido. Levando-se em consideração a taxa de comunicação do AS-i (167kbit/s) e incluindo todas as pausas necessárias, chega-se a uma taxa liquida de 53.3kbit/s, gerando uma eficiência na transferência é de 32%.

 

Chamado do mestre
(14 bits)

 

Pausa mestre

 

Resposta do escravo
(7 bits)

 

Pausa para próxima chamada

 

Chamado do mestre
(14 bits)

....

Figura 3.1: Tempo de transição no AS-i.

 

A duração desta pausa pode ser alongada até 500 μs desde de que o tempo de ciclo não exceda os 5 ms. O aumento do tempo de ciclo pode ser feito em sistemas com menos de 31 escravos, de forma que o mestre o utilize no processamento interno das funções de controle.

 

Formato e tipo de mensagens Os frames enviados por mestres e escravos apresentam tamanhos diferentes, sendo que o frame do mestre contém 14 bits e o do escravo 7 bits. A estrutura destes frames pode ser vista na Figura y.

 

 

Figura 3.2: Estrutura de um frame AS-i.

 

As descrições dos campos do frame de requisição do mestre estão a seguir:

 

ST

Bit de início

Identifica o início do frame de requisição do mestre. Sempre valor lógico 0.

SB

Bit de controle

Identifica se o comando.
0 para dados, parâmetro e endereço.
1 para comandos

A0 a A4

Endereço

Endereço do escravo a ser chamado.

I0 a I4

Dados

Dependendo o tipo da requisição do mestre, este campo pode conter até 5bit de informação.

PB

Bit paridade

A soma de todos os bits “1”, exceto os bits de início e fim, deve ser par.

EB

Bit de fim

Identifica o fim do frame. Sempre valor lógico 1.

 

Para o escravo, vale o seguinte detalhamento:

 

ST

Bit de início

Identifica o início do frame de requisição do mestre. Sempre valor lógico 0.

I0 a I4

Dados

Informação em 4bits, geralmente ligada a valores discretos de entrada ou saída. Para valores analógicos o valor obtido pelo A/D do escravo será separado em várias partes e transmitido através de vários ciclos.

PB

Bit paridade

A soma de todos os bits “1”, exceto os bits de início e fim, deve ser par.

EB

Bit de fim

Identifica o fim do frame. Sempre valor lógico 1.

 

Existem nove diferentes tipos de mensagens AS-i: duas para dados e parâmetros, duas para ajustes ou mudança de endereços de escravos e cinco para identificação de escravos ou para investigação de status. Na Tabela 2.3 estão listados todos os tipos possíveis e combinação de códigos de requisições do mestre.

 

 

Tipo de Mensagem

ST

SB

5 bit de endereço

5 bit de dados

PB

EB

1

Troca de dados
(Data exchange)

0

0

A4

A3

A2

A1

A0

0

I3

I2

I2

I0

PB

1

2

Escrita de parâmetros
(Write parameter)

0

0

A4

A3

A2

A1

A0

1

I3

I2

I2

I0

PB

1

3

Atribuição de endereço
(Assign address)

0

0

0

0

0

0

0

A4

A3

A2

A1

A0

PB

1

4

Inicialização do escravo
(Reset)

0

1

A4

A3

A2

A1

A0

1

1

1

0

0

PB

1

5

Apagamento de endereço operacional
(Delete operating address)

0

1

A4

A3

A2

A1

A0

0

0

0

0

0

PB

1

6

Leitura de configuração de I/O
(Read I/O configuration)

0

1

A4

A3

A2

A1

A0

1

0

0

0

0

PB

1

7

Leitura de código de identificação
(Read ID code)

0

1

A4

A3

A2

A1

A0

1

0

0

0

1

PB

1

8

Leitura de status
(Read status)

0

1

A4

A3

A2

A1

A0

1

1

1

1

0

PB

1

9

Leitura e apagamento de status
(Read and reset status)

0

1

A4

A3

A2

A1

A0

1

1

1

1

1

PB

1

 

Data Exchange: É o tipo mais comum de mensagem. Serve para transferir dados e solicitar valores de entrada de um escravo. Write parameter: Configura o comportamento do escravo através da escrita em parâmetros internos. Assign Address: Permite que o mestre atribua um novo endereço para um escravo. Isto é possível porque os escravos entram na rede com endereço 0 ou são configurados para este endereço através do comando Delete Operating Address. Reset: Reinicia o escravo, colocando-o em seu estado inicial. Este comando tem o mesmo efeito que um reset forçado que pode ser feito manualmente no pino de reset do chip AS-i do dispositivo escravo. Delete Operating Address: Este comando é usado para apagar o endereço de operação de um escravo e é usado em conjunto com o comando Assign_Address. Após o escravo ter reconhecido o comando, ele passa a operar com o endereço 0. Read I/O Configuration: É usada pelo mestre para ler a configuração de I/O de um dispositivo escravo. Esta configuração segue um dos padrões indicados na Tabela 2.4, onde IN é entrada de dados do processo, OUT é ajuste para saída do dispositivo, I/O é ajustado para ter um comportamento bidirecional de entrada e saída, é por fim o TRI significando sem configuração.

 

Código

D0

D1

D2

D3

 

Código

D0

D1

D2

D3

00

IN

IN

IN

IN

 

08

OUT

OUT

OUT

OUT

01

IN

IN

IN

OUT

 

09

OUT

OUT

OUT

IN

02

IN

IN

IN

I/O

 

0A

OUT

OUT

OUT

I/O

03

IN

IN

OUT

OUT

 

0B

OUT

OUT

IN

IN

04

IN

IN

I/O

I/O

 

0C

OUT

OUT

I/O

I/O

05

IN

OUT

OUT

OUT

 

0D

OUT

IN

IN

IN

06

IN

I/O

I/O

I/O

 

0E

OUT

I/O

I/O

I/O

07

I/O

I/O

I/O

I/O

 

0F

TRI

TRI

TRI

TRI

Tabela 3.1: Configurações de I/O.

 

Read ID Code: Serve para ler o código do dispositivo. Este parâmetro é definido durante a fabricação do componente e não pode ser mais mudado. Ele define o perfil daquele dispositivo (profile). Estes profiles são definidos na especificação AS-i. Read Status: Lê o buffer de status de um escravo, contendo dois flags, com a seguinte descrição: · S0 volatile_address: Indica que o escravo está realizando uma rotina interna para armazenar o endereço permanentemente. · S3 read_error_non_volatile_memory: Erro de leitura da memória não volátil durante o procedimento de reset. Read and Reset Status: Lê e posteriormente apaga o buffer de status de um escravo.

 

A nova especificação 2.1



Na nova especificação AS-i a quantidade de escravos participantes na rede AS-i pode ser duplicada, atingindo até 62 escravos sob a coordenação de um mesmo mestre. Isto é possível pelo uso de endereçamento duplo, no qual um mesmo endereço é dividido em A e B. Por exemplo, o endereço 5 agora precisa de um identificador a mais para nomeá-lo como 5A ou 5B. Essa técnica é chamada de Técnica A/B. Isto é possível através da utilização do quarto bit da chamada do mestre (D3), que deve ser reservado e não pode ser usado como um bit de informação. Desta maneira, os escravos que utilizam este tipo de endereçamento podem processar somente três bits de informação. O tempo de ciclo cresce para 10 ms e deve ser usado um mestre que obedeça à especificação 2.1. Uma rede na especificação 2.0 pode também ser suportada caso um mestre que obedeça a especificação 2.1 seja utilizado. Com relação ao quesito segurança, a nova versão introduziu o conceito de Safety at Work, com o objetivo de adicionar funcionalidades relacionadas à segurança pessoal e de equipamentos. Com AS-i Safety Work é possível conectar componentes de segurança (safe components), tais como chave de emergência e barreiras de segurança diretamente à rede AS-i, sem a necessidade de trocas ou expansão do sistema existente (esta função não pode ser desempenhada pelo mestre). O monitor acompanha o tráfego da rede, sem interferir, utilizando-o para determinar o estado de segurança dos equipamentos. Desta forma, máquinas e plantas podem ser ajustadas para um estado seguro através das saídas do monitor de segurança em caso de falha.

 

Exemplo de aplicação



Um exemplo que ilustra a aplicabilidade do AS-i é apresentado na figura abaixo. É um processo envolvendo controles de posicionamento de válvulas através de botoeiras, além de sensores eletromagnéticos e sinalizadores luminosos. O mestre tem a função de gateway, transmitindo e recebendo informações da redes de nível superior, tal como Foundation Fieldbus, Profibus, DeviceNet e outros. Uma fonte de alimentação auxiliar pode ser utilizado de acordo com necessidades de alimentação extra para módulos de I/O ou devices específicos.

 

Figura 5.1 Exemplo de uma planta AS-i.

 

Conclusão



Um fato importante que deve ser considerado, é que o AS-i foi desenvolvido com um foco específico de aplicação final, que é a comunicação entre dispositivos “discretos”. Cobrindo uma área que os fieldbuses mais complexos não atingem com tal desempenho. AS-i é uma tecnologia que nasceu com o objetivo de eliminar uso dos cartões de I/O em PLCs, com suas ligações ponto a ponto que demanda um alto custo de cabeamento, manutenção e instalação. Não esquecendo do determinismo do protocolo, que traz vantagens para aplicações de tempo real.