AS-i und Elektromagnetische Verträglichkeit

Als Industriebus auf der untersten Feldebene hat sich der »Aktor-Sensor-Interface-Feldbus« (AS-i) seit seiner Einführung Mitte der 1990er-Jahre sehr gut bewährt. Was ihn auszeichnet und warum er sich gut in eine vorhandene Anlage – auch Sinne der EMV – integrieren lässt, zeigt dieser Beitrag.

Schon seit den 1980er-Jahren kommen Bussysteme für die Abfrage und Steuerung z. B. bei Ventilständen, Mengendurchflüssen und Füllhöhen zum Einsatz, da sie Bit-Signale fordern oder liefern. Mehr als 18 Mio. installierte Knoten beim AS-i beweisen, dass der AS-i erfolgreich und effizient arbeitet.

Technologie und Topologie

Bild 1: Die typischen gelben Adern des AS-i-Busses übertragen sowohl Daten als auch die Energie

Die zwei Adern der typischen gelben Leitung übertragen gleichzeitig Energie und Informationen und können heute schon als Basis für die moderne Industrieautomation angesehen werden, weil sie wirtschaftlich und einfach eingesetzt werden können (Bild 1).

Der AS-i-Feldbus ist ein einfaches Bussystem mit aktivem Bus-Master und reaktiven Bus-Slaves. Die Bus-Slaves gibt es als Komponenten für den externen Anschluss von konventionellen Aktoren oder Sensoren sowie als Komponenten mit integrierten Aktoren oder Sensoren. Mit einfachen, ungeschirmten Leitungen und Anschlüssen in Vampir (Durchdringungs)-Technik hat sich dieser Bus auch und gerade wegen seiner Wirtschaftlichkeit etablieren können. Er basiert auf dem Master-Slave-Prinzip, wobei nur der Bus-Master für die Funktion des Kommunikationssystems sorgt. Standardmäßig kann jeder Teilnehmer über jeweils vier Eingänge zum Auslesen von vier Sensoren und vier Ausgängen zum Steuern von Aktoren verfügen.

Das Übertragungsmittel ist ein ungeschirmtes, zweiadriges Flachkabel, das gleichzeitig der Spannungsversorgung und der Kommunikation dient. Dafür, dass eine spezifizierte Gleichspannung in das Bussystem eingespeist wird, ist zusätzlich ein AS-i-Netzteil erforderlich.

Der AS-i-Feldbus ist ein Mono-Master-System. Der Master organisiert den Datenverkehr zwischen den Slaves und stellt die Prozessdaten einer übergeordneten Feldebene z. B. SPS, PC oder einem Gate zur Verfügung. Die Möglichkeiten des AS-i-Masters mit nicht zum Bus­system zählenden Steuerungsgeräten ist vielfältig. Sie kann über Stand-alone-Lösungen, Masteranschaltung und Integration in ein SPS-System, AS-i Masteranschaltung mit Integration in ein Gateway oder über eine Netzwerkkarte in einem PC-System erfolgen.

Auch ist der Feldbus an keine strenge Netztopologie gebunden. Das Netzwerk kann als Linien-, Stern- oder Baumstruktur ausgeführt werden. Abschlusswiderstände sind nicht erforderlich und offenbleibende Leitungen sind erlaubt. Damit lassen sich Strukturen bis zu einer Ausdehnung von einigen hundert Metern realisieren. Die Anzahl der Slaves kann maximal 31, bei Verwendung von Slaves mit erweitertem Adressierbereich maximal 62 betragen. Zur Übertragung nutzt der AS-i-Feldbus die Manchester-II-Codierung und die sogenannte Alternierende Puls Modulation (APM). Im Basisband-Übertragungsverfahren kann auf der Busleitung zu einem Zeitpunkt immer nur ein Telegramm übertragen werden, d. h. dass sich alle Busteilnehmer die vorhandene Übertragungskapazität zeitlich teilen müssen.

Anwendung und Nutzungsbeispiele

Überall dort, wo hauptsächlich binäre Informationen oder einfache Steuerinformationen anfallen, ist der AS-i ideal und effizient einsetzbar. Gegenüber herkömmlicher Verdrahtungstechnologie konnte der AS-i-Bus den Aufwand auf ein Viertel der bisherigen Kosten reduzieren und den bisherigen »Kabelsalat« gelb und günstig gestalten. Der Anwender profitiert nicht nur durch die geringeren Leitungskosten, die günstigere Brandlast bei gebäudeüberschreitenden Leitungen oder die Einfachheit von Verlegung und Anschluss, sondern auch durch die Möglichkeit des Zusammenspiels von beliebigen Steuerungen.
Dank der universellen Kompatibilität zwischen den einzelnen Ebenen in der Hierarchie der Automatisierung, funktioniert die Kommunikation problemlos zwischen den einzelnen Ebenen. Investitionssicherheit stellt auch die Offenheit des Systems sicher, die heute ebenso mit modernen Industrial-Ethernet-Lösungen kombinierbar ist und mit einem komplexen System und der Verarbeitung großer Datenmengen kein Problem hat.

AS-i wird damit zum »Informationsgeber« mit wichtiger Backbone-Funktion. Über Gates können auch Insellösungen mit in das Gesamtsystem integriert werden. Der AS-i wird damit dem steigenden Bedarf an Informationsaustausch zwischen der Maschine als auch den erhöhten Anforderungen an die Informationsübertragung bis hin zur Enterprise-Ebene gerecht. Eine Wachstumsrate von weltweit ca. 2 Mio. Anwendern kommt dadurch zustande, dass die Technologie für alle Gerätehersteller und Entwickler frei zugänglich ist. Als klassische Nutzungsbeispiele für den AS-i gelten Automatisierungsprozesse, z. B. an Verpackungsmaschinen, Prozessregelventilen, Abfüllanlagen, elektrischen Verteilersystemen, Aufzügen und in der Lebensmittelindustrie.

Neu in diesem Zusammenhang ist eine an der HTWK Leipzig entwickelte Technologie, AS-i-Kabel in Carbon­beton-Bauteile zu integrieren, an der die HTWK-Professoren Heimbold und Holschemacher forschen. Gerade aber wegen der Technologie und Topologie des AS-i und seiner Wichtigkeit als Informationsgeber in der unteren Ebene der Automatisierungspyramide muss der Sicherheit der Datenübertragung besonderes Augenmerk gelten.

Sicherheit und EMV

Bild 2: Der universell einsetzbare Blitzstrom- und Überspannungs-Ableiter »Blitzductor« von Dehn

Damit wird die Forderung nach Elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) zu einer notwendigen Forderung und zu einem Qualitätsmerkmal von Bussystemen. Es sind in der Regel drei Faktoren, die die Frage und die Forderung nach EMV heute und in der Zukunft dringender werden lassen. Es sind dies

  • zunehmende Empfindlichkeit der Geräte
  • zunehmende Anzahl der verwendeten Geräte und Anlagen und
  • zunehmende Vernetzung der Geräte und Systeme.

Der Forderung der EMV: »Elektronische Einrichtungen müssen in ihrer Umgebung zufriedenstellend funktionieren, ohne diese Umgebung selbst zu stören« kommt damit beim Feldbus besondere Bedeutung zu.

Die hohe Betriebssicherheit des AS-i vor elektromagnetischen Einflüssen wird durch die Anforderungen der EN 50082 / Teil 2 festgelegt, die für Betriebsmittel gilt, die in industriellen Netzen betrieben werden. Bei der Konfiguration der Systeme ist jedoch auch darauf zu achten, dass z. B. bei Überschreitungen von Gebäudegrenzen oder beim vorhandenen inneren und äußeren Blitzschutz auch der AS-i in das Schutzkonzept mit einbezogen werden muss.

Der Blitz- und Überspannungsschutz im Zweck- und Industriebau kann auf folgende Weise verwirklicht werden:

  • Blitzschutz und Potentialausgleich am Gebäudeeintritt und der Schnittstelle der Schutzzone 0/1 mit Blitz­strom­ableiter Typ 1
  • Überspannungsschutz im 230-V-/400-V-System mit dem Ableiter Typ 2 z. B. in der Unterverteilung an der Schnittstelle der Schutzzonen 1/2

So kann der AS-i-Feldbus in den Schutz durch das Blitzschutzzonen-Konzept einfach und schnell mit einbezogen werden (Bild 2). Eine Verlegung von Netzleitungen des AS-i kann problemlos auch gebäudeüberschreitend erfolgen und durch das AS-i-Schutzmodul in den Blitzschutz nach EN VDE 062305 bzw. DIN VDE 0185 integriert werden.

Die Vermeidung von Störungen oder Nutzungsausfall, Stillstands- und Wiederanlaufkosten sind Faktoren, die für den Anlagenbetreiber von hoher Bedeutung sind. Gerade in Industrienetzen ist die Zahl möglicher Störquellen erheblich höher als im privaten Bereich. Mit dem AS-i Schutzmodul lässt sich auch der Feldbus in das gesamte Schutzkonzept integrieren.

Autor

Dipl. Wirtschaftsingenieur Peter Respondek, Neumarkt

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net

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