AS-Interface

In jeder Maschine sitzen unten an der Mechanik viele einfache Geräte: Näherungsschalter, die melden „Teil ist da“, Endschalter, die melden „Zylinder ausgefahren“, oder Magnetventile, die ein „Ein“ oder „Aus“ bekommen. Solche Geräte liefern oder brauchen meist nur ein einziges Bit — ein binäres Signal, also entweder Strom oder kein Strom.

Klassisch wird jedes dieser Geräte mit einer eigenen Leitung an die Steuerung angeschlossen. Bei wenigen Signalen ist das kein Problem. Bei einer größeren Anlage wird daraus aber schnell ein riesiger Kabelbaum: viel Material, viel Platz, viel Arbeit und viele mögliche Fehlerstellen beim Verdrahten.

AS-Interface dreht dieses Prinzip um. Statt jedes Gerät einzeln zur Steuerung zu ziehen, läuft ein einziges Kabel durch die ganze Anlage, und alle Geräte hängen sich an dieses eine Kabel. Über dasselbe Kabel laufen sowohl die Signale als auch die Stromversorgung der angeschlossenen Geräte. Der Name sagt es schon: AS-Interface steht für Aktor-Sensor-Interface — die Schnittstelle für Aktoren und Sensoren.

Einordnen lässt sich AS-i ganz unten in der Automatisierungspyramide, auf der Feldebene — direkt an der Maschine, bei den Sensoren und Aktoren. Darüber liegen leistungsfähigere Bussysteme wie PROFIBUS oder PROFINET, die größere Datenmengen und komplexere Geräte verbinden. AS-i ist bewusst klein und einfach gehalten: Es soll die unterste, billigste und zahlreichste Ebene erschließen, wo es nur um simple Schaltsignale geht.

Ein AS-i-Netz besteht aus wenigen, klar abgegrenzten Bestandteilen. Wer diese vier Teile kennt, versteht das ganze System: das Kabel, den Master, die Slaves und das Netzteil.

Der Master ist die zentrale Steuerinstanz des Busses. Meist ist er eine Baugruppe an der SPS oder ein eigenes Gateway, das AS-i mit einem übergeordneten Bus wie PROFINET verbindet. Der Master fragt der Reihe nach alle angeschlossenen Geräte ab und sammelt deren Zustände ein. AS-i arbeitet nach dem Master-Slave-Prinzip: Es gibt genau einen Master, der das Kommando hat, und viele Slaves, die nur antworten, wenn sie gefragt werden. Ein Slave spricht nie von sich aus.

Die Slaves sind die Teilnehmer am Bus — entweder direkt im Sensor oder Aktor integriert oder als kleines Anschlussmodul, an das man herkömmliche Geräte anschließt. Jeder Slave bekommt eine eindeutige Adresse, über die der Master ihn anspricht. In der klassischen Ausführung sind bis zu 31 Slaves an einem Strang möglich. Mit dem erweiterten Adressmodus, bei dem Adressen in einen A- und einen B-Bereich aufgeteilt werden (A/B-Slaves), lässt sich die Zahl auf bis zu 62 Teilnehmer verdoppeln — allerdings mit Einschränkungen bei den nutzbaren Datenbits.

Das Herzstück der Verdrahtung ist das gelbe Flachkabel. Es ist ungeschirmt, hat zwei Adern und eine auffällige geometrische Form: Eine Seite ist abgeschrägt, sodass das Kabel nur in einer Richtung in die Module passt. Dieser mechanische Verpolschutz verhindert, dass man Plus und Minus vertauscht. Das Kabel wird einfach an der Anlage entlanggeführt, und die Geräte werden an beliebiger Stelle aufgesetzt.

Verbunden wird nach dem Prinzip der Durchdringungstechnik: Im Modul sitzen zwei spitze Kontaktdorne. Beim Zuschrauben des Moduls durchstoßen diese Dorne die Kabelisolierung und treffen die beiden Adern — fertig ist der Kontakt. Diese Bauart wird oft als Vampirklemme bezeichnet, weil sich die Kontakte wie Zähne in das Kabel bohren. Das Kabel muss dafür nicht abisoliert oder aufgetrennt werden, was die Montage stark vereinfacht.

Beim Netzteil liegt eine Besonderheit, die in der Praxis oft übersehen wird. Ein AS-i-Netzteil liefert keine üblichen 24 V, sondern arbeitet mit einer eigenen Versorgungsspannung von rund 30 V DC. Noch wichtiger: Im Netzteil steckt eine Datenentkopplung.

Um zu verstehen, warum die nötig ist, hilft ein Blick darauf, wie AS-i die Daten überträgt. Auf der Leitung liegt die Gleichspannung als Energieversorgung. Die Datensignale werden dieser Gleichspannung als kurze, hochfrequente Stromimpulse aufgesattelt — man spricht von aufmodulierten Signalen. Ein gewöhnliches Netzteil ist aber darauf ausgelegt, seine Ausgangsspannung möglichst konstant und „steif“ zu halten: Es bügelt jede schnelle Schwankung sofort weg. Damit würde es genau die feinen Datenimpulse glätten, bevor ein Slave sie lesen kann — die Daten wären praktisch kurzgeschlossen. Die Datenentkopplung im AS-i-Netzteil verhindert das. Sie wirkt im Wesentlichen über Induktivitäten, also Spulen: Eine Spule lässt langsame Vorgänge wie die Gleichstromversorgung ungehindert durch, setzt schnellen Stromänderungen aber einen hohen Widerstand entgegen. Dadurch bleiben die hochfrequenten Datenimpulse auf der Leitung erhalten und werden nicht vom Netzteil geschluckt. Genau das ist der Grund, warum man ein gewöhnliches 24-V-Netzteil nicht für AS-i verwenden darf — ohne diese Entkopplung funktioniert der Bus nicht. Es muss immer ein speziell für AS-i ausgelegtes Netzteil sein.

Reicht ein einzelner Strang nicht aus — etwa weil die maximale Leitungslänge von rund 100 m überschritten wird oder mehr Teilnehmer nötig sind — lässt sich das Netz mit Repeatern verlängern, die das Signal auffrischen.

Damit der Master jeden Slave einzeln ansprechen kann, braucht jeder Slave eine eindeutige Adresse. Im Auslieferungszustand haben neue Slaves meist die Adresse 0 und müssen vor dem Einsatz adressiert werden. Das geschieht entweder mit einem handlichen Adressiergerät, das man kurz an den Slave anschließt, oder über die Engineering-Software des Masters. Wichtig ist, dass keine Adresse doppelt vergeben wird — sonst antworten zwei Geräte gleichzeitig, und der Master erkennt Fehler.

Im laufenden Betrieb fragt der Master alle Slaves immer wieder der Reihe nach ab: Er sendet eine Anfrage an Adresse 1, bekommt die Antwort, geht weiter zu Adresse 2 und so fort, bis alle durch sind — dann beginnt er von vorn. Dieser zyklische Datenaustausch sorgt dafür, dass das Prozessabbild in der Steuerung ständig aktuell gehalten wird. Die Zeit für einen kompletten Durchlauf, die Zykluszeit, liegt bei einem voll ausgebauten Strang im Bereich weniger Millisekunden. Für die typischen Schaltaufgaben auf der Feldebene ist das mehr als schnell genug.

Es gibt auch eine sicherheitsgerichtete Variante, oft als Safety at Work bezeichnet. Damit lassen sich sichere Signale — etwa von einem Not-Halt oder einer Schutztür — über dasselbe gelbe Kabel übertragen wie die normalen Signale. Sichere und normale Slaves dürfen am selben Strang gemischt betrieben werden. Die sichere Auswertung übernimmt ein eigener Sicherheitsmonitor. Das ist ein eigenes, umfangreiches Thema; hier reicht es zu wissen, dass es diese Möglichkeit gibt.

So praktisch AS-i is, es hat klare Grenzen. Es ist für einfache, binäre Signale gemacht — pro Standard-Slave stehen nur wenige Datenbits zur Verfügung. Für große Datenmengen, analoge Messwerte in hoher Auflösung oder schnelle Regelaufgaben ist AS-i nicht gedacht; dafür gibt es leistungsfähigere Bussysteme. Auch die Ausdehnung ist begrenzt: Ein Strang reicht ohne zusätzliche Maßnahmen etwa 100 m weit. Größere Anlagen werden mit Repeatern oder mehreren Strängen aufgebaut.