Tutoriel : Protocole ASi
Présentation de ASI
Le réseau AS-i est un bus de terrain niveau 0 permettant de réduire les coûts d'ingénierie et de câblage des équipements simples.
Le réseau AS-i (Actuator Sensor Interface) est un bus de terrain de niveau 0, conçu pour réduire les coûts de câblage et d’ingénierie des équipements simples comme les capteurs et actionneurs. Il est souvent utilisé en complément d'autres bus de terrain plus complexes, comme PROFIBUS ou Ethernet industriel, dans les systèmes d'automatisation.
Organisation
AS-International Association compte plus de 300 membres.
Outre l'association internationale basée en Allemagne, il existe 12 associations régionales. AS-i France est intégré au sein de la Division A57 du GIMELEC.
Normes et standards
AS-i est un réseau normalisé au niveau international IEC-62026-2 / EN-50295.
Historique
- 1990 : Développement du bus AS-i par un groupement de 11 sociétés.
- 1991 : L'association est fondée avec 30 membres.
- 1999 : AS-i devient standard international.
- 2002 : Intégration des spécifications 2.1 dans le standard.
- 2004 : AS-i 3.0 étend les fonctionnalités.
- 2010 : L'association compte plus de 300 membres.
- 2022 : Introduction de la version AS-i V5, apportant de nouvelles fonctionnalités améliorées.
Marché
En 2010, la base installée d'AS-i comptait environ 22 millions d'équipements. Le volume de vente annuel est d'environ 2 millions d'appareils. La version AS-i de sécurtié: "Safety at work" est une des solutions les plus populaires pour les fonctions de sécurité simples, plus d'un million d'appareils été été vendus.
Domaines d'utilisation du protocole ASi
Conçu à l'origine pour simplifier le câblage et l'automatisation des machines. AS-i est toutefois utilisé dans des installations plus vastes et dans presque tous les secteurs industriels.
Introduction au protocole ASi
AS-i est souvent considéré comme la solution la plus économique pour interconnecter des capteurs et actionneurs de terrain. Cela provient des économies de câblage mais également de la simplicité du système tant à la conception qu'à la mise en oeuvre.
Bien qu'il ait connu plusieurs évolutions, AS-i reste dédié aux applications relativement simples, c'est pourquoi il est très souvent utilisé en compément d'un bus de terrain plus évolué (par exemple PROFIBUS) ou d'un réseau Ethernet industriel.
Positionnement d'AS-i
AS-i est particulièrement adapté aux systèmes et équipements simples. D'autres réseaux sont techniquement capables de couvrir le champ de AS-i, ils se révèlent souvent plus onéreux et donc inadaptés du point de vue économique.
Principaux avantages du protocole ASi
- Simplicité :
- Une seule paire pour l'alimentation et la transmission
- Pas de terminaison, pas de blindage
- Système de raccordement par prise vampire
- Flexibilité :
- Topologie libre
- Grande modularité
- Performance :
- Temps de scrutation max 5 ms
- Nombreuses passerelles disponibles
La combinaison de ces avantages rend le système AS-i à la fois attractif et économique.
Principales caractéristiques techniques
ASi V3 :
- Couche physique :
- Le support de communication standard est une paire non torsadée non blindée
- L'alimentation et la communication sont transmises sur la même paire
- La méthode de transmission est une modulation de courant type APM (Alternate Pulse Modulation)
- Débit fixe: 167 kb/s
- Longueur de câble max : 100 m
- Protocole :
- Méthode d'accès de type Maître-esclave (mono-maître)
- Nombre d'esclaves max : 62 (Adressage étendu).Données transmises sur un format 4 bits
- Interopérabilité et interchangeabilité des stations suivant les Profils définis
- Cohabitation sur le même bus d'équipements standard et d'organes de sécurité (AS-i Safety at work)
Nouveautés apportées par ASi V5 :
La version ASi V5, introduite en 2022, apporte plusieurs améliorations significatives par rapport à ASi V3, en particulier sur la capacité, la rapidité et la flexibilité des communications.
Caractéristiques techniques de l'ASi V5 :
- Temps de cycle : environ 1,2 ms
- Sous-cycle pour 96 appareils : environ 5 ms
- Nombre de données process utilisables : jusqu’à 135
- Nombre d’appareils actifs : jusqu’à 96
- Données cycliques de processus totales : 3072 octets de données d’entrée (ASI5IDI) et 3072 octets de données de sortie (ASI5ODI)
- Données de processus cycliques par appareil : jusqu'à 32 octets de données d’entrée et 32 octets de données de sortie
- Fréquence d’échantillonnage maximale d’entrée : 390 Hz
- Fréquence de commutation maximale de sortie : 390 Hz
- Fréquence porteuse : 1 - 10 MHz
Certification
Bien qu'elle soit conseillée, la certification n'est pas obligatoire pour la commercialisation d'un équipement AS-i. Outre le certificat officiel, les matériels certifiés sont identifiables par leur logo AS-i ombré.
Déploiement du réseau ASi
AS-i est un réseau robuste qui assure une transmission fiable et de qualité si l'on respecte les règles d'installation préconisées. Il faut notamment veiller à la ségrégation des câbles de données et de puissance.
Le câble d'installation le plus couramment utilisé est un câble plat à profil asymétrique de couleur jaune développé spécifiquement pour AS-i
La connexion des équipements se fait suivant le principe d'une prise vampire.
Il est également possible d'utiliser un câble rond 2 x 1.5 mm² avec des entrées par presse-étoupe (P.E.).
Topologie
Sur AS-i la topologie est libre, les dérivations et les cascades sont autorisées. Il faut cependant veiller à rester dans la limite des 100 m de câble posé.
À noter que, le Maître ou l'alimentation peuvent être placés en un point quelconque du réseau.
Composants d'infrastructure
En raison de sa spécificité, le câblage d'un bus AS-i demande des accessoires spécifiques. Le câble plat AS-i est disponible en plusieurs matériaux pour s'adapter aux différentes conditions environnementales. Des répartiteurs passifs permettent de réaliser le câblage rapidement.
Ces différents composants de connectique sont disponibles auprès de multiples fournisseurs.
Extension du réseau ASi
Il existe différents composants permettant de repouser la limite de 100 m.
Terminaison de ligne et tuner ASi-3
Si l'on ne dépasse pas les 100 m du standard, il n'est pas nécessaire de terminer la ligne. Toutefois, la mise en place d'une terminaison permettra d'étendre la longueur jusqu'à 200 m.
Le tuner qui est une résistance de ligne auto ajustable lui permet d'aller jusqu'à 300 m.
La terminaison ou tuner se place à l'extrémité la plus éloignée du bus, et à l'opposé du maître.
Terminaison du Bus ASi-5
L'utilisation de terminaisons de bus dans un réseau ASi-5 est essentielle pour assurer une communication stable et sans perturbations. Voici les recommandations et bonnes pratiques pour l'installation de terminaisons de bus dans un réseau ASi-5 :
1. Pourquoi installer une terminaison de bus ?
- Éviter les réflexions : Sans terminaison, le signal ASi-5 peut provoquer des réflexions sur la ligne, ce qui perturbe la communication entre les différents nœuds du réseau.
- Améliorer la stabilité : Une terminaison correctement installée élimine les perturbations, garantissant une communication fluide et stable.
2. Où installer la terminaison de bus ?
- Point le plus éloigné : La terminaison de bus ASi-3 doit toujours être installée au point le plus éloigné de l'alimentation électrique ASi ou de la passerelle ASi. Cela permet de dissiper les réflexions qui apparaissent souvent aux extrémités du réseau.
- Branches longues : En cas de réseau ASi-5 avec des nœuds distribués, il est recommandé de connecter une terminaison de bus à la fin de la branche la plus longue.
Exemple de topologie avec et sans terminaison
3. Cas particuliers : plusieurs terminaisons de bus
- Utilisation de plusieurs terminaisons : En général, une seule terminaison de bus ASi-5 est suffisante. Toutefois, si le logiciel de diagnostic détecte encore des réflexions après l'installation de la première terminaison, il est conseillé d'ajouter une autre terminaison sur la branche immédiatement plus courte. Cette opération doit être répétée jusqu'à ce que le logiciel ne détecte plus de réflexions.
Exemple de topologie avec une et plusieurs terminaisons
Répéteur
Un répéteur assure un lien entre 2 segments AS-i de 100 m max chacun. Il procure également une isolation galvanique. Chaque segment nécessite sa propre alimentation, le répéteur est en général alimenté par le bus.
Attention : indépendamment des considérations de communication, il faut vérifier que le courant et la tension disponible sont suffisants pour alimenter toutes les stations (Uesclave>26,5V).
Alimentation
L'alimentation AS-i remplit les 4 fonctions:
- Alimenter le réseau avec une tension nominale de 30 Vdc
- Réaliser une séparation sûre entre le primaire (puissance) et le réseau
- Equilibrage des tensions
- Découplage des signaux au codage APM
Une alimentation AS-i spécifique est donc obligatoire, elle ne peut être remplacée par une alimentation standard.
Nota Bene : Sous certaines conditions, on peut utiliser une alimentation 24V classique, voir AS-i Power 24.
Attention: Aucun des conducteurs de bus AS-i ne doit être relié à la terre sous peine de dysfonctionnement. Certains composants (Alimentation ou Maître) intègrent un contrôleur d'isolement.
Alimentation auxiliaire
Le bus AS-i permet la télé-alimentation des stations, cependant le courant maximum autorisé sur le bus est de 8A.
Il existe donc une solution pour distribuer une alimentation auxilliaire standard de 24V aux différents esclaves. La technique utilisée est la même que pour le bus AS-i; câble plat et connexion vampire. La différence réside dans la couleur du câble qui est noir.
Attention: L'utilisation d'un câble noir pour la transmission de signaux AS-i ou du câble jaune pour l'alimentation auxilliaire n'est pas autorisé.
Codage APM* (Alternate Pulse Modulation) dans ASi-3
Le codage APM a été spécifiquement développé pour le bus AS-i.
Les principales caractéristiques sont les suivantes :
- La modulation de courant permet la transmission simultanée de l'information et de l'alimentation.
- Les niveaux 0 et 1 sont codés par des fronts et non par des niveaux (Manchester coding).
- L'horloge est transmise dans le signal.
- La forme du signal est en sin² ce qui le rend moins sensible aux perturbations CEM.
Technologie OFDM (Multiplexage par Division de Fréquences Orthogonales) dans ASi-5
Contrairement à la modulation par impulsions classique utilisée dans les versions précédentes, la technologie ASi-5 utilise une méthode de transmission OFDM (Multiplexage par Division de Fréquences Orthogonales).
L'OFDM est une technologie qui utilise plusieurs fréquences simultanément pour la transmission de données. Cette méthode permet au système de proposer une augmentation significative de la capacité de transmission des données, tout en conservant des temps de cycle très courts.
Grâce à cette approche, ASi-5 offre des temps de réponse plus rapides, prend en charge des dispositifs plus complexes, améliore les technologies de sécurité avancées et propose des diagnostics plus détaillés.
Coexistence de compatibilité
- ASi-3 et ASi V5 fonctionnent sur la même couche physique AS-Interface, ce qui garantit une structure commune.
- Dans un réseau mixte, la charge capacitive des appareils est limitée à 62.
- ASi-3 communique sur une fréquence de 167 kHz, tandis que ASi-5 utilise une gamme de fréquences comprise entre 1 et 10 MHz.
- Le fonctionnement mixte est appelé mode coexistant.
Taille des données
- La bande passante des données de processus a été augmentée de max. 4 à 16 bits par participant.
- Lors de la transmission cyclique des données de processus, des données de diagnostic et de paramètres supplémentaires peuvent être transmises simultanément en parallèle.
- ASi-5 permet la transmission jusqu'à 32 octets de données de processus IO-Link.
Explication des éléments des schémas (Downlink et Uplink) :
- N : Données de processus cycliques, 16 bits
- B : Service de données à la demande, 2 ou 3 bits
- E : Bit d'événement, utilisé par le dispositif pour signaler au maître des conditions inattendues
Méthode de modulation parallèle et Débit
- Le système AS-i V5 utilise une communication parallèle, contrairement à la communication série utilisée précédemment avec ASi-3.
ASi-5 améliore les performances, permettant des applications nouvelles avec une détection automatique des appareils et des diagnostics avancés. Il permet un contrôle précis et rapide de plusieurs axes, optimisant l’intégration des capteurs et des actionneurs.
De plus, ASi-5 supporte la technologie de sécurité, offrant une maintenance prédictive et réduisant les coûts de maintenance.
Pour plus d'informations, consultez le lien ici.
Maître AS-i
Il existe 2 grandes familles de maîtres AS-i :
- Passerelles entre AS-i et un bus supérieur
- Coupleur AS-i insérés dans l'automate
Le rôle du maître est d'assurer les échanges avec les esclaves AS-i du terrain. À l'initialisation, il configure les stations, il vérifie ensuite en permanence que les réponses arrivent à temps, en cas de réponse absente ou non exploitable, il refait une tentative.
Il surveille également l'arrivée de nouvelles stations sur le réseau.
Tous les maîtres supportent les 3 modes de fonctionnement suivants :
- Off-line : Aucune communication avec les esclaves AS-i.
- Configuration (ou mode projet) : Le maître scrute le réseau. S'il trouve des esclaves, il entre en échange de données avec eux.
- Mode protégé (ou mode normal) : Le maître scrute le réseau mais n'entre en échange données qu'avec les esclaves prévus dans sa configuration.
Il existe 5 profils de Maîtres M0,M1, M2, M3 et M4.
M0 correspond au minimum de fonctionnalités qu'un maître doit assurer, le profil de maître M4 supporte toutes les fonctionnalités disponibles dans le standard actuel. La plupart des maîtres récents sont conformes M4 ou M3.
Il existe de nombreux maîtres sur le marché proposant un vaste éventail de fonctionnalités tels que :
Esclaves AS-i
L'éventail de l'offre est très large. On fait une distinction entre 2 grandes familles :
- Les entrées/sorties sur le bus AS-i. Ces modules réalisent l'interface entre des signaux conventionnels (PNP, contacts, NAMUR, 4-20mA...) et le bus AS-i.
- Les esclaves dits "Asifiés' qui proposent une connexion directe au bus AS-i.
Exemple d'esclaves : détecteur proximité, lecteurs RFID, pressostat et thermostat, tête de vanne, variateur et démarreur...
Le site officiel d'AS-I propose un catalogue de produits en ligne avec différentes clés de recherche.
Nota Bene : le niveau de fonctionnalité apporté par l'intelligence embarquée reste assez basique, si l'on compare aux mêmes équipements connectés sur PROFIBUS ou Ethernet par exemple.
Adressage des stations
La plage d'adresses définie par ASI va de 0 à 31.
L'adresse 0 correspond à la configuration par défaut à la livraison, elle n'est pas exploitable pour l'échange de données. Seuls les esclaves sont adressées, le maître n'a pas d'adresse.
L'adressage est réalisé à l'aide d'une console portable ou du maître, il n'y a pas d'adressage physique par switch ou roues codeuses sur les esclaves.
Adressage étendu
La version 2.11 (1998) d'AS-i a introduit la notion d'adressage étendu, qui permet de doubler le nombre de stations d'esclaves. Pour des questions de compatibilité on a conservé la plage d'adressage de 1 à 31 mais chaque adresse peut accueillir 2 esclaves : 1 esclave A et 1 esclave B.
Exemple : 1 esclave à l'adresse 7A et un autre à l'adresse 7B.
Il est possible de mixer sur un même réseau des esclaves avec adressage simple et d'autres avec adressage étendu.
Les esclaves A et B sont scrutés par le maître à tour de rôle. Il y a donc un impact sur le temps de rafraichissement. Si le réseau est chargé au maximum, soit 31 esclaves A et 31 esclaves B, les stations seront rafraichies par le maître toutes les 10 ms.
Attention : si une adresse est utilisée pour un esclave simple elle ne peut être utilisée pour un esclave A/B.
Trames ASi
Les télégrammes AS-i ont toujours une longueur fixe.
- 14 bits pour les messages de requête du maître
- 7 bits pour les messages de réponse des esclaves
La durée de pause entre 2 télégrammes étant définie, il est possible de calculer aisément le temps de cycle du maître AS-i en situation normale.
Intégration
Les esclaves ont des caractéristiques différentes : nombre E/S, nature des E/S, type d’équipement. Pour que le maître puisse établir une communication avec chacun d’eux, il lui faut connaitre toutes ces informations.
Contrairement à d’autres réseaux plus complexes, AS-i n’utilise pas de fichier descriptif. L’équipement doit être conforme à l’un des profils définis dans le standard AS-i.
Le profil est caractérisé par la lettre S- suivie d’un Code E/S et de 1 à 3 Codes ID (en hexadécimal) suivant la version AS-i à laquelle l’équipement se conforme. Ces codes vont de 0 à F (Hex).
Syntaxe générale d'un code profil :
| S- | Code E/S | Code ID | Code ID 1 | Code ID 2 |
| Slave | Définit le nombre d'entrées et de sorties de la station | Identifiant fonctionnel | Identifiant fonctionnel (règlé par l'utilisateur) | Identifiant fonctionnel |
Le code E/S (ou I/O code) indique le nombre de bits significatifs échangés en entrée et en sortie.
Rappel! on transmet toujours 4 bits de données par télégramme, même si l'esclave n'utilise qu'un seul bit.
Exemples de code E/S : 0 -> 4E, 3->2E/2S, 7-> 4E/4S, 8-> 4S
Code ID
Les codes ID permettent de définir plus précisement la nature et donc le comportement de l'équipement. A l'origine d'AS-i, il n'y en avait qu'un : le code ID. Avec l'évolution des fonctionnalités 2 autres codes ont été spécifiés.
- Code ID2 : permet de préciser l'identité fonctionnelle de l'équipement
- Code ID1 : offre une certaine flexibilité à l'utilisateur pour adapter le produit à l'application.
Seul le code ID1 peut être modifié, les autres sont fixés par le fournisseur.
Exemple :
Les transactions combinées CTTx
CTT est l’acronyme anglais de « Combined Transaction Type « AS-i a été développé pour le raccordement d’esclaves simples (TOR).
Cependant au fil des évolutions on a spécifié AS-i pour la transmission de valeurs plus complexes que des simples informations d’état 0 ou 1. La transmission de valeurs analogiques sur 16 bits est par exemple possible.
Les mécanismes CTT standardisent le codage de ces informations complexes pour tous les constructeurs.
Le principe de base est assez simple, comme on ne dispose que de 4 bits dans le télégramme, on va combiner plusieurs cycles pour transmettre la donnée complexe.
Dans la version actuelle de standard 3.0, il existe 5 types de transactions combinées CTT1 à CTT5.
A noter que le temps de rafraichissement de ces valeurs est significativement plus long que les échanges conventionnels.
Tableau de synthèse
| Transaction | Usage |
|---|---|
| CTT 1 | Entrée ou sortie analogique (jusqu'à 5 voies) |
| CTT 2 | Liaison série (par ex. Affichage texte) |
| CTT 3 | 4E/4S ou 8E/8S en mode d'adressage étendu |
| CTT 4 | 1 ou 2 Entrée 16 bits en mode d'adressage étendu |
| CTT 5 | E/S 16 bits rapide |
Attention : tous les profils de maîtres ne gèrent pas les transactions combinées. Seuls les maîtres les plus récents (M3, M4) en sont capables.
AS-i Safety at Work
Une évolution du standard en 2000 permet d'utiliser le bus AS-i pour interconnecter des équipements de sécurité tels que :
- Arrêt d'urgence.
- Barrière immatérielle.
- Interrupteur de sécurité...
AS-i Safety at Work est conforme aux normes EN 954-1 catégorie 4 / IEC 61508
Principe de base
- Le système de sécurité AS-i est basé sur les mêmes mécanismes qu'AS-i traditionnel.
- Les esclaves AS-i utilisés en application de sécurtié ont un profil défini et disposent d'un agrément spécifique.
- Un maître AS-i standard peut être utilisé pour gérer des esclaves de sécurité.
- Les appareils de sécurité peuvent partager le même réseau que des équipements de contrôle industriels classiques.
- La fonction de sécurité est assurée par un "moniteur de sécurité".
Esclaves de sécurité
Seuls les esclaves conformes "AS-i Safety at Work" peuvent être utilisés pour des fonctions de sécurité. Les esclaves de sécurité ne supportent pas l'adressage étendu.
Les profils correspondants sont S-0.B.*.* et S-7.B.*.*
Moniteur de sécurité
La gestion de la sécurité est assurée par un équipement spécifique le "moniteur de sécurité".
Il actionne la sécurité lorsqu'un déclencheur a été activé mais aussi lorsqu'un problème de communication survient.
Plusieurs moniteurs de sécurité peuvent être branchés sur le même bus AS-i et ils peuvent être diposés en un point quelconque du réseau.
Certains maîtres AS-i intègrent également la fonctionnalité de moniteur de sécurité, ils disposent alors d'une certification Safety at Work.
Temps de réponse
Le délai maximum entre le déclenchement d'un esclave de sécurité, et l'ouverture du contact de sécurité correspondant sur le moniteur est de 40 ms.
Grâce à son faible coût et à la simplicité de mise en oeuvre, AS-i Safety at work rencontre un grand succès.
Attention : Si le réseau est mal installé, des problèmes de communication risquent de rendre l'installation difficilement exploitable car le moniteur se mettra en sécurité s'il ne reçoit pas de données correctes à chaque cycle.
Maintenance d'une installation ASi
Si le maître dispose de diagnostics et fonctions statistiques, ces informations peuvent être intéressantes dans le cadre de la maintenance. Le maître peut également servir à adresser et configurer les esclaves. Ces possibilités ne sont pas disponibles sur tous les maîtres commercialisés.
Pour l'adressage et la configuration Offline, les pockets sont d'utilisation courante.
Pour la réception et/ou le dépannage d'un réseau AS-i, il est possible de faire appel à un analyseur de bus. Il en existe plusieurs sur le marché, l'ASi View est particulièrement complet car c'est le seul permettant un examen approfondi de la couche physique.
Formez-vous sur ASi
Une bonne connaissance des mécanismes d'AS-i et des règles de mise en oeuvre permet de gagner en efficacité aussi bien dans le domaine de la maintenance que de la conception d'installation.
AGILiCOM propose 2 formations sur la technologie ASi :