Entwicklung und Aufbau eines
CAN-Feldbussystems für die Steuerungstechnik
mit Schnittstelle zum Internet

Diplomarbeit
von
Christian Nause

Aufgabenstellung: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dirk Peier
Betreuung: Dipl.-Ing. Uwe Sondhof
Dipl.-Ing. Tycho Weißgerber

22. August 2000

Lehrstuhl für Hochspannungstechnik und elektrische Anlagen

Diplomaufgabe für Herrn cand. ing. Christian Nause

Entwicklung und Aufbau eines CAN-Feldbussystems für die Steuerungstechnik mit Schnittstelle zum Internet

Zur dezentralen Steuerung von Aktoren und zur Erfassung von analogen und digitalen Sensorsignalen werden Feldbussysteme eingesetzt. Diese Systeme sind äußerst komplex und damit kostenintensiv. Bedingt durch die Verfügbarkeit applikationsspezifischer integrierter Schaltkreise ist eine wesentliche Vereinfachung des Aufbaus möglich. Die hohe Funktionsdichte dieser Bausteine erlaubt, Geräte mit vielschichtigen Eigenschaften robust und auch kostengünstig aufzubauen.

Herr Nause erhält die Aufgabe, ein modulares, kostengünstiges und störunempfindliches Feldbussystem für die Steuerungstechnik mit einer Schnittstelle zum Internet zu entwickeln und aufzubauen. Das Feldbussystem soll dabei aus einem Busmaster und mehreren Knotenpunkten bestehen. Um eine komfortable Fernwartung zu ermöglichen, soll die Schnittstelle vom Busmaster zu einem übergeordneten Steuerrechner mit dem TCP/IP-Standard realisiert werden. Der Steuerrechner soll auf alle dezentralen I/O-Module Zugriff haben und den kompletten Prozeß abbilden. Dabei sollen weder spezielle Funktionskarten noch spezifische Gerätetreiber eingesetzt werden. Die Übertragung der Feldbusdaten soll gegebenenfalls auch über Schleifleitungen erfolgen. Dabei ist mit erheblichen EMV-Problemen insbesondere im Bereich der inneren EMV zu rechnen. Zur Sicherstellung der ordnungsgemäßen Funktion ist auf die korrekte Führung von Signal- und Energieleitungen zu achten. Aufgrund der zu er-wartenden Störgrößen soll die Störfestigkeit untersucht werden.

Im einzelnen wird für die Bearbeitung folgendes Vorgehen empfohlen:

1. Literaturrecherche
2. Auswahl geeigneter Hardwarekomponenten
3. Entwurf und Realisierung der Schaltungen
4. Funktionsnachweis
5. Untersuchung der Störfestigkeit
6. Ausarbeitung

Die Ausarbeitung hat nach den Richtlinien des Lehrstuhles zu erfolgen; das einzureichende Exemplar bleibt Eigentum des Lehrstuhles.
Bei Arbeiten mit Hochspannung sind die Sicherheitsrichtlinien des Lehrstuhles zu beachten.

Ausgabe: 01.05.2000
Abgabe: 01.11.2000

Betreuer: Dipl.-Ing. Tycho Weißgerber
Dipl.-Ing. Uwe Sondhof (Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen, Maschinenbau)

Übersicht
In der vorliegenden Arbeit wird der Aufbau und die Programmierung eines Feldbussystems für die Steuerungstechnik beschrieben. Die entwickelten Feldbus-Knoten zeichnen sich durch eine modulare und kompakte Bauweise aus. Als Feldbus wird das Controller Area Network (CAN) eingesetzt, das sich durch eine weite Verbreitung in der Automatisierungstechnik und eine Vielzahl preiswerter Controller auszeichnet.
Es sind zwei Modulvarianten entwickelt worden: SLIO-Knoten (Serial Linked I/O) und Master-Knoten. Beide Varianten verfügen über sieben digitale und drei analoge Ein- und Ausgänge. Die SLIO-Knoten basieren auf einem Philips-CAN-Baustein mit wenig Eigenintelligenz, während die Master-Knoten einen DOS-kompatiblen Einchip-PC und einen hochintegrierten CAN-Protokoll-Controller beinhalten und damit genügend Rechenkapazität für anspruchsvolle Automatisierungsaufgaben besitzen. Die Master-Module sind über eine Ethernet-Schnittstelle mit anderen Automatisierungs-Rechnern vernetzbar. Insbesondere ist über einen eingebauten Webserver eine Visualisierung, Bedienung und Fernwartung des gesamten Feldbussystems über herkömmliche Internetbrowser möglich.
Die Arbeit umfaßt zusätzlich eine Marktübersicht über CAN-Controller, Mikrocontroller mit CAN-Schnittstellen und CAN-Transceiver. Es werden Maßnahmen zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit geschildert, die zu einer unerläßlichen Aufgabe bei der Planung und beim Aufbau von elektronischen Systemen geworden sind. Eigene Störfestigkeits-Prüfungen und Störemissions-Messungen belegen die Wirksamkeit der vorgenommenen Maßnahmen.

Für die hervorragende Betreuung dieser Diplomarbeit durch die Herren Dipl.-Ing. Uwe Sondhof vom Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen und Dipl.-Ing. Tycho Weißgerber vom Lehrstuhl für Hochspannungstechnik und elektrische Anlagen möchte ich mich an dieser Stelle herzlich bedanken.
Ein besonderer Dank gilt auch meinen Eltern, die mir während meines Studiums immer zur Seite standen.

Inhaltsverzeichnis

Einleitung ... 6

1. Feldbusse in der Automatisierungstechnik ... 7
    1.1. Einsatzgebiete, Merkmale ... 7
        1.1.1 Profibus ... 8
        1.1.2 InterBus-S ... 9
        1.1.3 Controller Area Network ... 10
    1.2. Internettechnologien in der Automatisierungstechnik ... 10

2. CAN - Controller Area Network ... 12
    2.1. Protokoll ... 12
        2.1.1 Busstruktur ... 12
        2.1.2 Busarbitrierung, Identifier ... 12
        2.1.3 Nachrichtentelegramm-Formate ... 14
        2.1.4 Fehlermanagement ... 15
        2.1.5 Überlast-Telegramme ... 17
        2.1.6 Bittiming und Bitsynchronisation ... 17
        2.1.7 Physikalische Ankopplung ... 18
    2.2. Marktübersicht Protokollcontroller und Transceiver ... 19

3. Aufbau CAN-Feldbus-Knoten ... 22
    3.1. Übersicht ... 22
    3.2. Basisplatine ... 24
    3.3. Masterplatine ... 26
    3.4. SLIO-Platine ... 32
    3.5. Schnittstellenadapter ... 33
    3.6. Tischgehäuse ... 34
    3.7. Netzteil ... 34

4. Programmierung ... 36
    4.1. Übersicht ... 36
    4.2. Eigene Typ-Deklarationen ... 38
    4.3. Kommunikation SC12-SJA1000 ... 39
    4.4. Kommunikation SC12-I2C-Peripherie ... 41
        4.4.1 Initialisierung ... 41
        4.4.2 I/O-Baustein PCF8574A ... 42
        4.4.3 D/A-Wandler AD5311 ... 43
        4.4.4 A/D-Wandler AD7417 ... 43
        4.4.5 EEPROM M24C16 ... 45
    4.5. Interruptverarbeitung ... 45
        4.5.1 Übersicht ... 45
        4.5.2 SJA1000-Interrupt ... 46
        4.5.3 Timer-Interrupt ... 47
    4.6. Timer, Ablaufsteuerung ... 47
    4.7. CAN-Kommunikation ... 49
    4.8. SLIO-Knoten ... 50
        4.8.1 Identifier, Telegrammformate, I/O-Register ... 50
        4.8.2 Digitale I/O-Verarbeitung ... 53
        4.8.3 Analoge I/O-Verarbeitung ... 53
        4.8.4 Synchronisierung ... 53
        4.8.5 Softwareroutinen ... 54
    4.9. Web-Interface ... 55

5. Elektromagnetische Verträglichkeit ... 58
    5.1. Übersicht ... 58
    5.2. Maßnahmen zur EMV ... 58
        5.2.1 Schaltungstechnik ... 58
        5.2.2 Überspannungsschutz ... 60
        5.2.3 Leiterplattenlayout ... 60
    5.3. Störfestigkeitsprüfung ... 61
    5.4. Störemissionsmessungen ... 64
    5.5. Zusammenfassung ... 66

6. Zusammenfassung und Ausblick ... 67

7. Literatur- und Quellenverzeichnis ... 68

Anhang ... 71
    A1 Stromlaufpläne ... 71
    A2 Platinendokumentation ... 78
    A3 Stücklisten ... 90
    A4 Jumper ... 101
    A5 Register SJA1000 ... 102
    A6 Quelltexte (nicht enthalten)

Einleitung
Die moderne Automatisierungstechnik ist gekennzeichnet durch eine zunehmende Dezentralisierung von Verarbeitungs- sowie Ein- und Ausgabefunktionen über Datenkommunikationssysteme [Etsch, S. 1]. Zum Einsatz kommen immer häufiger Feldbusse, die die herkömmliche parallele Verdrahtung von Sensoren und Aktoren durch serielle digitale Bussysteme ersetzen. Das Einsparpotential wird auf ca. 40 % geschätzt [Rath]. Eine dominierende Rolle hat dabei das von Bosch spezifizierte Controller Area Network (CAN) [Bosch1]. Ursprünglich für die Vernetzung von Kraftfahrzeugelektronik-Komponenten entwickelt, hat sich gezeigt, daß CAN ebenso gut für den schnellen Transfer kleiner Datenmengen in der Automatisierungstechnik geeignet ist [Pfei], wie sie beispielsweise bei der Ankopplung einfacher E/A-Module oder kleiner dezentraler Steuerungen entstehen.
Der massenhafte Einsatz von intelligenten CAN-Controllern in Kraftfahrzeugen ermöglicht die Entwicklung von preiswerten und hochintegrierten CAN-Modulen. Die in dieser Arbeit vorgestellten CAN-Feldbusknoten tragen dabei dem Bedarf nach kompakten Automatisierungsmodulen mit einer geringen Anzahl von I/O-Klemmen Rechnung. Die hohe Granularität der Feldbusmodule gestattet eine effiziente Konfigurierbarkeit und Erweiterbarkeit des Automatisierungssystems.
Das Bedürfnis, Informationen in Automatisierungsumgebungen vom Feldbereich bis zur Betriebsleitung verfügbar zu machen, führte zur Einführung von Ethernet TCP/IP in der Automatisierungstechnik. Die hier beschriebenen Module ermöglichen über ihre Ethernet-Schnittstelle die problemlose Kopplung des Feldbusses mit der Steuer- und Leitebene einer Industrieanlage. Damit ist die Integration des Automatisierungssystems in den gesamten Informationsfluß eines Unternehmens möglich [Mül, S. 74].

1. Feldbusse in der Automatisierungstechnik
1.1. Einsatzgebiete, Merkmale
Die Dezentralisierung in der Automatisierungstechnik erfolgte in zwei Phasen. Als erstes wurde die konventionelle Parallelverkabelung von Sensoren und Aktoren ersetzt durch eine Busverkabelung. Durch diese Vorgehensweise wurde eine erhebliche Kostenersparnis erzielt. In einem zweiten Schritt entfiel auch die Parallelverkabelung der Leistungsversorgung von Schaltgeräten und Pneumatik-Aktoren, die mittlerweile durch Energiebusse versorgt werden [Foe]. Große Teile zentraler Steuerungen werden zunehmend durch dezentrale Verarbeitungssysteme ersetzt, die mit seriellen Bussystemen vernetzt werden. Die verbleibenden Teile der zentralen Steuerungsprogramme werden dadurch kürzer und reaktionsschneller.
Verschiedene Hersteller haben unabhängig voneinander eigene Bussysteme für die Automatisierungstechnik entwickelt. Diese Systeme werden als Feldbusse bezeichnet.
Betrachtet man die in einem typischen Produktionsbetrieb eingesetzte kommunikationstechnische Infrastruktur, erkennt man die hierarchische Unterteilung in verschiedene Netzwerkebenen, die die Automatisierungsebenen des Betriebes widerspiegeln (Abbildung 1). Jede Ebene bildet dabei ein eigenständiges Kommunikationssystem mit Schnittstellen zu über- und untergelagerten Systemen. Feldbusse werden typischerweise in der Feld- und Prozeßebene eingesetzt. In dieser Ebene sind die für die Erfassung, Steuerung und direkte Beeinflussung von Prozeßgrößen erforderlichen Geräte angesiedelt.

!! Abbildung in dieser Vorschau nicht verfügbar !!

Abbildung 1: Automatisierungspyramide [Eil]
Prinzipielle Unterscheidungsmerkmale der verschiedenen Feldbussysteme sind die Art des Buszugriffs (stochastisch oder deterministisch per Master/Slave oder Token), die Netzausdehnung, die Teilnehmerzahl, die Bustopologie (Linie, Ring, Baum etc.) und die Datenraten. Diese Merkmale werden anhand der folgenden Betrachtung einiger Feldbussysteme näher erläutert.
Die Vielzahl der auf dem Markt erhältlichen Systeme darf nicht darüber hinwegtäuschen, daß nur wenige Systeme Marktrelevanz besitzen. Daher werden in dieser Arbeit die im deutschsprachigen Raum am häufigsten eingesetzten Feldbussysteme Profibus, InterBus-S und Controller Area Network genauer betrachtet [Boe].

1.1.1 Profibus
Profibus (Process Field Bus) wurde 1987 bis 1991 von verschiedenen Firmen und Forschungseinrichtungen entwickelt. Das System wird in verschiedenen Ausprägungen (Profibus-FMS, -DP und -PA) von der Feldebene bis zur Leitebene eingesetzt. Als Bustopologie wird eine geschirmte, verdrillte Zweidrahtleitung (Linienstruktur) nach RS485 mit Datenraten von 9,6 kBit/s bei 1200 m maximaler Leitungslänge und bis zu 12 MBit/s bei max. 100 m verwandt. Das System wird in Segmente mit max. 32 Teilnehmern eingeteilt. Die Segmente werden durch Repeater miteinander verbunden. Zwischen zwei Teilnehmern sind maximal drei Repeater zulässig. Insgesamt können damit 124 Teilnehmer in einem Profibus-Netzwerk betrieben werden.

[...]