CAN-BUS und Automatisierungstechnik

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung
1.1. Ausgewählte Feldbusse im Überblick
1.1.1. IEC-Feldbus
1.1.2. Profi-Bus
1.1.3. FIP-Bus
1.1.4. P-Net-Bus
1.2. Übersicht der Kommunikation
1.2.1. Das Referenzmodell der Datenkommunikation
1.3. Aktor-Sensorebene
1.4. Kontrollfragen zu Kapitel 1

2. Grundlagen Netztopologie
2.1. Stern Topologie
2.2. Bus Topologie

3. Nachrichtenaustausch Producer-Consumer Prinzip
3.1. Multimasterfähige, ereignisorientierte Nachrichtenübertragung
3.2. Verlustlose, bitweise Busarbitrierung
3.3. Prioritätsorientierte Nachrichtenübertragung
3.3.1. Bitrate und Buslänge
3.4. Einfache Realisierung von lokalen Netzen
3.5. Kontrollfragen zu Kapitel 2 und 3
3.6. Busstation
3.7. CAN-Controller/Microcontroller
3.8. Can-Bus-Treiber
3.9. Busleitung
3.10. Busabschluss

4. Übertragung im Can-Bus
4.1. Busübertragungszeiten
4.2. Zeitliche Synchronisation der Netzknoten
4.3. Kontrollfragen zu den Kapiteln 4 bis 5.3:
4.4. Telegrammtypen
4.4.1. Datenrahmen und Anforderungsrahmen
4.4.2. Fehler- und Overloadrahmen
4.5. Rahmenformate

5. Elemente des Datenrahmens und deren Funktionen
5.1. Start of Frame/End of Frame
5.2. Arbitration Field (Arbitrierungsfeld, Vorrangfeld)
5.2.1. Festlegung der Prioritäten
5.2.2. Inhaltskennzeichnung
5.3. Felder zur eigentlichen Datenübertragung
5.3.1. Datenfeld
5.3.2. Steuerfeld (Control Field)
5.4. Felder zur Übertragungssicherung
5.4.1. CRC-Feld
5.4.2. ACK-Feld
5.5. Kontrollfragen zu diesem Kapitel 5.4 und 6:

6. Implementierungsansatz
6.1. Kritische Fragen bei der Implementierung eines CAN-Bussystems
6.2. Methodik zur Nachrichtenfindung und Priorisierung

7. Zusammenfassung

8. anhang
8.1. Abbildungsverzeichnis
8.2. Literaturverzeichnis

1. Einführung

Die moderne Automatisierungstechnik ist gekennzeichnet durch eine zunehmende Dezentralisierung von Verarbeitungs- sowie Ein- und Ausgabefunktionen über Datenkommunikationssysteme. Der Einsatz serieller Bussysteme an Stelle konventioneller Verbindungstechniken gewährleistet einerseits eine höhere Flexibilität von Systemen in Bezug auf Änderungen und Erweiterungen und eröffnet andererseits in vielen Bereichen der industriellen Automatisierung ein erhebliches Potential zur Reduktion des Aufwandes für Projektierung und Installation. Der Einsatz serieller Datenkommunikationssysteme ist deshalb heute z. B. im Anlagenbau keine Frage mehr. In Untersuchungen wurde das Einsparpotential einer feldbusbasierenden Lösung gegenüber einer, auf herkömmlicher Signalübertragung basierenden Lösung auf ca. 40 % geschätzt. Neben den Einsparungen bei den Hardwarekosten ergeben sich insbesondere auf Grund der Vorteile im Bereich von Planung und Montage erhebliche Einsparmöglichkeiten.

Mit dem ursprünglich aus der Verfahrenstechnik stammenden Begriff des "Feldbereichs" wird heute allgemein jener Teil eines Automatisierungssystems verstanden, welcher in räumlicher Nähe oder direkter Verbindung zum eigentlichen technischen Prozess steht. Der Feldbereich umfasst also alle Geräte und Einrichtungen (Feldgeräte), die direkt mit einem zu steuernden oder zu überwachenden Prozess in Interaktion treten. In zunehmendem Maße werden auch Sensoren und Aktoren mit "Intelligenz" (integrierten Verarbeitungsfunktionen) ausgeführt, d. h. mit Einrichtungen, die einen Teil der erforderlichen Systemfunktionalität bereits vor Ort erbringen. Serielle Datenkommunikationssysteme für den Datenaustausch im Feldbereich werden als "Feldbussysteme" bezeichnet. In der industriellen Automatisierung wird dieser Begriff generell verwendet, um Datenkommunikationssysteme der untersten Automatisierungsebene von Kommunikationssystemen höherer Funktionalität und Übertragungskapazität abzugrenzen. Auch Kommunikationssysteme für die Realisierung verteilter Geräte- und Elektroniksysteme werden als "Feldbusse" bezeichnet.

Die Vernetzung von Teilsystemen sowie vereinfachte Verbindungs- und Verkabelungstechnik über serielle Bussysteme hat sich auch im Bereich der fahrzeuginternen Elektroniksysteme durchgesetzt. Eine dominierende Rolle hat hierbei das von der Firma BOSCH spezifizierte Controller-Area-Network (CAN) erlangt. Dieses Feldbuskonzept hat darüber hinaus in der Zwischenzeit eine weit über den Einsatz in Kraftfahrzeugen hinausgehende Bedeutung für die Vernetzung dezentraler intelligenter Systeme in einer Vielzahl industrieller Anwendungen gefunden und stellt heute das fast ausschließlich eingesetzte Kommunikationskonzept für sog. "embedded" Anwendungen dar.

Auch aus dem Bereich der Gebäudeautomatisierung haben erweiterte Anforderungen an die Installationstechnik zu neuen, spezifischen Lösungsansätzen in Form serieller Datenkommunikationssysteme geführt, deren allgemeiner Einsatz längerfristig zu einer völlig veränderten Installationstechnik, nicht nur für große Gebäude, führen kann.

Obwohl die große Vielfalt verfügbarer Feldbuslösungen auf den ersten Blick verwirrend sein mag, haben tatsächlich nur wenige Lösungen maßgebliche Marktanteile erreicht und können als Industriestandards betrachtet werden. Die Auswahl des für einen bestimmten Einsatzbereich bestgeeigneten Feldbussystems kann leider nicht nur unter technischen Gesichtspunkten betrachtet werden; vielmehr ist die Einbeziehung vor allem marktstrategischer Gesichtspunkte erforderlich. Verschiedene Ansätze, das für einen bestimmten Einsatzbereich bestgeeignete Bussystem über formalisierte, zahlenmäßige Bewertungsschemata zu ermitteln oder in Form von Auswahlchecklisten zu bestimmen, sind daher höchstens für den völligen Neueinsteiger von Interesse und können eher als rein akademische Übung betrachtet werden.

1.1. Ausgewählte Feldbusse im Überblick

Es existieren derzeit ca. 50 verschiedene Feldbusse, an manchen Literaturstellen wird von 150 gesprochen. Aus dieser Anzahl von Feldbussen werden hier die Bekanntesten kurz vorgestellt. Die Betrachtung dieser Feldbusse soll zum besseren Verständnis des CAN-Busses beitragen und nicht die hier vorgestellten Feldbusse in allen ihren spezifischen Eigenschaften erläutern. Das deutlichste Unterscheidungsmerkmal resultiert aus dem Zielgebiet, auf das die Anwendung des Feldbusses orientiert ist. Bei Feldbussen mit einer Orientierung auf "höherer" Ebene findet man höhere Kosten pro Knoten, höheren Datendurchsatz bei größeren Paketlängen (mehrere hundert Bytes bis mehrere Kilobytes), Multimasterfähigkeit und ungenügende oder undefinierte Reaktionszeiten bei Echtzeitanwendungen.

1.1.1. IEC-Feldbus

Der IEC-Feldbus existiert noch nicht. Er soll in erster Linie ein Standard werden, der interoperable Feldbusse für verschiedene Zielanwendungen definiert. Grundlage dazu sollte ursprünglich der Profi-Bus sein. Einen international genormten Bus auf der Grundlage des FIP-Bus verfolgte die auch relativ mächtige Organisation World-FIP. Im Juli 1995 wurde ein Zeitplan vorgelegt, der eine Markteinführung für einen Low-Speed-Bus (31,25 kbit/s) plante. [Eng02]

1.1.2. Profi-Bus

Der Profi-Bus wurde 1991 in der DIN 19245 standardisiert. Kurzbeschreibung seiner Eigenschaften: Es hat immer nur ein Master das Zugriffsrecht auf den Bus. Alle anderen Kommunikationsteilnehmer sind dann Slaves. Hat der aktuelle Master seine Kommunikation beendet, dann gibt er das Zugriffsrecht (das Token) an den nächsten Master weiter. Diese Weitergabe erfolgt ringförmig, während die Datenübertragung über einen linearen Bus erfolgt. Für die Datenübertragung zwischen der Steuerungs- und der Sensor/Aktor-Ebene werden jedoch keine kleinen Zugriffszeiten erreicht. [Eng02]

Der Profi-Bus ist multimasterfähig (es gibt mehrere Master). Es sind die Schichten 1, 2, 7 definiert, wobei die Anwenderschicht sehr komfortabel ausgestattet ist. Er ist sehr schnell bei größeren und kleinen Datenpaketen. Die Kosten pro Knoten sind relativ hoch. In Deutschland ist der Profibus neben dem CAN-Bus der bekannteste Feldbus (Unterstützung durch Siemens). [Eng02]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Topologie PROFIBUS-DP [Eng02]

1.1.3. FIP-Bus

Das FIP-Protokoll ist eine französische Entwicklung. Der FIP-Bus gilt als Pendant zum Profi-Bus und hat einige grundsätzlich andere Eigenschaften als der Profi-Bus.

Die grafische Topologie ist in der Abbildung 1.2 unten dargestellt. Es können maximal 256 Geräte einschließlich eines Arbiters (Master) installiert werden.

Der gesamte Buszugriff wird von einem Steuerwerk, welches sich an einem beliebigen Knoten befinden kann, bestimmt. Der Master vergibt an alle Teilnehmer den Token. Wenn ein Teilnehmer den Token erhalten hat, ist er sendeberechtigt (Producer). Durch die dann erfolgte Meldung auf dem Bus ist der Querverkehr (Producer-Consumer) zwischen den Slaves möglich. [Eng02]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2: Topologie FIP-Bus [Eng02]

Es gibt asynchrone Zugriffe, die von jedem Busteilnehmer angemeldet werden können, über die der Arbiter (Steuerwerk) entscheidet. Damit hat das System, obwohl es kein Multimastersystem ist (von der Struktur her), ähnliche Eigenschaften wie ein Multimastersystem.

Mit der verwendeten Bitdarstellung nach dem Manchesterverfahren ist es möglich, Übertragungsentfernungen bis zu 500 m bei einer Übertragungsgeschwindigkeit von 1 MBit/s zu realisieren. Durch das Zuschalten von max. 3 Repeater kann das Netz bis zu einer Ausdehnung von 2000 m erweitert werden.

Durch das Arbeiten mit dem Manchester-Code wird gleichspannungsfrei gearbeitet, dadurch können die Teilnehmer durch Übertrager galvanisch von der Busleitung entkoppelt werden und teure Optokopplerschaltungen entfallen.

1.1.4. P-Net-Bus

Der P-Net-Bus wurde 1984 von der dänischen Firma PROCESS-DATA entwickelt. Dieses Bussystem wird dem Anwender lizenzfrei zur Verfügung gestellt. Mit einer Ringstruktur und der Möglichkeit, mehrere Ringe zu verbinden, arbeitet das System nach dem Multi-Master-Slave-Prinzip.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.3: Topologie P-NET (Subnetzverbindungen) [Eng02]

Es sind drei Teilnehmergruppen vorhanden: Master, Slaves, und Controller. Die Buszuteilung erfolgt zyklisch mit der ansteigenden Nummerierung der Master. Master dürfen bei Tokenbesitz selber auf den Bus zugreifen. Slaves antworten nach Anruf sofort.Die Übertragungsrate ist festgeschrieben mit 76,8 kBit/s, wobei eine Übertragungslänge bis zu 1200 m möglich ist. Insgesamt können 128 Teilnehmer, davon 32 Master, an den Ring zugeschaltet werden. Durch das Zuschalten von Repeatern kann die Buslänge ähnlich wie beim FIP-Bus erweitert werden. In der Praxis wird von dieser Möglichkeit selten Gebrauch gemacht. Der FIP-Bus ist für größere Datenpakete geeignet. [Eng02]

1.2. Übersicht der Kommunikation

1.2.1. Das Referenzmodell der Datenkommunikation

Basis für die Beschreibung von Kommunikationssystemen ist heute allgemein das von der ISO (Intenational Standardization Organization) entwickelte Modell der Datenkommunikation (OSI (Open – Systems - Interconnection) - Referenzmodell). Ausgehend von diesem Modell wurden von der ISO und dem IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) internationale Standards verabschiedet, die Basis für eine offene Kommunikation im Büro- sowie im industriellen Bereich sind.

Im OSI-Modell werden Datenkommunikationssysteme in Form eines Schichtenmodells, bestehend aus sieben unterschiedlichen Funktionsbereichen (Schichten, Ebenen, Layers) beschrieben. Hierdurch wird die komplexe Gesamtaufgabe der Datenkommunikation in übersichtliche, aufeinander aufbauende Funktionsbereiche (Schichten) aufgeteilt. In jeder Schicht existieren Instanzen (Arbeitseinheiten, Entities) welche die schichtenspezifischen Leistungen erbringen. Die Dienste (Services) einer Instanz werden der jeweils darüber liegenden Schicht über Dienstzugangspunkte (Service Access Points, SA-PS) zur Verfügung gestellt (Abbildung 1.4). Eine Instanz kommuniziert logisch mit einer Partnerinstanz (Peer Entity), d. h. einer Instanz gleicher Ebene in einem entfernten System. Dies geschieht durch den Austausch von Protokolldateneinheiten (Protocol Data Units, PDUS). Realisiert wird der Austausch von PDUs durch die Inanspruchnahme der Dienste der darunter liegenden Schichten.

Die Kommunikation zwischen Partnerinstanzen wird durch Protokolle geregelt. Unter einem Protokoll versteht man einen Satz von Regeln für den Austausch von Informationen sowie deren Wirkung im entfernten System. Der Transport von PDUs erfolgt in der Weise, dass eine Instanz eine von der übergeordneten Instanz übernommene PDU um eigene, für die Partnerinstanz bestimmte Kontrollinformationen ergänzt und zur weiteren Bearbeitung an die untergeordnete Instanz weitergibt. Im entfernten System wertet jede Instanz die für sie bestimmte Kontrollinformation aus und gibt den Rest der PDU an die übergeordnete Instanz weiter.

Da das OSI - Modell der Datenkommunikation alle Formen der Kommunikation beschreibt, sind bei einfacheren Kommunikationssystemen nicht alle Funktionalitäten (Schichten) des OSI-Modells erforderlich. Das Modell kann also auch leere Schichten enthalten. Für die Kommunikation in der Automatisierungstechnik im allgemeinen nicht relevant sind z. B. die Aufgaben der Wegsuche (Routing) durch ein Netz oder der Aufbau von Verbindungen über mehrere Teilnetze hinweg.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.4: Austausch von Protokolldateneinheiten zwischen Partnerinstanzen im Schichtenmodell der Datenkommunikation [Ets02]

Aus diesem Grunde sind für die Datenkommunikation im Automatisierungsbereich und insbesondere im Feldbereich im allgemeinen lediglich drei Schichten (Physikalische Schicht, Datensicherungsschicht, Anwendungsschicht) relevant (Abbildung 1.5).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.5: Schichtenmodell der Datenkommunikation für die Automatisierungstechnik [Ets02]

Die Reduktion der Protokolle auf den tatsächlich erforderlichen Funktionsumfang erhöht die Effizienz eines Protokolls, erleichtert damit die Erfüllung höherer Echtzeitanforderungen und ist somit vor allem für Feldbussysteme wichtig. Erforderliche Teilfunktionen von nicht abgebildeten Schichten werden in Feldbuskonzepten deshalb i. a. den vorhandenen Schichten zugeordnet. [Ets02]

Im besonderen gilt dies für die auch für Feldbussysteme erforderliche Festlegung von Regeln für die Informationsdarstellung (Codierung), welche im OSI-Modell eigentlich der Schicht-6 zugeordnet ist. Diese Funktion wird im 3-Schichtenmodell üblicherweise als Teilfunktion der Anwendungsschicht realisiert.

Die wichtigsten Aufgaben der für die Datenkommunikation im Feldbereich relevanten Schichten sind:

Physikalische Schicht (Physical Layer, Schicht 1)

Über die physikalische Schicht werden die elektrischen, mechanischen, funktionalen und prozeduralen Parameter der physikalischen Verbindung zwischen Teilnehmerstationen (Netzknoten) festgelegt. Über die Festlegungen der Schicht 1 werden somit alle, für die physikalische Übertragung des Bitstroms erforderlichen Vereinbarungen getroffen. Die Schicht 1 wird deshalb auch manchmal als Bitübertragungsschicht bezeichnet.

Datensicherungsschicht (Data Link Layer, Schicht 2)

Über die Festlegungen der Schicht 2 wird die Datenübertragung zwischen zwei "benachbarten"' Teilnehmern geregelt. Wichtigste Aufgaben dieser Schicht sind Fehlererkennung, Fehlerbehebung und Flusskontrolle. Die zu übertragende Information wird hierzu im allgemeinen in Blöcke geeigneter Längen (Frames) unterteilt und mit einem Fehlersicherungscode versehen, der eine Fehlererkennung ermöglicht. Die Fehlerbehebung erfolgt im allgemeinen durch Wiederholung der Übertragung. Aufgabe der Schicht 2 kann auch die Flusskontrolle, d. h. die Anpassung der Geschwindigkeit des Senders an die des Empfängers sein. Bei Bussystemen wird als weitere Aufgabe die Regelung des Buszugriffs (Media Access and Control, MAC) als Schicht 2a unterschieden, während in der darüber liegenden Schicht 2b (Logical Link Control, LLC), die vom Medienzugriff unabhängigen Funktionen zusammengefasst sind.

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