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.
Inhaltsverzeichnis
1. Feldbusse in der Automatisierungstechnik
1.1. Einsatzgebiete, Merkmale
1.1.1 Profibus
1.1.2 InterBus-S
1.1.3 Controller Area Network
1.2. Internettechnologien in der Automatisierungstechnik
2. CAN – Controller Area Network
2.1. Protokoll
2.1.1 Busstruktur
2.1.2 Busarbitrierung, Identifier
2.1.3 Nachrichtentelegramm-Formate
2.1.4 Fehlermanagement
2.1.5 Überlast-Telegramme
2.1.6 Bittiming und Bitsynchronisation
2.1.7 Physikalische Ankopplung
2.2. Marktübersicht Protokollcontroller und Transceiver
3. Aufbau CAN-Feldbus-Knoten
3.1. Übersicht
3.2. Basisplatine
3.3. Masterplatine
3.4. SLIO-Platine
3.5. Schnittstellenadapter
3.6. Tischgehäuse
3.7. Netzteil
4. Programmierung
4.1. Übersicht
4.2. Eigene Typ-Deklarationen
4.3. Kommunikation SC12-SJA1000
4.4. Kommunikation SC12-I2C-Peripherie
4.4.1 Initialisierung
4.4.2 I/O-Baustein PCF8574A
4.4.3 D/A-Wandler AD5311
4.4.4 A/D-Wandler AD7417
4.4.5 EEPROM M24C16
4.5. Interruptverarbeitung
4.5.1 Übersicht
4.5.2 SJA1000-Interrupt
4.5.3 Timer-Interrupt
4.6. Timer, Ablaufsteuerung
4.7. CAN-Kommunikation
4.8. SLIO-Knoten
4.8.1 Identifier, Telegrammformate, I/O-Register
4.8.2 Digitale I/O-Verarbeitung
4.8.3 Analoge I/O-Verarbeitung
4.8.4 Synchronisierung
4.8.5 Softwareroutinen
4.9. Web-Interface
5. Elektromagnetische Verträglichkeit
5.1. Übersicht
5.2. Maßnahmen zur EMV
5.2.1 Schaltungstechnik
5.2.2 Überspannungsschutz
5.2.3 Leiterplattenlayout
5.3. Störfestigkeitsprüfung
5.4. Störemissionsmessungen
5.5. Zusammenfassung
6. Zusammenfassung und Ausblick
7. Literatur- und Quellenverzeichnis
Zielsetzung und Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und der Aufbau eines modularen, kostengünstigen und störunempfindlichen Feldbussystems basierend auf dem CAN-Protokoll, welches über eine Ethernet-Schnittstelle in ein Web-Interface integriert wird, um eine komfortable Fernwartung und Visualisierung über Standard-Internetbrowser zu ermöglichen.
- Entwicklung von CAN-Feldbusknoten (Master- und SLIO-Knoten)
- Implementierung einer Ethernet TCP/IP-Schnittstelle zur Fernbedienung
- Maßnahmen zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV)
- Durchführung von Störfestigkeits- und Störemissionsmessungen
Auszug aus dem Buch
2. CAN – Controller Area Network
Das Controller Area Network ist ein hochleistungsfähiges, robustes und preisgünstiges Feldbussystem. Es ermöglicht sowohl zeitkritische Verbindungen mit hohen Datenraten als auch Vernetzungen mit kleinen Bitraten (Tabelle 1).
Der CAN-Bus hat in der Zwischenzeit über den Einsatz in der Fahrzeugtechnik hinaus eine große Bedeutung in der Vernetzung dezentraler intelligenter Systeme, Sensoren und Aktoren in der Automatisierungstechnik gefunden. Mit über 20 Millionen installierten Knoten ist CAN das führende Feldbussystem geworden.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Feldbusse in der Automatisierungstechnik: Die Einleitung in die Thematik der industriellen Feldbussysteme und der zunehmenden Vernetzung von Automatisierungsebenen.
2. CAN – Controller Area Network: Detaillierte technische Erläuterung des CAN-Protokolls, seiner Busstruktur, Arbitrierungsverfahren und Fehlermanagement-Mechanismen.
3. Aufbau CAN-Feldbus-Knoten: Beschreibung des Hardware-Aufbaus der Basisplatine sowie der Master- und SLIO-Knoten inklusive der Schnittstellenanbindung.
4. Programmierung: Ausführliche Dokumentation der Softwareentwicklung für den Einchip-PC SC12, die Kommunikation mit CAN-Controllern, I2C-Peripherie und die Web-Interface-Implementierung.
5. Elektromagnetische Verträglichkeit: Analyse der EMV-Maßnahmen am System sowie Darstellung der Ergebnisse aus Störfestigkeits- und Störemissionsprüfungen.
6. Zusammenfassung und Ausblick: Kritische Reflexion der erreichten Ergebnisse und potenzielle zukünftige Erweiterungsmöglichkeiten durch moderne Webtechnologien.
Schlüsselwörter
CAN-Bus, Feldbus, Automatisierungstechnik, Master-Knoten, SLIO, Ethernet, TCP/IP, Webserver, Mikrocontroller, SJA1000, EMV, Störfestigkeit, Störemission, Hardware-Entwicklung, Programmierung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Aufbau eines Feldbussystems auf Basis des CAN-Protokolls für die Steuerungstechnik, das zusätzlich eine Schnittstelle zum Internet zur Fernwartung bietet.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit deckt die Hardware-Entwicklung von Knotenmodulen, die Protokollgrundlagen des CAN-Bus, die Software-Implementierung sowie umfangreiche EMV-Analysen ab.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist der Entwurf eines modularen und kostengünstigen Systems, das industrielle Automatisierungsaufgaben über Standard-Internetbrowser visualisierbar und steuerbar macht.
Welche wissenschaftliche Methode wurde verwendet?
Es wurde ein ingenieurwissenschaftlicher Ansatz verfolgt, bestehend aus Literaturrecherche, Komponentenauswahl, Schaltungsentwurf, Aufbau von Prototypen und deren experimenteller Validierung im Absorberraum.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Fundierung des CAN-Protokolls, den konkreten Aufbau der Hardware-Module sowie die detaillierte Beschreibung der Software-Programmierung und der EMV-Sicherungsmaßnahmen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zentrale Begriffe sind CAN-Bus, Automatisierungstechnik, Einchip-PC SC12, Web-Interface, EMV-gerechtes Design und Echtzeit-Kommunikation.
Wie wird die Störfestigkeit des Systems gewährleistet?
Die Störfestigkeit wird durch galvanische Trennung über Optokoppler, die Verwendung von Transildioden gegen Überspannungen sowie ein EMV-gerechtes Leiterplattenlayout mit getrennten Masseflächen erreicht.
Welche Rolle spielt der Einchip-PC SC12?
Der SC12 fungiert als Busmaster, der die Protokollabwicklung übernimmt, den Webserver für das Interface bereitstellt und die angeschlossenen I/O-Bausteine über den I2C-Bus steuert.
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- Christian Nause (Author), 2000, Entwicklung und Aufbau eines CAN-Feldbussystems für die Steuerungstechnik mit Schnittstelle zum Internet, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/5187
