Controller-Area-Network

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1 Controller-Area-Network Grundlagen, Protokolle, Bausteine, Anwendungen von Konrad Etschberger 3. Auflage Hanser München 2002 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN Zu Inhaltsverzeichnis schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG

2 CARL HANSER VERLAG Konrad Etschberger Controller-Area-Network Grundlagen, Protokolle, Bausteine, Anwendungen

3 30 1 Datenkommunikation im Feldbereich Baum Eine Baumtopologie (Bild 1.6-1c) liegt vor, wenn über aktive oder passive Verzweigungselemente beliebige Verzweigungen möglich sind. Die Vorteile einer solchen Topologie gegenüber einer Bustopologie sind vor allem die sehr gute Anpassung an die geographischen Anforderungen und damit minimaler Verkabelungs- und Installationsaufwand. Bei Einsatz aktiver Verzweigungselemente sind deren Kosten nachteilig. Im Feldbereich findet man Baumstrukturen vorwiegend als Kombination von Bustopologien (Bussegmente) in Verbindung mit Repeatern oder in Form einer elektrischen Bustopologie unter Beachtung der Randbedingung eines "elektrisch kurzen" Netzwerkes 1. Ring Eine Ringtopologie (Bild 1.6-1d) ist durch eine geschlossene Kette von gerichteteten Punkt-zu-Punkt Verbindungen ("Teilstreckennetz") gekennzeichnet. Vorteile einer Ringtopologie sind: Realisierbarkeit ausgedehnter Netzwerke, da jeder Teilnehmer als aktiver Netzknoten eine Signalregeneration bewirkt Wegen Punkt-zu-Punkt Übertragung über Teilstrecken sehr gut geeignet für den Einsatz von LWL, Einfache Teilnehmeridentifizierung über geographische Position der Teilnehmer Nachteile: Bei Ausfall eines Teilnehmers Ausfall des Gesamtsystems. Im Allgemeinen werden deshalb Zusatzmaßnahmen getroffen, z. B. Möglichkeit der Überbrückung eines ausgefallenen Teilnehmers oder redundanter Ring Eingliederung eines neuen Teilnehmers erfordert eine Betriebsunterbrechung Die Ringtopologie wird im Feldbusbereich bei INTERBUS-S angewendet (siehe Abschnitt 1.8.4). 1.7 Anforderungen und Einsatzbereiche von Feldbussystemen Sowohl für die Realisierung von Systemen der Produktionsautomatisierung, die Vernetzung von Steuereinheiten in Kraftfahrzeugen als auch die Installation großer Gebäude ist der Einsatz von spezifischen Feldbussen heute Stand der Technik. Darüber 1 Dieses Prinzip wird z. B. bei AS-Interface zugrundegelegt (siehe Abschnitt 1.8.3).

4 1.7 Anforderungen und Einsatzbereiche von Feldbussystemen 31 hinaus haben die ursprünglich für die genannten Einsatzbereiche entwickelten spezifischen Feldbuslösungen in der Zwischenzeit auch Eingang in zunächst nicht beabsichtigte Anwendungsbereiche gefunden. In besonderem Maße gilt dies für CAN, welches als unterlagertes Schicht-2-Protokoll mit den für die Industrieautomation entwickelten Standards CANopen und DeviceNet auch in großem Umfang Eingang in die Automatisierung von Systemen und Anlagen gefunden hat. Die Verfügbarkeit leistungsfähiger und kostengünstiger Feldbuslösungen hat darüber hinaus eine Vielzahl weiterer Anwendungsbereiche eröffnet, bei denen die Vernetzung von Systemkomponenten in Geräten, Maschinen und Anlagen die Realisierung leistungsfähigerer, flexiblerer und kostengünstigerer Lösungen ermöglicht. In den folgenden Abschnitten wird versucht, die unterschiedlichen Einsatzbereiche von Feldbussystemen darzustellen. Die hieraus resultierenden Anforderungen an Feldbussysteme sind in Tabelle zusammenfassend gegenübergestellt Datenkommunikation in der Produktionsautomatisierung Verfahrens- und fertigungstechnische Gesamtprozesse können in Form eines mehrstufigen Ebenenmodells 1 entsprechend Bild beschrieben werden [Frey86]. Während in der Unternehmensleitebene die strategischen Funktionen zur Führung eines Unternehmens durchgeführt werden, erfolgt in der unterlagerten Produktionsleitebene die übergeordnete Planung und Führung eines Betriebes. Dieser Bereich wird deshalb auch als "Betriebs- oder Fabrikleitebene" bezeichnet. Im Bereich der Prozeßleitebene (Prozeß-, Fertigungsleit- oder Zellebene) erfolgt die Umsetzung von Produktionsaufträgen in verfahrens- oder fertigungstechnische Prozesse. Über die Systeme dieser Ebene (Fertigungsleit-, Zellen-, Prozeßleitrechner) werden komplette größere Anlagenteile übergeordnet gesteuert und überwacht. In der untersten Automatisierungsebene, der Feldebene, sind die für die Erfassung, Steuerung und direkte Beeinflussung von Prozeßgrößen erforderlichen Geräte angesiedelt. Neben Steuereinheiten, Bedien- und Anzeigeeinrichtungen, Meßgeräten, Reglern und Antriebssystemen sind dies Sensoren und Stelleinrichtungen (Aktoren) unterschiedlicher Komplexität. In zunehmenden Maße kommen hierbei intelligente Sensoren, Meßumformer, Antriebssysteme und Regeleinrichtungen zum Einsatz. Die in konventionellen Anlagen noch anzutreffende aufwendige Verkabelung für den Anschluß einfacher Sensoren und Aktoren ist in modernen Anlagen durch serielle Bussysteme (Feldbussysteme, Sensor-Aktor-Bussysteme) für den Informationsaustausch zwischen Feldgeräten bzw. zwischen Feldgeräten und übergeordneten Steuergeräten (Leitsystemen) ersetzt. 1 Üblich sind auch 3-stufige Modelle. In diesem Falle wird die Unternehmensleitebene nicht dargestellt. Bei einer Unterscheidung zwischen Fertigungs- und Prozessautomatisierung (verfahrenstechnische Prozesse) ergibt sich eine Einteilung in Fabrik-, Zell- und Feldebene, bzw. in Betriebs-, Prozeß- und Feldebene.

5 32 1 Datenkommunikation im Feldbereich Unternehmensleitebene Produktionsleitebene Prozeßleitebene Feldebene Latenzeit ms Sekunden Nachrichtenrate hoch nieder Protokoll-Funktionalität gering hoch Umgebungsbedingungen sehr schwierig... schwierig störungsfrei Anforderung an Datensicherheit sehr hoch/hoch mittel/gering Anzahl Teilnehmer sehr viele/viele wenige Gerätekosten sehr nieder/nieder hoch Bild : Ebenenmodell der Produktionsautomatisierung und ebenenspezifische Anforderungen an Datenkommunikationssysteme An die in einem Produktionsbetrieb erforderliche kommunikationstechnische Infrastruktur werden von den verschiedenen Automatisierungsebenen sehr unterschiedliche Anforderungen in Bezug auf Übertragungstechnik und Funktionalität gestellt (siehe Bild ), so daß statt eines durchgängigen Universalnetzes ein Verbund verschiedener Kommunikationssysteme zweckmäßiger ist. Bild zeigt die generelle Netzwerkstruktur solcher Systeme. Hierbei werden den Anforderungen der jeweiligen Automatisierungsebene entsprechende Datenkommunikationssysteme eingesetzt. Entsprechend dem heutigen Stand der Technik werden solche Systeme auch mehr oder weniger offene Kommunikationsschnittstellen zur Außenwelt haben. Backbone-Bus Fabrikbus Planungsrechner Leitrechner A Leitrechner B Leitrechner Prozeßbus Prozeßbus Feldbus Feldbus Steuereinheiten Ein/Ausgabegeräte Sensoren/Aktoren Bild : Hierarchische Netzwerkstrukturen in der Produktionsautomatisierung

6 1.7 Anforderungen und Einsatzbereiche von Feldbussystemen 33 Die Instrumentierung des Feldbereichs von Produktionsanlagen ist gekennzeichnet durch den Einsatz von speicherprogrammierbaren oder äquivalenten, industrietauglichen Steuerungen (z. B. SPS, Industrie-PC, VME-Bus-Systeme), über welche eine Vielzahl von peripheren Ein- und Ausgabegeräten für die Erfassung digitaler und analoger Signale, die Ausgabe von digitalen und analogen Signalen oder die Ansteuerung von Antrieben angeschlossen sind. Im allgemeinen werden diese Geräte über ein Feldbussystem mit der jeweiligen Steuereinheit verbunden. Die Struktur des Informationsaustausches zwischen Steuereinheit und angeschlossenen Ein-/Ausgabeeinheiten entspricht heute im allgemeinen einer one-to-many Kommunikationsstruktur. Das für speicherprogrammierbare Steuerungen zentrale Prinzip der zyklischen Aktualisierung eines sog. "Prozeßabbildes" in Verbindung mit der one-tomany Kommunikationsstruktur wird normalerweise deshalb durch einen zyklischen Nachrichtenaustausch zwischen der SPS-Verarbeitungseinheit und den zugehörigen Peripheriegeräten realisiert. Mit der zunehmenden Verlagerung von Intelligenz in die periphere Prozeßinstrumentierung sowie der verstärkten Aufteilung von Verarbeitungsfunktionen auf mehrere programmierbare Geräte wird sich jedoch auch für den Feldbereich der Produktionsautomatisierung immer mehr die Forderung nach der Verfügbarkeit von many-tomany Kommunikationsstrukturen ergeben, so daß in zunehmenden Maße Feldbussysteme gefragt sein werden, welche einen direkten Datenaustausch zwischen vielen Geräten unterstützen. Da der Feldbereich sowohl Geräte großer Komplexität (übergeordnete Steuereinheiten) als auch einfachste, sehr kostengünstige Geräte (z. B. binäre Sensoren, Aktoren) umfaßt, ist darüber hinaus zu erwarten, daß sich auch im Feldbereich hierarchisch gegliederte Kommunikationssysteme mit Netzübergängen (Gateways) zwischen anwendungsspezifisch optimierten Kommunikationssystemen durchsetzen werden. Im besonderen gilt dies z. B. für den Bereich der reinen Sensor-Aktor-Anschaltung (Sensor- Aktor-Bus) sowie die sehr schnelle Datenkommunikation innerhalb von Antriebssystemen Datenkommunikation in mobilen Systemen Die Verfügbarkeit kostengünstiger und leistungsfähiger Komponenten der Mikroelektronik führte in der Kraftfahrzeugtechnik zu Beginn der achtziger Jahre zur Einführung von weitgehend autonomen elektronischen Steuergeräten für unterschiedliche Funktionsbereiche wie z. B. Zündungs-, Getriebesteuerungs- oder Antiblockiersysteme. Hierbei zeigte sich bald, daß weitere Funktionsverbesserungen und damit eine signifikante Verbesserung des Fahrverhaltens erst dann möglich sein würde, wenn eine Synchronisation der auf den verschiedenen Steuergeräten verteilten Prozesse durch Datenaustausch zwischen den beteiligten Geräten möglich ist. Der Einsatz digitaler Kommunikationssysteme in Kraftfahrzeugen ist jedoch auch von Interesse in Zusammenhang mit der Vernetzung von Komponenten der Karosserie- und

7 34 1 Datenkommunikation im Feldbereich Komfortelektronik, wie z. B. Klimaregelung, Sitz- und Spiegelverstellung, Fensterheber, Diebstahlsicherung, Zentralverriegelung, Beleuchtungssteuerung usw. In diesem Einsatzbereich soll ein digitales Kommunikationssystem (Multiplexsystem) in erster Linie den Verkabelungsaufwand reduzieren bzw. die neuralgischen Verkabelungsstellen, wie etwa die Kabeldurchführung vom Innenraum zu den Vordertüren, entschärft werden. Auf Grund ihres unterschiedlichen Einsatzbereiches (Multiplexverkabelung, zeitkritischer Datenaustausch zwischen Steuergeräten im Bereich des Antriebsstrangs) unterscheidet man fahrzeuginterne Kommunikationssysteme entsprechend den hierfür erforderlichen Datenraten in Low-Speed- (< 125 kbaud) und High-Speed-Kommunikationssysteme ( kbaud). Wegen der besonders hohen Anforderungen an die Sicherheit der Datenübertragung in einer, von elektromagnetischen Störungen gekennzeichneten Umgebung war es notwendig, ein besonders für diesen Einsatz geeignetes Kommunikationskonzept zu entwickeln, da die bereits vorhandenen, für andere Einsatzbereiche entwickelten Lösungen diese nicht erfüllen konnten. Dies war der Ausgangspunkt für die von der Firma Bosch begonnene Entwicklung des Controller-Area-Network (CAN)-Protokolls im Jahre 1983 [KieDa86], [DaUn92]. Weitere Kommunikationskonzepte für den fahrzeuginternen Einsatz sind die Low- Speed-Protokolle SAE J1850-HBCC und J1850-DLC 1, VAN (Vehicle-Area-Network) 2 oder ABUS 3 [BePe89]. Diese Konzepte sind heute jedoch nur noch für spezifische Einsatzbereiche von Bedeutung. Die besonderen, für fahrzeuginterne Kommunikationssysteme relevanten Anforderungen sind in Tabelle zusammengefaßt. Insbesondere CAN hat in der Zwischenzeit neben dem Einsatz in Personen- und Nutzfahrzeugen einen vielfältigen Einsatz im gesamten Bereich mobiler Systeme wie z. B. in Aufzügen, landwirtschaftlichen Maschinen aller Art, Kränen, Gabelstaplern, Fahrzeugen des öffentlichen Nahverkehrs, Müllfahrzeugen, militärischen Fahrzeugen, Bahnfahrzeugen, Schiffen und Baumaschinen gefunden Datenkommunikation in Gebäuden Der sichere und kostenminimale Betrieb großer Gebäude ist heute nur noch durch die Automatisierung der wichtigsten betriebstechnischen Funktionen (Heizen und Lüften, Beleuchtung, Sicherheit und Überwachung) möglich. Mit der Automatisierung von Gebäuden verbunden sind jedoch erhöhte Anforderungen an die Gebäudeinstallation, welche mit herkömmlicher Technik nicht mehr realisierbar sind. Moderne Gebäudein- 1 Society of Automotive Engineers, ISO/DIS-519-4, USA 2 ISO/DIS-519-3, Frankreich 3 ABUS (Allgemeine Bitserielle Universelle Schnittstelle), VW

8 1.7 Anforderungen und Einsatzbereiche von Feldbussystemen 35 stallationssysteme basieren deshalb in zunehmendem Maße auf der Informationsübertragung zwischen Schaltern, Sensoren, Beleuchtungseinrichtungen, sonstigen Aktoren und übergeordneten Leitsystemen über serielle Bussysteme [KraMei98]. Neben der Vereinfachung von Planung und Installation resultiert hieraus eine freie Programmierbarkeit des funktionellen Zusammenwirkens der Betriebsmittel eines Gebäudes und wird die für größere Gebäude geforderte hohe Flexibilität in Bezug auf geänderte Nutzungsanforderungen sichergestellt. Die wichtigsten, an ein Kommunikationssystem für die Gebäudeinstallation zu stellenden Anforderungen sind in Tabelle zusammengestellt Datenkommunikation in Embedded Systemen Mit der Verfügbarkeit kostengünstiger Mikrocontroller und Feldbuslösungen ist die Realisierung von Systemfunktionen in Form verteilter Systeme bzw. der Anschluß von Systemkomponenten über ein serielles Bussystem auch in vielen Bereichen möglich geworden, wo solche Lösungen trotz ihrer vielfältigen Vorteile bisher aus Kostengründen nicht in Betracht gezogen wurden. Besonders wichtige Einsatzbereiche sind die Vernetzung von Sensoren, Aktoren, Steuer- und Bedienungseinheiten innerhalb von Maschinen sowie die Vernetzung von Geräten im Rahmen von Meß-, Steuerungs- und Überwachungssystemen. Anwendungen dieser Art sind z. B. Meß- und Prüfmaschinen, Bearbeitungszellen, Roboter- und Handlingsysteme, Kuvertiersysteme, Druckmaschinen, Web- und Textilmaschinen, Brennersteuerungen, medizinische Gerätetechnik, Meßgerätekonfigurationen, Diagnosesysteme usw. Wegen der Vielfalt der in Frage kommenden Anwendungsbereiche ist es nicht möglich, generell gültige Anforderungskriterien für diesen Einsatzbereich anzugeben. Einige der für diesen Anwendungsbereich spezifischen Kriterien sind in Tabelle zusammengestellt. Tabelle 1.7-1: Einsatzspezifische Anforderungen an Feldbussysteme Kriterium Netzwerkparameter Feldbereich der Produktionsautomation Mobile Systeme Gebäude Embedded Systeme Maximale Netzausdehnung (typ.) Verfahrenstechnik: 1000 m Fertigungstechnik: 300 m 40 m pro Teilnetz bis 1000 m 1-10m Anzahl Teilnehmer (typ.) 32 pro Netzabschnitt pro Teilnetz 64 pro Teilnetz, sehr hohe Anzahl im Gesamtnetz 32 Netzstruktur Hierarchische Netzstrukturen in Sonderanwendungen; Netzübergänge zur Produktionsleitebene Teilnetze für die verschiedenen Funktionsbereiche Hierarchische Netzstrukturen Verschiedene Strukturen Topologie i. a. Bus Sensor-Aktor-Systeme: Bus, Ring, Baum Bus Bus, Baum Bus

9 36 1 Datenkommunikation im Feldbereich Tabelle 1.7-1: Einsatzspezifische Anforderungen an Feldbussysteme (Fortsetzung) Kriterium Kommunikationsstruktur und -kenngrößen Feldbereich der Produktionsautomation Mobile Systeme Gebäude Embedded Systeme Kommunikationsstruktur Datenaustausch zwischen zentraler Steuereinheit und einfachen One-to-Many (Single-Master) Datenaustausch zwischen Steuereinheiten, intelligenten Peripheriekomponenten sowie zwischen Many-to-Many (Multi-Master) Datenaustausch zwischen Steuergeräten, Many-to-Many (Multi-Master) Datenaustausch zwischen zentraler Steuereinheit und Peripheriekomponenten, zwischen Many-to-Many (Multi-Master) Datenaustausch zwischen zentraler Steuereinheit und One-to-Many (Single-Master) Datenaustausch zwischen Steuereinheit(en), (intelligenten) Many-to-Many (Multi-Master) Nachrichtenrate und Nachrichtenlänge Kommunikation zwischen: Steuereinheiten: niedere Nachrichtenrate mit längeren Nachrichten ( Byte) Steuereinheit und einfachen Peripherieeinheiten: hohe Nachrichtenrate mit kurzen Nachrichten (einige Bytes) Für Konfiguration und Parametrierung von Steuergeräten und intelligenten Peripheriegeräten (einige10-100bytes) Kommunikation zwischen: Steuereinheiten, sehr hohe Nachrichtenrate (wenige Bytes pro Nachricht) Für Parametrierung Steuergeräte während Systeminitialisierung (einige Bytes) Kommunikation zwischen Steuereinheit und niedere Nachrichtenrate (wenigen Bytes pro Nachricht) Für Konfiguration und Parametrierung Steuergeräte, intelligente Peripheriekomponenten (einige Bytes) Kommunikation zwischen: Steuereinheit(en) und anwendungsspezifische Nachrichtenrate (i. a. wenigen Bytes / Nachricht) Für Konfiguration und Parametrierung von Steuereinheiten und Peripheriekomponenten (einige Bytes) FürTransfervon Meßdaten (einige 1000 Bytes) Latenzzeit (Aktualität von Nachrichten) Verfahrenstechnik: ms Fertigungstechnik: ms Antriebssysteme: 1-10ms eine bis wenige ms für hochpriore Nachrichten in Antriebssystemen einige 10 ms für Multiplexsysteme ms anwendungsspezifisch 1-100ms

10 1.7 Anforderungen und Einsatzbereiche von Feldbussystemen 37 Tabelle 1.7-1: Einsatzspezifische Anforderungen an Feldbussysteme (Fortsetzung) Kriterium Feldbereich der Produktionsautomation Mobile Systeme Gebäude Embedded Systeme Besondere Anforderungen Antriebssysteme: Synchronisationsmechanismen Kommunikation zwischen Steuergeräten: Synchronisationsmechanismus - anwendungsspezifisch Datenintegrität Übertragungssicherheit hohe Anforderungen bei i. a. schwierigen Umgebungsbedingungen (gelegentliche Störungen) Höchste Anforderungen bei besonders schwierigen Umgebungsbedingungen (hohe Störrate) geringe Anforderungen i. a. hohe Anforderungen bei schwierigen Umgebungsbedingungen Fehlererkennungszeit ms Antriebsstrang: <1ms Multiplexsystem: einige 10 ms 1-10ms 100 ms anwendungsspezifisch Datenkonsistenz wünschenswert erforderlich unkritisch wünschenswert Übertragungstechnik kostengünstig, möglichst störsicher Verfahrenstechnik: ex-geeignet. Sensorik: Hilfsenergie vorteilhaft kostengünstig Antriebsstrang: besonders störsicher Multiplexsysteme: besonders störsicher Fehlertoleranz Ausfall/Defekt eines Teilnehmers darf nicht Gesamtsystem lahmlegen kostengünstig, gleichzeitige Übertragung von Daten und Hilfsenergie vorteilhaft kostengünstig, störsicher Standardisierung Offene Kommunikation erforderlich, Austauschbarkeit von Geräten (Geräteprofile) wünschenswert Offene Kommunikation wünschenswert Offene Kommunikation und Geräteaustauschbarkeit (Geräteprofile) wünschenswert Offene Kommunikation vorteilhaft, nicht zwingend Konfigurations- und Inbetriebnahmewerkzeuge Leistungsfähige Werkzeuge für Konfiguration und Inbetriebnahme erforderlich Leistungsfähige Testwerkzeuge erforderlich Leistungsfähige Werkzeuge für Konfiguration und Inbetriebnahme erforderlich Spezifische Werkzeuge für Test und Service erforderlich