Zusammenfassung: Der CAN-Bus ist ein lokales Netzwerk (LAN), das primär in der industriellen Steuerungstechnik eingesetzt wird. Zu seinen Merkmalen zählen: Multi-Master-Betrieb, priorisierte Übertragung, Adressfilterung, Übertragung über große Entfernungen, hohe Kompatibilität, leistungsstarke Fehlererkennung und flexible Schnittstellenanwendungen. Das intelligente verteilte System RSM ist eine typische Anwendung des CAN-Busses. Ein RSM-System besteht aus einem Host-Computer (Industrie-Steuerungsrechner), einer ISA-Bus-CAN-Kommunikationskarte (oder einer PCI-Bus- oder PC104-CAN-Bus-Kommunikationskarte), intelligenten RSM-Modulen, Übertragungsmedien und zugehöriger Software. Die Netzwerkknoten können Sensoren, Aktoren, PCs, SPSen, intelligente Module usw. sein und über Entfernungen von wenigen Metern bis zu 10 Kilometern kommunizieren. Das intelligente RSM-Modul ist hauptsächlich ein Ein-/Ausgabemodul mit leistungsstarker Low-Level-Software. In der Modulimplementierung kann es die gesamte Eingangsverarbeitung, die Berechnung der Ausgabeinkremente und die Ausgabe übernehmen und so die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Regelkreises gewährleisten. Der CAN-Bus kann auch mit Ethernet verbunden werden und mit Mikrocomputern kommunizieren, wodurch sein Anwendungsbereich erheblich erweitert wird. 1. Technische Merkmale des CAN-Busses: CAN (Controller Area Network) gehört zur Kategorie der Feldbusse. Es handelt sich um ein serielles Kommunikationsnetzwerk, das verteilte Steuerung und Echtzeitsteuerung effektiv unterstützt. Sein Anwendungsbereich reicht von Hochgeschwindigkeitsnetzwerken bis hin zu kostengünstigen Mehrleitungsnetzen. CAN zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: (1) Priorisierter Multi-Master-Zugriff auf den Bus. CAN arbeitet im Multi-Master-Modus, sodass jeder Knoten im Netzwerk Informationen an andere Knoten senden kann. Die CAN-Kommunikation bietet eine hohe Echtzeitfähigkeit. Die Knoteninformationen werden nach Prioritäten unterteilt, um die Echtzeitübertragung von Daten mit hoher Priorität zu gewährleisten. (2) Nicht-destruktive Prioritätsbasierte Arbitrierung. Greifen mehrere Knoten gleichzeitig auf den Bus zu, zieht sich der Knoten mit der niedrigeren Priorität aktiv von der Datenübertragung zurück, sodass der Knoten mit der höheren Priorität zuerst senden kann. Anschließend sendet der verzögerte Knoten mit der niedrigeren Priorität die Daten erneut, was den Betrieb nahezu unbeeinträchtigt gewährleistet. Dadurch wird sichergestellt, dass das System auch unter hoher Last nicht lahmgelegt wird. (3) Übertragung von Mehradressrahmen mithilfe eines Empfangsfilters. CAN-Kommunikationscontroller-Chips verfügen in der Regel über eine Adressfilterfunktion. Diese entlastet den Mikrocontroller. Die Filterung kann auf Gruppen anstatt auf einzelne Adressen angewendet werden. (4) Datenanforderung über große Entfernungen. Die direkte Kommunikationsreichweite von CAN (ohne Repeater) beträgt bis zu 10 Kilometer. Das CAN-Kommunikationsprotokoll definiert vier verschiedene Frame-Formate, wobei der „Remote Frame“ zur Datenanforderung verwendet wird. (5) Volle Systemkompatibilität und Systemflexibilität. Im CAN-System benötigt ein CAN-Knoten keine Informationen über die Systemstruktur. Knoten können an das CAN-Netzwerk angeschlossen werden, ohne dass Änderungen an der Software oder Hardware aller Knoten und ihrer Anwendungsschichten erforderlich sind. Im CAN-Netzwerk kann sichergestellt werden, dass Nachrichten entweder von allen Knoten oder von keinem Knoten gleichzeitig empfangen werden. (6) Strenge Fehlererkennung und -definition. Die MAC-Unterschicht der Sicherungsschicht des CAN-Kommunikationsprotokolls verfügt über strenge Fehlererkennungsfunktionen, darunter Überwachung, Überprüfung der Füllregeln, Frame-Verifizierung, Überprüfung des 15-Bit-CRC-Codes und Bestätigungsverifizierung. CAN-Knoten können permanente Fehler und temporäre Störungen erkennen, Fehler definieren, beschädigte Nachrichten markieren und diese automatisch erneut senden. Bei mehr als 255 Fehlerpaaren wird der Knoten vom Bus getrennt. Dieser getrennte Zustand darf keine Auswirkungen auf den Bus haben. (7) Vielfältige Kommunikationsmedien und flexible Kombinationsmöglichkeiten: CAN unterstützt verschiedene Kommunikationsmedien wie Twisted-Pair-Kabel, Koaxialkabel, Glasfaser und drahtlose Verbindungen. In realen Systemen werden diese häufig flexibel kombiniert. 2. Anwendung der CAN-Technologie: Das RSM-System auf Basis des SDS-Protokolls ist eine typische Anwendungsmethode des CAN-Busses. SDS ist ein Anwendungsschichtprotokoll, das auf dem CAN-Bus-Standard basiert und 1994 von Honeywell Micro Switch eingeführt wurde. Zur Verbesserung von Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit bietet das Protokoll Nachrichten und Dienste für die Gerätesteuerung, die Scanning, Master-Slave- oder Peer-to-Peer-Kommunikation ermöglichen. Der SDS-Standard ist öffentlich zugänglich und kostenlos. Die Netzwerkknoten können Sensoren, Aktoren, PCs, SPSen, intelligente Module usw. sein, mit maximal 64 Knoten. SDS wird hauptsächlich zur Prozessüberwachung und -steuerung eingesetzt. (1) Zusammensetzung des intelligenten verteilten Systems RSM: Das RSM-System besteht aus einem Host-Computer (Industrie-PC), einer ISA-Bus-CAN-Kommunikationskarte (oder einer PCI-Bus- oder PC104-CAN-Bus-Kommunikationskarte), intelligenten RSM-Modulen, Übertragungsmedien und zugehöriger Software. (Abbildung fehlt) Es können bis zu 4 redundante Host-Computer eingesetzt werden. Es gibt 1 bis 60 intelligente Module, und die Gesamtzahl der Knoten überschreitet ohne Erweiterungs-Repeater nicht 64. Die Kommunikationsdistanz und -geschwindigkeit entsprechen den CAN-Spezifikationen, und die 64 Knoten können in einem Bereich von wenigen Metern bis zu 10 Kilometern verteilt werden. Das Kommunikationsprotokoll entspricht ISO 11898 2.0A und SDS. (2) Intelligente RSM-Module: Es gibt 14 verschiedene Typen intelligenter RSM-Module. Sie verwenden ein Design, das Stromversorgung, CPU, Feldsignale und Kommunikationsschnittstelle isoliert. Der Eingangsanschluss ist mit einem passiven Tiefpassfilter zur Unterdrückung von Gleichtakt- und Gegentaktstörungen ausgestattet. Die Selbstheilungsfunktion des Moduls wird durch die Watchdog-Schaltung realisiert. ① Die meisten intelligenten RSM-Module sind Ein-/Ausgabemodule, und der Regelkreis kann modulübergreifend gebildet werden. Um jedoch die Sicherheit des Regelkreises zu gewährleisten und sicherzustellen, dass die Regelung auch bei einem schwerwiegenden Fehler im Host-Computer oder der gesamten Kommunikationsleitung nicht beeinträchtigt wird, sind Module mit Regelungsfunktionen wie isolierter Bauweise, selbstoptimierendem PID-Regler und isoliertem Temperaturregler (RSM22) entwickelt worden. Deren Ein- und Ausgabekanäle befinden sich alle im selben Modul. Die zugehörige Software bietet umfangreiche Funktionen. Die gesamte Eingangsverarbeitung, die Berechnung der Ausgabeinkremente (mehrere Regelalgorithmen, einschließlich Kaskadenregelung, sind konfigurierbar), die Ausgabe sowie die automatische Identifizierung der Prozessparameter des selbstoptimierenden Moduls sind in diesem Modul implementiert, wodurch die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Regelkreises gewährleistet wird. Der RSM22 ist ein eigenständiger Temperaturregler mit CAN-Kommunikationsfunktion. Das Modul verfügt über einen Temperatureingang (RTD- oder Thermoelementsignal), einen Analogausgang für stufenlose Regelungssysteme und einen Digitalausgang für Zweipunktregelungssysteme. Dank des Displays und der Bedientasten kann der Regler eigenständig als Temperaturregler eingesetzt werden. So lassen sich Temperatursollwerte, PID-Regelparameter etc. einstellen und die PV- und SV-Werte des Regelobjekts während des Betriebs anzeigen. Das Modul passt die Temperatur automatisch anhand von fünf Sollwerten und den Heiz- und Kühlzeiten an. Der CAN-Schnittstelle ermöglicht die Kommunikation mit einem Mikrocomputer, beispielsweise an ein SDS (System Data System). Der Host-Computer kann Temperatur, PID-Wert, Heizzeit und weitere Regelparameter für jeden Sollwert an mehreren Knoten einstellen, die Temperaturmessungen jedes Reglers in Echtzeit aufzeichnen und Temperaturverlaufskurven zur Analyse der Ergebnisse erstellen. ② Bus- oder Kommunikationsprotokoll-Konvertierungsmodule, wie z. B. RS232/CAN, 485/CAN, Parallelport-Signal/CAN-Konvertierungsmodule usw., dienen dem Anschluss von tragbaren Computern, Online-Instrumenten und Geräten mit serieller/paralleler Kommunikation an den CAN-Bus. ③ Repeater-Module gibt es in zwei Ausführungen: Direktanschluss- und Erweiterungsanschlussmodule. Erstere dienen der Verlängerung der Kommunikationsreichweite, letztere der Erweiterung des RSM-Systems. Die intelligente Modulkonfiguration des RSM berücksichtigt die Flexibilität und den Komfort der Systemintegration aus Hardware-Sicht. Anwender können je nach Bedarf verschiedene Netzwerke aufbauen, die den Anforderungen der Prozessmessung und -steuerung entsprechen, und über verschiedene Kommunikationskonvertierungsmodule problemlos unterschiedliche Instrumente und Geräte an das Netzwerk anschließen. Aufgrund seiner relativ großen Kommunikationsreichweite, hohen Umweltverträglichkeit und des niedrigen Preises findet der CAN-Bus vielfältige Anwendung. Neben dem Einsatz von SDS-Systemen in der allgemeinen Prozessmessung und -steuerung, der Steuerung in der verarbeitenden Industrie und in Prüfständen der Automobilindustrie werden CAN-Bus-SDS-Systeme auch in einigen Feldprojekten verwendet, beispielsweise zur Pegelstandsmessung in Flüssen und Seen sowie zur Überwachung des Getreidezustands in großen Getreidelagern. Für den Feldeinsatz muss jedoch, unabhängig davon, ob es sich um eine Strom- oder Kommunikationsleitung (ausgenommen Glasfaser) handelt, ein Blitzschutzmodul an das System angeschlossen werden. (3) Softwarestruktur des intelligenten verteilten Systems RSM: Die Software umfasst die eingebettete Software, die Kommunikationstreibersoftware, den DDE-Server, die Konfigurationssoftware, die MMI-Software und die Benutzersoftware des Moduls. ① Eingebettete Modulsoftware: Die Software des intelligenten Moduls wird periodisch durch einen Echtzeitkernel ausgeführt, der mehrere Aufgaben plant, darunter Ein-/Ausgabefunktionen, Datenverarbeitung, Kommunikation, Ausgabe und Fehlererkennung. Die Kommunikation zwischen Modul und Host-Rechner erfolgt in der Regel per Broadcast oder kann vom Host-Rechner einzeln abgefragt werden. Dies kann über die Systemkonfiguration festgelegt werden. Die Software ist eingebettet, um ihren Einsatz in Umgebungen mit starken Störungen zu gewährleisten. ② Der Kommunikationstreiber ist die dynamische Linkbibliothek (DLL), die vom DDE-Server oder der Benutzersoftware aufgerufen wird. ③ DDE-Server: Dieses Programm empfängt DDE-Verbindungsanfragen von der Konfigurationssoftware, der MMI-Software und der Benutzersoftware und leitet sie an den Kommunikationstreiber weiter. Der Kommunikationstreiber wandelt die Anfrage in ein Kommunikationssignal um und sendet es über das Übertragungsmedium an die eingebettete Software des intelligenten Moduls. Die Antwort des Moduls wird als Ergebnis der DDE-Operation an die Konfigurationssoftware, die MMI-Software und die Benutzersoftware zurückgesendet. ④ Die MMI-Software stellt die Mensch-Maschine-Kommunikation her und kann die von jedem Knoten übertragenen Daten grafisch, als Diagramm oder auf andere dynamische Weise darstellen. Dieses System kann jede MMI-Software mit einer DDE-Schnittstelle verwenden. ⑤ Die Konfigurationssoftware ist für die Konfiguration, das Herunterladen und die Verwaltung des gesamten SDS-Systems zuständig. ⑥ Die Benutzersoftware ergänzt die Funktionen der MMI-Software. Diese Software kann Daten über die DDE-Schnittstelle austauschen und den Kommunikationstreiber direkt aufrufen. Alle oben genannten Softwarekomponenten laufen auf PCs mit Windows oder Windows NT. 3. CAN-Bus- und Ethernet-Anbindung: Die organische Integration verschiedener Bussysteme und die optimale Nutzung ihrer Vorteile stellen die Automatisierungsindustrie in den kommenden Jahren vor große Herausforderungen. Der HSE-Feldbus der Fieldbus Foundation ist die Schlüsseltechnologie für die Integration der H1/H2-Feldbustechnologie in das Intranet auf Werksebene. Die HSE-Technologie umfasst die HSE-Infrastruktur und vier Gerätetypen: LD-Verbindungsgeräte, GD-Gateway-Geräte, ED-Ethernet-Geräte und HD-Master-Geräte. Der HSE-Feldbus basiert auf weit verbreiteten Kommunikationsstandards wie IEEE 802.3 und seinen Erweiterungen (10M/100M-Ethernet oder höher), IEEE 802.2 und TCP/IP. Durch die Verwendung dieser Industriestandards lässt sich HSE problemlos in lokale Netzwerke (LANs) und das Internet integrieren. Die weite Verbreitung der Ethernet- und TCP/IP-Standards, ihre ausgereifte Technologie, die geringen Kosten und die rasante Entwicklung verleihen der Feldbustechnologie signifikante Vorteile hinsichtlich Bandbreite, Preis-Leistungs-Verhältnis und Datenübertragung. Die HSE-Technologie integriert Ethernet-, TCP/IP- und Foundation Fieldbus H1/H2-Technologien. Es nutzt die Anwendungsschicht des H1-Protokolls als HSE-Anwendungsschicht und TCP/IP- sowie Ethernet-Protokolle als zugrundeliegende Protokollstandards. Der Netzwerkmanagement-Teil behält die Netzwerk- und Systemverwaltung des H1-Standards bei und verwendet gleichzeitig SNMP (Simple Network Management Protocol, RFC 1157) und SNTP (Simple Time Management Protocol, RFC 2030) für die Netzwerk- und Systemverwaltung. HSE ist ein werkseitiger Netzwerkstandard, der von nahezu allen Feldbussen unterstützt wird. Es ist die einzige Spezifikation im IEC-61158-Standard, die auf Ethernet- und TCP/IP-Technologien basiert. Wenn das CAN-Bus-System also das Verbindungsproblem mit HSE löst, kann es effektiver Informationen mit anderen Feldbusnetzwerken austauschen, was seine Anwendungsmöglichkeiten erweitert.