CAN FD auch in der Automatisierung CANopen – ready for CAN FD?

Christian Schlegel, HMS/Ixxat
»Das CANopen-Protokoll 
wird von der höheren CAN-FD-Datenrate profitieren.«
Christian Schlegel, HMS/Ixxat: »Das CANopen-Protokoll wird von der höheren CAN-FD-Datenrate profitieren.«

Obwohl von der Autoindustrie initiiert, eignet sich die erweiterte CAN-Version CAN FD auch für Industrie-Anwendungen. Aber lässt sich das CANopen-Protokoll ohne Weiteres auch in CAN-FD-Netzwerken übertragen, und eignet sich das Ganze für Industrie 4.0 und das IIoT?

Christian Schlegel, Geschäftsführer der HMS Technology Center Ravensburg GmbH mit der Marke Ixxat, gibt Auskunft.

Markt&Technik: Inwiefern bietet CAN FD mehr Leistung als das klassische CAN?

Christian Schlegel: CAN FD steigert die Leistung durch zwei wesentliche Änderungen: zum einen die Verachtfachung der in einer Nachricht maximal übertragenen Daten-Bytes von 8 auf 64 und zum anderen die Erhöhung der Datenrate auf bis zu 8 MBit/s. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass beim Senden einer CAN-Nachricht in deren Arbitrierungsphase die Datenrate nach wie vor maximal 1 MBit/s beträgt und erst nach Abschluss der Arbitrierungsphase für die Übertragung der Daten und der Prüfsumme auf die höhere Datenrate umgeschaltet wird. Die Umschaltung erfolgt dabei übergangslos von einem zum nächsten Bit innerhalb der gerade übertragenen Nachricht. Während die maximale Nettodatenrate von CAN etwa 600 kBit/s beträgt, erreicht sie bei CAN FD bis zu zirka 5,3 MBit/s.

Eine Einschränkung bei CAN war bisher, dass die Ausdehnung des Netzwerks begrenzt war, wenn für den Betrieb eines Systems eine höhere Datenrate nötig war – bei 1 MBit/s auf maximal 25 m. Mit CAN FD ist es jetzt möglich, in der Arbitrierungsphase beispielsweise 500 kBit/s zu nutzen. Damit ist eine Ausdehnung des Netzwerks von bis zu 100 m möglich. In der Datenphase kann man dann trotzdem mit beispielsweise 4 MBit/s übertragen und erreicht in dieser Kombination schon eine maximale Datenrate von etwa 3 MBit/s.

Darüber hinaus wurde die Erkennung von Fehlern durch ein verändertes CRC-Prüfsummenverfahren an die größeren Nachrichten angepasst und zusätzlich verbessert. Damit ließ sich die Restfehlerwahrscheinlichkeit von CAN FD im Vergleich zu CAN um Potenzen verringern.

Richtet sich CAN FD hauptsächlich an Automotive-Anwendungen oder auch an industrielle Anwendungen?

CAN FD wurde wie schon CAN von den Automobilfirmen initiiert. Sie hatten nach einer Lösung gesucht, die den Geschwindigkeits zuwachs und Funktionsumfang bringt, um aktuelle Anforderungen in der Fahrzeugkommunikation, die von AUTOSAR kommen und zukünftig auch Verschlüsselung und Authentifizierung erfordern, zu unterstützen, ohne dafür auf FlexRay oder gar Ethernet umsteigen zu müssen. Die mit CAN FD gefundene Lösung hat den Vorteil, dass sie robuster als CAN ist, ebenso preisgünstig, denselben geringen Energiebedarf hat und vor allem ein großes Technologie-Know-how in der Fahrzeugwelt vorhanden ist. Alle deutschen OEMs werden CAN FD in den nächsten Generationen ihrer Fahrzeugtypen einführen.

In Nicht-Automotive Anwendungen ist CAN heute weit verbreitet. CAN FD wird auch hier Einzug halten, weil die heutigen CAN-Netzwerke von der Leistungssteigerung durch CAN FD profitieren und CAN FD sicherlich künftig nicht mehr kosten wird als CAN heute kostet. Dies trifft nicht unbedingt in der Fabrikautomatisierung zu, wo es sich um große Maschinen handelt, die auch in einer Produktionslinie untereinander vernetzt sind und hohe Anforderungen an die Motion Control stellen. Hier halten zunehmend die Industrial-Ethernet-Lösungen Einzug, die in solchen Anwendungen ihre Stärken ausspielen. Es sind eher Anwendungsfelder wie Medizintechnik, Regenerative Energien, Transport (Schiffe, Bahnen, Flugzeuge), „Kleine Maschinen“ wie etwa Fahrkartenautomaten und Handling-Systeme sowie kleine Roboter und Nutzfahrzeuge, wo CAN / CAN FD nach wie vor seine Stärken ausspielt: Robustheit (MTBF, Fehlerrate), Bussystem (passive Linien- oder Sterntopologie – es sind keine aktiven Switches zwischen den Komponenten erforderlich), Installation und Wartung, Stromverbrauch (3-mal weniger als eine Ethernet-Schnittstelle) und Preis (3- bis 5-mal geringer als eine Ethernet-Schnittstelle).

In der industriellen Automatisierung findet normalerweise das CANopen-Protokoll Anwendung. Inwieweit lassen sich CANopen-Netzwerke auf das Leistungs-Niveau von CAN FD bringen?

Das heutige CANopen-Protokoll ist für die maximale Datenlänge von CAN mit seinen 8 Byte konzipiert. Daher würde es von der höheren CAN-FD-Datenrate profitieren. Schon seit einiger Zeit kümmert sich eine Arbeitsgruppe der Nutzerorganisation CAN in Automation (CiA) darum, CANopen für CAN FD zu erweitern (CANopen FD). Dies betrifft sowohl die PDOs als auch die SDOs, für die ein neues Protokoll eingeführt wird, das die Einschränkungen des bisherigen SDO-Protokolls beseitigt und einen erheblichen Leistungsschub bei der möglichen Datenrate bringen wird. Einige Mitgliedsfirmen der Arbeitsgruppe haben bereits erste Implementierungen von CANopen FD im Rahmen einer gemeinsamen CANopen-FD-Demo seit der SPS IPC Drives 2016 auf verschiedenen Messen und auf der internationalen CAN-Konferenz Anfang März erfolgreich gezeigt.