Upgrade auf Ethernet

Unbestritten ist: Industrial Ethernet ist das kommende Kommunikationsmedium in der Automatisierungstechnik. Das heißt aber nicht, dass die etablierten Feldbusse damit schon zum alten Eisen gehören. Vielmehr...

Unbestritten ist: Industrial Ethernet ist das kommende Kommunikationsmedium in der Automatisierungstechnik. Das heißt aber nicht, dass die etablierten Feldbusse damit schon zum alten Eisen gehören. Vielmehr sind Lösungen gefragt, welche die Stärken beider Welten ideal kombinieren. Wie dies gehen kann, zeigt das Beispiel von CANopen und Ethernet Powerlink.

CANopen zählt heute zu den populärsten anwendungsschichtbasierenden Protokollen für CAN-Netzwerke. Grund hierfür sind Einfachheit und Flexibilität, die sich unter anderem in der großen Anzahl von Geräten, Schnittstellen-Komponenten und Anwendungsprofilen widerspiegelt, die für dieses Protokoll erhältlich sind. Immer größer werdende Applikationen und Systeme und der Bedarf nach immer höherer Bandbreite setzen den Einsatzmöglichkeiten von CANopen allerdings zunehmend Grenzen. So ist zum Beispiel die maximale Baudrate bei CAN auf 1 MBit/s beschränkt. Diese Grenze hängt direkt mit der verfügbaren Bandbreite für die Datenübertragung zusammen und stellt besonders für solche Anwendungen eine Einschränkung dar, die entweder auf zyklischer und synchroner Datenübertragung beruhen – wie etwa bei Motion-Control-Applikationen – oder aber auf die Übertragung großer Datenpakete angewiesen sind.

Eine weitere Einschränkung von CANopen betrifft die maximale Netzwerk-Ausdehnung, welche direkt von der für das CAN-Netzwerk gewählten Datenübertragungsrate abhängt. Das heißt: Systeme mit einer Baudrate von 125 kBit/s, 500 kBit/s oder 1 MBit/s dürfen maximale Leitungslängen von 500 m, 100 m beziehungsweise 25 m besitzen. Für viele Anwendungen, wie etwa Liftsteuerungen in der Gebäudetechnik, größere Maschinenanlagen oder Mess-Einrichtungen, kann dies schon zu kurz sein. Zwar lassen sich durch den Einsatz von Repeatern außer der üblichen Linien-Topoplogie andere Topologien wählen, und mit CAN-to-CAN-bridges ist die Leitungslänge prinzipiell beliebig verlängerbar; allerdings wachsen in diesen Fällen die Verzögerungszeiten derart an, dass eine synchrone Datenübertragung nicht mehr gewährleistet ist.

Zusätzlich zu diesen beiden einfachen Möglichkeiten einer Größenausdehnung des CAN-Netzwerkes gibt es das neue Schnittstellenprofil CiA400 „Multilevel Networking“. Diese Spezifikation beschreibt, wie sich ein CANopen/CANopen-Gateway für den Zusammenschluss mehrerer CANopen-(Sub-)Netzwerke nutzen lässt und wie der Austausch von Prozess- und Servicedatenobjekten zwischen den Systemen funktioniert.

Wenn eine Applikation mit mehreren Subsystemen zu realisieren ist, so benötigt der verbindende Backbone eine höhere Bandbreite und idealerweise eine längere Ausdehnung. Ergo wäre hier ein Kommunikationssystem sinnvoll, das über eine höhere Bandbreite verfügt, größere Entfernungen überbrücken kann und dabei über dieselben Mechanismen verfügt wie CANopen. Ethernet mit seiner Übertragungsrate von 100 MBit/s oder gar 1 GBit/s und seiner Fähigkeit zur weiträumigen Auslegung, die bei Verwendung von Switches theoretisch unbegrenzt ist, brächte diese Fähigkeiten mit. Außerdem unterstützen fast alle 32-Bit-CPUs diese bewährte Technik. Trotzdem sprechen handfeste Gründe gegen den Einsatz von Standard-Ethernet für die genannten Zwecke: Ethernet verzögert die Datenübertragung aufgrund seiner Kollisionskontrolle und Switch-Technik auf eine Weise, die eine statische Bandbreite und festkalkulierbare Verzögerungen in der Datenübertragung verhindern. Außerdem mangelt es Ethernet an einer passenden Anwendungsschicht mit den hierfür nötigen Protokollen.

CANopen-Upgrade auf Ethernet

Mit der Entwicklung von Powerlink hat der österreichische Automatisierungsanbieter B&R im Jahr 2001 eine Lösung entwickelt, welche nach wie vor die CANopen-Mechanismen nutzt, gleichzeitig aber von den Vorteilen des Mediums Ethernet profitiert, ohne dabei jedoch die genannten Nachteile in Sachen Determinismus in Kauf nehmen zu müssen. Das heißt: Powerlink basiert zwar auf Fast Ethernet gemäß IEEE802.3, verwendet jedoch ein spezielles Verfahren zur Vermeindung von Datenkollisionen, bei dem das Buszugriffsrecht (Senderecht) von einem zentralen Knoten koordiniert wird. Hierauf aufsetzend definiert die Powerlink-Spezifikation eine Anwendungsschicht als Träger der CANopen-Mechanismen, zu denen das Objektverzeichnis, Prozessdatenobjekte (PDO), Servicedatenobjekte (SDO) und Netzwerkmanagement (NMT) zählen.