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Letzte Änderung:
22.09.2021

 Feldbussysteme
 Verteilte Anwendungen

Eingebettete Systeme werden nicht nur immer komplexer, sondern sie werden dank Feldbus-Systemen und Netzwerk-Technologien aus der IT-Welt auch immer vernetzter. Mit CAN-Bus, Profibus, Flexray, dem LIN-Bus und Industrial Ethernet seien hier nur einige Vertreter dieser Systeme erwähnt.

 

 Controller Area Network - CAN

Längst selbstverständlich: Airbag, ABS, ESP & Co.

Die Entwicklung des CAN-Busses begann 1983 bei Bosch. 1986 wurde das Protokoll auf der Konferenz der Society of Automotive Engineers in Detroit offiziell vorgestellt. Die ersten CAN-Controller-Chips wurden 1987 von Intel und kurz darauf von Philips vorgestellt. Der Mercedes W140 war 1991 das erste Serienfahrzeug, das mit einem CAN-basierten Multiplex-Bordnetz ausgestattet war.

Bosch hat mehrere Versionen der CAN-Spezifikation veröffentlicht, die letzte ist CAN 2.0 aus dem Jahr 1991. Diese Spezifikation besteht aus zwei Teilen: Teil A) für das Standardformat mit einer 11-Bit-Kennung und Teil B) für das erweiterte Format mit 29-Bit-Kennung. Ein CAN-Gerät, das 11-Bit-Identifier verwendet, wird als CAN 2.0A bezeichnet, ein CAN-Gerät, das 29-Bit-Identifier verwendet, entsprechend als CAN 2.0B. Diese Standards sind zusammen mit anderen Spezifikationen von Bosch frei erhältlich.

1993 veröffentlichte die ISO den CAN-Standard ISO 11898, der später in zwei Teile umstrukturiert wurde: ISO 11898-1, der die Datenübertragungsschicht abdeckt, und ISO 11898-2, der die physikalische Schicht für Hochgeschwindigkeits-CAN beschreibt. ISO 11898-3 wurde später veröffentlicht und deckt die physikalische Schicht von CAN für langsames, fehlertolerantes CAN ab. Die Standards für die physikalische Schicht ISO 11898-2 und ISO 11898-3 sind nicht Teil der Bosch CAN 2.0 Spezifikation. Diese Standards können von der ISO erworben werden.

Bosch ist weiterhin aktiv an der Erweiterung der CAN-Standards beteiligt. Im Jahr 2012 veröffentlichte Bosch CAN FD mit flexibler Datenrate. Diese Spezifikation verwendet ein anderes Rahmenformat, das eine andere Datenlänge sowie optionales Umschalten auf eine schnellere Bitrate nach der Arbitrierung ermöglicht. CAN FD ist kompatibel mit bestehenden CAN 2.0 Netzwerken, so dass Geräte mit CAN FD im gleichen Netzwerk mit bestehenden CAN Geräten koexistieren können.

 CANopen

Deutscher Industrial-IoT-Markt mit starkem Wachstum bis 2022Bei CANopen handelt es ich um eine Protokoll- und Geräteprofilspezifikation für eingebettete Systeme, die in der Automatisierung eingesetzt werden. Im OSI-Modell implementiert CANopen die Schichten ab der Netzwerkschicht.

Der CANopen-Standard besteht aus einem Adressierungsschema, mehreren Kommunikationsprotokollen und einer durch ein Geräteprofil definierten Anwendungsschicht. Die Kommunikationsprotokolle bieten Unterstützung für das Netzwerkmanagement, die Geräteüberwachung und die Kommunikation zwischen Knoten.

Das Protokoll der unteren Ebene, das die Datenverbindungs- und die physikalische Schicht implementiert, ist in der Regel CAN; es können aber auch andere Protokolle zum Einsatz kommen. Die grundlegenden Geräte- und Kommunikationsprofile sind in der Spezifikation CiA 301 enthalten, die von der CAN in Automation veröffentlicht wurde. Profile für speziellere Geräte bauen auf diesem Basisprofil auf und sind in zahlreichen weiteren Standards spezifiziert.

 

 Flexray

Flexray wurde ursprünglich für sicherheitskritische Systeme wie X-by-Wire-Anwendungen im Automobil konzipiert.

Bei X-by-Wire werden mechanische Komponenten von Lenkung, Bremse und Antriebsstrang durch rein elektronische Lösungen ersetzt.

Flexray garantiert für verteilte Anwendungen ein deterministisches Verhalten für harte Echtzeit und ist fehlertolerant. Flexray wird heute u. a. in Fahrzeugen von Audi, BMW und Mercedes eingesetzt.
 

 Profibus

Der Process Field Bus, kurz: Profibus, existiert seit 1989 in den Ausprägungen Dezentrale Peripherie (DP), Fieldbus-Message-Specification (FMS) und Prozeßautomatisierung (PA). Die Varianten DP und PA werden heute am häufigsten eingesetzt. Profibus ist in der IEC 61158 genormt.

Beim Profibus handelt es sich um ein Multi-Master-/Multi-Slave-System, bei dem durch Token-Passing der jeweilige Master identifiziert wird.

Inzwischen gibt es das auf Ethernet basierende Profinet. Es bietet im industriellen Umfeld hohe Übertragungsraten und eine Durchgängigkeit von der Sensor- bis zur IT-Ebene.
 

 LIN-Bus

Der LIN-Bus ist für die Sensor-Aktor-Kommunikation mit niedrigen Übertragungsraten konzipiert. Im Automobil kommt LIN hauptsächlich als Subbus für CAN zum Einsatz.

LIN dient der Anbindung einfacher Steuergeräte, z. B. für Klimaanlage, Außenspiegel oder Schiebedach, Anwendungen, für die CAN zu aufwendig wäre. Weiter...

 

 Industrial Ethernet

Bewährte Technik aus der IT-Welt, niedrige Kosten, einfache Handhabbarkeit, hohe Bandbreite, durchgängige Kommunikation von der Sensor-/Aktor-Ebene bis zur Betriebsebene. Es gibt eine Vielzahl von Gründen, die für den Einsatz von Ethernet in der Automatisierung sprechen.

Leider gibt es auch mindestens genauso viele Standards, die in der Regel nicht kompatibel zueinander sind.

Wesentliche Standards sind heute Profinet, Ethernet/IP, EtherCAT, Modbus TCP, Powerlink, Sercos III und andere.

 

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Dipl.-Inf. Olaf Barheine, Freiberufler, Freelancer, IT-Consultant, Software-Entwickler

Ettlingen bei Karlsruhe, Baden-Württemberg, Germany

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