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Feldbus CANopen: der Kommunikations-Standard für modulare Maschinen

Autor / Redakteur: Monika Mack / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Sie sind zuverlässig und günstig zu haben CANopen-Netzwerke, die Geräte verschiedener Hersteller miteinander verbinden. Das kommt dem Trend der Maschinenbauer entgegen, zunehmend Geräte-Module einzusetzen, die wiederum offene Schnittstellen erfordern.Vorteile, die sich auch ein Produzent von Körper-Pflegeprodukten zunutze gemacht hat.

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Über CANopen wird die Herstellung der Deo-Mixtur gesteuert.
Über CANopen wird die Herstellung der Deo-Mixtur gesteuert.
( Archiv: Vogel Business Media )

Riesige Kessel aus gebürstetem Edelstahl thronen im Scheinwerferlicht und hüten das Geheimnis erfolgreicher Mixturen und Rezepte. Ein leichter Duft weht dem Besucher der Fabrikhalle eines Kosmetikproduzenten in die Nase. Hier werden Shampoos, Deodorants und Haarsprays hergestellt. Doch nicht nur ausgefeilte Rezepte, auch innovative Technik ermöglichen es dem Hersteller am Markt erfolgreich zu sein. So zum Beispiel mit einem Creme-Deo, das sich von anderen durch seine besonders gleichmäßige Textur unterscheidet.

Eine Herausforderung für die Entwickler, eine für diese Konsistenz notwendige exakte Temperaturkurve zu finden anders als viele Produkte, die einfach nur gekühlt, verpackt und versendet werden müssen. Um dies zu gewährleisten, wurde eine spezielle Kühlkammer gefertigt, in der die heiße Masse in die Behälter gepresst und entlang einer verschlungenen Bahn abgekühlt wird.

Dabei ist das Kühlsystem mit über 30 Frequenzumrichtern, Displays und Controllern ausgestattet, die über ein etwa 60 Meter langes CANopen-Netzwerk verbunden sind mit einer Übertragungs-Geschwindigkeit von 500 kbit/s. 72 PDOs (Prozess-Daten-Objekte) übertragen die Steuersignale synchron-zyklisch alle 40 ms. Das sind singuläre CAN-Datentelegramme mit maximal 64 Bit Prozessdaten, die jedes CANopen-Gerät senden und empfangen kann.

Ein zuverlässiges Netzwerk

Der Leiter der technischen Entwicklung ist zufrieden mit dem Ergebnis: „Die Temperaturkurve zu finden war sicherlich nicht einfach, aber richtig schwierig wird es erst, wenn man so ein System in die Massenproduktion gibt. Dann laufen hier 140 Deos pro Minute durch, die alle gleich aussehen müssen.“ So entschied sich das Unternehmen aus zwei Gründen für ein CAN-Netzwerk mit CANopen-Protokoll: „Wir hatten vorher schon mit CAN gearbeitet und wussten, dass es ein sehr zuverlässiges Netzwerk ist. Außerdem haben wir bereits gute Erfahrungen mit den Geräteherstellern.“

Ein wichtiges Kriterium war vor allem, dass CANopen ein offener Standard ist, und sich damit Geräte von verschiedenen Zulieferern einsetzen lassen. Zudem sind diese durch das große Angebot entsprechend günstig. Programmierung und Fehlersuche verlaufen einfach, weil die Kommunikationsobjekte des Protokolls standardisiert sind.

1 Mbit/s ist schnell genug

So wird CANopen nicht zuletzt wegen der hohen Verfügbarkeit und der geringen Kosten häufig in der Maschinen- und Fabrikautomatisierung eingesetzt. Die als problematisch empfundene Übertragungs-Geschwindigkeit des CAN-Netzwerkes von 1 Mbit/s stellt sich für die meisten dieser Anlagen als völlig ausreichend heraus und ist erheblich günstiger und störunanfälliger als die schnelleren Echtzeit-Ethernet-Varianten. Vorteilhaft ist ebenfalls, dass CANopen keine aktiven Netzwerk-Komponenten benötigt und die Geräte untereinander hardware-kompatibel sind.

Der Trend bei den Maschinenbauern geht zur Modularisierung und damit zum Zukauf von Geräte-Modulen proprietäre und gebastelte Lösungen gehören der Vergangenheit an. Zukünftige Maschinensteuerungen erfordern deswegen offene Schnittstellen nicht nur für einfache Geräte, etwa Sensoren, generische E/A-Module, elektrische und hydraulische Antriebe sondern auch für Maschinenmodule, die ein OEM zukauft oder sich Maß geschneidert fertigen lässt. Ihm bleibt lediglich die Systemintegration.

Profile für jedes Modul

Ähnlich wie in der Automobilindustrie, wo kaum noch elektronische Steuergeräte selber gefertigt werden, sieht es auch in der Medizintechnik aus: Hier werden immer mehr Subsysteme wie Kollimatoren und Dosis-Messgeräte eingekauft und über standardisierte CANopen-Schnittstellen an das CAN-basierende Netzwerk angeschlossen. Die Kunststoff-verarbeitenden Maschinen-Hersteller haben ebenfalls mit der Modularisierung begonnen: Die Vereine CAN in Automation (CiA) und Euromap erarbeiten gemeinsam Profile für Extruder-Nachfolgegeräte und haben bereits sechs CANopen-Schnittstellen entwickelt.

Auch für Textil- und Druckmaschinen gibt es CANopen-Profile, ebenso für Metall-verarbeitende Maschinen wie Pressen und Biegeautomaten. Allerdings sind hier fast ausschließlich hersteller-spezifische Schnittstellen im Einsatz. Um die Durchgängigkeit von der übergeordneten Steuerung bis in den letzten Sensor zu gewährleisten, sind deshalb gemeinsame Datenmodelle und standardisierte Gateways erforderlich. Eine komplexere Maschine, die nur auf einer einzigen Kommunikations-Technik basiert, bleibt eine Wunschvorstellung. Deshalb ist der Ruf nach Durchgängigkeit zwischen den Netzwerken lauter geworden.

Mehrere Kommunikations-Systeme, darunter EtherCAT, Ethernet-Powerlink und Varan haben inzwischen das Objektmodell von CANopen übernommen. Zudem gibt es standardisierte CANopen-zu-Ethernet-Gateways und CANopen-zu-ASi-Gateways. Für die Kommunikation zwischen CANopen-basierenden Netzwerken wurden Remote-Kommunikations-Dienste spezifiziert. Hier laufen erste Anwendungen in Untertagebau-Maschinen.

CANopen bietet auch noch andere Kommunikations-Dienste, die sich wie Lego-Bausteine zu einer Gesamt-Schnittstelle zusammenfügen lassen. Neben CANopen-Safety (bis SIL 3) gibt es weitere Protokolle für redundante Netzwerke und -Managementsysteme. Für eine eigensichere Übertragung ist eine spezielle Busankopplung basierend auf handelsüblichen Transceiver-Chips in Entwicklung. Weitere Bausteine sind die LSS-Protokolle für die Zuteilung der in CANopen erforderlichen eindeutigen Geräteadresse (node-ID) und die Schnittstellen-Profile für Gateways und Router.

Mit diesen Bausteinen lassen sich sämtliche Anforderungen einer eingebetteten Maschinensteuerung realisieren. Bisher sind mehr als 20 CANopen-Geräte- und -Anwendungsprofile verfügbar, wo sich die Formate und Bedeutung der zeitkritischen Prozessdaten, der Konfigurations-Parameter sowie Fehler- und Diagnose-Informationen festlegen lassen. Dennoch gibt es noch viele Anwendungsgebiete, in denen die Maschinenbauer und Modul-Hersteller gefragt sind, dies zu spezifizieren. Dafür bietet CAN in Automation eine firmen-neutrale Plattform an.

Monika Mack, CAN in Automation (CiA)

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