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.

Für neue CAN-open-Netzwerke interessant

Welchen Nutzen bringt CAN FD letztlich in industriellen Anwendungen? Ist CAN FD nur für eine Leistungssteigerung bestehender CANopen-Netzwerke oder auch für neue CANopen-Netzwerke interessant?

CAN FD wird ausschließlich für neue CAN-open-Netzwerke interessant sein. Der Grund dafür ist, dass nur mit CANopen FD eine deutliche Leistungssteigerung und Erhöhung der Funktionalität möglich ist. Ferner sind existierende Produkte für CAN FD zu ertüchtigen. Dies bedeutet, dass die Hardware mit einem CAN-FD-Controller ausgestattet sein muss sowie mit einem CAN-Transceiver, der für die höheren Datenraten spezifiziert ist. CAN-FD-Geräte können grundsätzlich den „klassischen“ CAN-Mode unterstützen, um auch in CAN/CANopen-Netzwerken eingesetzt zu werden. Es ist jedoch nicht möglich, reine CAN/CANopen-Geräte in einem CAN-FD-/CANopen-FD-Netzwerk zu betreiben.

Welche Zukunft hat CAN – ob als klassisches CANopen oder auf dem Leistungs-Niveau von CAN FD – in der Industrieproduktion 4.0?

Um diese Frage zu beantworten, müssen wir betrachten, was Industrie 4.0 bzw. Industrial Internet of Things (IIoT) aus kommunikationstechnischer Sicht eigentlich erreichen will. Generelles Ziel von Industrie 4.0 und IIoT ist, erheblich mehr Betriebs- und Diagnosedaten zu erfassen und eine Durchgängigkeit der Datenübertragung zwischen IT- und Automatisierungs-Netzwerken zu ermöglichen, um die Wartung und Steuerung von Maschinen und Anlagen zu verbessern und damit die Produktion zu optimieren und zu flexibilisieren.

Die HMS-Marke Ixxat hat CAN-FD-Geräte in verschiedenen Formfaktoren im Programm.

© HMS/IXXAT

Die zusätzlich zu erfassenden Betriebs- und Diagnosedaten sind meist Datenpakete, die nicht so häufig übertragen werden, aber einen größeren Umfang haben. Im Unterschied dazu sind die im Feldbereich, also innerhalb einer Maschine, verwendeten Steuerungsdaten von geringem Umfang und werden häufig übertragen mit hohen Anforderungen an Echtzeitdatenübertragung.

Wie schon angesprochen, ist Industrial Ethernet oder auch Ethernet TSN innerhalb von Maschinen nur sinnvoll, wenn die Maschinen die zusätzliche Leistungsfähigkeit der Ethernet-Systeme trotz den damit verbundenen Nachteilen erfordern. Bei kleineren Einheiten, aber auch als Sub-Systeme in großen Maschinen gibt es und wird es künftig viele Anwendungen geben, in denen CAN bzw. vor allem CAN FD deutliche Vorteile hat, sei es durch Robustheit, Preis, Energiebedarf oder einfache Installation und Wartung. Dies gilt vor allem für Anwendungen außerhalb der Fabrikautomatisierung.

Lässt sich CANopen auf irgendeine Weise mit OPC UA verbinden?

OPC UA ist ein Protokoll auf TCP/IP-Basis. Dies bedeutet, dass das OPC-UA-Protokoll nicht ohne Weiteres über CAN bzw. CANopen übertragen werden kann. Was jedoch möglich ist und bereits in einer CiA-Arbeitsgruppe geschieht, ist, eine Companion Specification zu erstellen, die definiert, wie CANopen auf OPC UA abgebildet wird. Diese Umsetzung kann dann innerhalb der Steuerung der Maschine oder auf einem Gateway erfolgen. Wie schon angesprochen, müssen dazu viel mehr Daten als nur für die reine Steuerung der Maschine übertragen werden. Dies wird mit CAN FD bzw. CANopen FD kein Problem mehr sein.

Für CANopen gibt es viele Geräteprofile und Anwendungsprofile von CiA. Lassen sie sich zusammen mit einem der etablierten Industrial-Ethernet-Systeme oder mit TSN nutzen?

EtherCAT und Powerlink nutzen die Geräte- und Anwendungsprofile von CiA schon heute. Sie definieren und nutzen als Application Layer ebenfalls CANopen. Zudem sind einige der Geräteprofile und Anwendungsprofile schon als internationale Standards verabschiedet. TSN selbst ist kein Protokoll zur Datenübertragung, sondern ein Mechanismus, der eine definierte Latenzzeit und Bandbreite zur Übertragung von Daten über Standard-Ethernet gemäß IEEE 802.1 sicherstellt. Bei TSN fehlt ein definierter Application Layer. Dies könnte beispielsweise OPC UA sein oder aber TSN in Verbindung mit EtherNet/IP oder Profinet, wobei wir dann in der Welt der ODVA oder PI wären, die eigene Geräteprofile und Anwendungsprofile haben (jedoch deutlich weniger Profile als CiA).

Inwieweit und unter welchen Umständen lassen sich die CANopen-Profile in der Industrieproduktion 4.0 nutzen?

Sobald es eine Companion Specification für OPC UA und CANopen gibt, lassen sich die Geräte- und Anwendungsprofile auch in Verbindung mit OPC UA nutzen. Dies ist heute noch die größte Schwachstelle von OPC UA, denn OPC UA hat keine Definitionen, wie Daten, Parameter und Funktionen von Geräten und Systemen in den verschiedenen Anwendungsbereichen einheitlich modelliert bzw. abgebildet werden.

Welche Roadmap verfolgt HMS/Ixxat bezüglich CANopen und CAN FD in der Industriekommunikation 4.0?

In den zurückliegenden Monaten wurden die vorhandenen CAN-Produkte der Marke Ixxat für die Unterstützung von CAN FD überarbeitet, und auf der diesjährigen embedded world wurden zahlreiche neue Produktversionen mit CAN-FD-Unterstützung vorgestellt. So ist jetzt eine breite Palette von CAN-FD-Schnittstellenkarten, CAN-FD-Topologiekomponenten und CAN-FD-Gateways verfügbar. Im Laufe des Jahres werden wir Unterstützung für OPC UA und MQTT in einige dieser Komponenten integrieren. HMS ist Mitglied in der CiA-Arbeitsgruppe zur Definition der Companion Specification für CANopen und OPC UA und ist in Arbeitsgruppen der OPC Foundation aktiv.