Christian Schlegel

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.

In der Praxis ergibt sich damit folgende Konstellation: Powerlink-Geräte und -Vorrichtungen müssen sich in einem separaten Echtzeit-Ethernet-Segment des Netzwerks befinden. Um Datenkollisionen auszuschließen, dürfen hier keine Standard-Ethernet-Geräte installiert sein. Im Powerlink-Segment arbeitet ein Gerät als Managing Node, die anderen Geräte als Controlled Nodes. Die Verbindung der Geräte mit dem Netzwerk erfolgt über Hubs. Da keine Kollisionen auftreten können, ist die Anzahl der Hubs in einem Segment – und damit letztlich auch die Größe eines Powerlink-Systems – nicht begrenzt. Lediglich die maximale Entfernung zwischen zwei Hubs ist auf etwa 100 Meter beschränkt. Der Datenaustausch der Geräte im System basiert auf einem Kommunikationszyklus, der sich in eine synchrone und eine asynchrone Phase aufteilt: In der synchronen Phase erfolgt das zyklische Versenden aller zeitkritischen Daten, in der asynchronen Phase findet die Übertragung aller zeitunkritischen Daten wie Netzwerkmanagementdaten und -dienste, Parameter oder TCP/IP-Frames statt.

Bild 1: Eine Powerlink-Domäne ist vom übrigen Netzwerk über ein Gateway getrennt und von „außen”œ über genau eine IP-Adresse erreichbar

Auf der Anwendungsschicht stellt Powerlink ein Objektverzeichnis sowie PDOs, SDO-Dienste und Protokolle zur Verfügung. Das Objektverzeichnis besitzt dieselbe Struktur wie das CANopen-Objektverzeichnis. Somit lassen sich alle CANopen-Applikationen und Geräteprofile direkt mit Powerlink nutzen. Lediglich der Indexbereich 1000h bis 1FFFh enthält keine CANopen-, sondern reine Powerlink-Daten (Kommunikationsparameter). Prozessdatenobjekte (PDO) werden in den Frames der PollRequests und PollResponses in der synchronen Phase übermittelt. Ein Prozessdatenobjekt kann aus bis zu 1490 Bytes bestehen.

Controlled Nodes verfügen über ein Sende-PDO, empfangen können sie bis zu 253 PDOs. Ein Managing-Node hingegen kann 253 PDOs senden und ebenso viele empfangen. Servicedatenobjekte (SDO) werden in der asynchronen Phase übertragen und nutzen entweder Powerlink- oder UDP/IP-Frames. Im Gegensatz zu CANopen kann ein Powerlink-Gerät jederzeit jedes andere Powerlink-Gerät über SDO ansprechen. Mit dem UDP/IP-basierten SDO-Protokoll ist es mit einem speziellen Router auch möglich, SDOs über Standard-Ethernet zu senden. Auf diese Weise können beispielsweise ebenso Standard-PCs Zugriff auf Powerlink-Geräte erhalten. Kurzum: Für die Anwendung macht es keinen Unterschied, ob sie auf einem Powerlink-Stack oder auf einem CANopen-Stack läuft.

Neue System-Architekturen

Eine Lösung, um die Einschränkungen durch CANopen zu umgehen, liegt in der kompletten Umstellung auf Powerlink. Für viele bestehende Systeme kommt dies aber aus Kostengründen für die Verkabelung, Hardware und für die Systemintegration nicht in Frage. Oft ist es sinnvoller, statt einer Komplett-Umstellung eine Systemstruktur mit Subnetzwerken in Betracht zu ziehen, die über CANopen/ Powerlink-Gateways verbunden werden. Hierbei sind grundsätzlich zwei Systemarchitekturen möglich