Erweiterung von CAN Systemen über Glasfaserstrecken

In diesem Artikel werden technische Lösungen und Beispielanwendungen für CAN basierende Systeme, die neben der elektrischen Übertragung von Signalen auch eine optische Übertragung über Lichtwellenstrecken ermöglichen, vorgestellt.

Die Einteilung dieser Systeme kann in drei Bereichen erfolgen, bevor wir die Bereiche näher betrachten wenden wir uns aber zuerst der Analyse des Problems zu.

EMS CAN to optical converter
Bild 1: Dieser LWL Converter von
EMS ist durch eine getrennte An-
bindung der RX/TX Leitungen mit
dem CAN Controller eines einzelnen
Knotens verbunden

CAN, unter Einhaltung der zugehörigen Physical Layer Standards, ist ein leistungsstarkes, robustes und kosteneffektives Kommunikationsnetzwerk für die industrielle Steuerung, wodurch man die berechtigte Frage stellt warum man eine Ausdehnung über optische Übertragungswege überhaupt benötigen könnte.

Natürlich kann die Antwort nur lauten, dass das Verhalten von CAN basierenden Systemen unter Einsatz von zusätzlichen optischen Systemkomponenten positiv beeinflusst wird und so der bisherige Umfang der Einsatzbereiche erweitert werden kann.

Einige der zu nennenden Vorteile sind das verbesserte EMV-Verhalten, die weitaus flexiblere Strukturierbarkeit von CAN-Netzwerken, höhere Übertragungsgeschwindigkeiten und besserer Durchsatz durch verkürzte Latenzzeiten.

Auch die Anforderung mit bereits vorhandener Infrastruktur arbeiten zu müssen kann beim Einsatz von optischen Komponenten eine entscheidende Rolle spielen. Viele Transportsysteme oder Systeme zur Gebäudeautomatisierung beinhalten bereits standardmäßig verbaute Glasfaserleitungen, wogegen Signalleitungen zur Übertragung elektrischer CAN Signale in den meisten Fällen nicht vorgesehen sind.

Cable Car Åre
Bild 2: Das Kontrollsystem der Seilbahn in Åre, Schweden
wurde mit LWL Routern von EMS für SafetyBUS p realisiert

LWL Umsetzer für CAN

Der naheliegendste Ansatz zur Lösung des Problems ist in den CAN Komponenten der Automatisierungsbranche bereits häufig anzutreffen, denn zur optischen Entkopplung von Geräten ist es gebräuchlich einen zwischen CAN Controller und CAN Tranceiver geschalteten Optokoppler zu verwenden. Verfolgt man den selben Ansatz - eine optische Verbindung zwischen Controller und Transceiver - ist diese Vorgehensweise auch auf Lichtwellenleitersysteme anzuwenden.

Das Funktionsprinzip eines Optokopplers lässt sich mit der Verbindung von getrennten Segmenten über eine Lichtstrecke beschreiben. Das ist einfach zu realisieren und liefert gute Resultate bei der Isolation von Spannungen.

Ein Anwendungsbeispiel der vorgenannten Implementierungsart ist bei der Firma Voest Alpine Bergtechnik zu finden (www.voestalpine.com), einer Tochtergesellschaft der Sandvik Gruppe. Die CAN Knoten in den Grubenloren sind mit einer optischen Schnittstelle versehen, die über Lichtwellenleiterumsetzer mit einem kupferbasierten CANbus verbunden worden ist. Auch wenn dies die bevorzugte Variante ist eine Verbindung mit dem Bus herzustellen und gleichzeitig alle Anforderungen der Anlage erfüllt werden, gibt es im Bezug auf das Design des Gesamtsystems große Einschränkungen. Hier stößt man schnell an die Grenzen von Standardkomponenten und erkennt den Bedarf von speziell entwickelten CAN Knoten, die eine optische Schnittstelle zur Verfügung stellen.

Die Designtechnische Einschränkung findet sich in der Wahl der Netzwerktopologie. Das CAN Segment ist auf einen einzelnen Bus beschränkt, wodurch das Anschalten von räumlich getrennten CAN Segmenten allein durch die systemgegebenen Einschränkungen nicht mehr möglich ist.

Es ist also klar, dass die Möglichkeit zur Vernetzung der Bussegmente nicht mit normalen CAN Knoten bewerkstelligt werden kann, vielmehr benötigt man leistungsfähigere Lösungen.

Eine Schwierigkeit, die sich stellt, ist die Charakteristik der elektrisch übertragenden CAN Segmente. Es fehlt die Möglichkeit als externer Beobachter die Übertragungsrichtigung einfach zu bestimmen. Allein durch den Aufbau des CAN-Protokolls mit bitweiser Arbitrierung, Acknowlegde Flags und Error Frames ändert sich die Senderichtung während des Übertragens einer Nachricht mehrfach. Aktive Knoten, wie z.B.: LWL Konverter, müssen aber wissen wann genau sie welches Interface ansteuern müssen. Solange nur ein einzelner CAN Controller mit dem zugehörigen Transceiver verbunden wird, ist die momentane Übertragungsrichtung klar abzuleiten (getrennte RX/TX-Leitungen) und ermöglicht es die dementsprechende Übertragungsrichtung auch unter Einsatz von aktiven Knoten nachzustellen.

Container Terminal Altenwerder
Bild 3: Im Container Terminal Altenwerder verbinden LWL Transceiver sicherheitsrelevante
Geräte auf den Kränen mit dem Kontrollraum

LWL Transceiver für CAN

Die eine Möglichkeit ist somit die bitweise transparente Übertragung mittels eines Repeaters, der aufgrund der beidseitigen Taktung der Signale die momentante Senderichtung nachstellt und die Übertragung in die richtige Richtung einleitet. Dieser Vorgang ist vollkommen transparent bezüglich des Inhalts und des Übertragungstaktes, was die systemweite Datenkonsistenz sicherstellt.

CAN Repeater werden dabei durch den Einsatz von Optokopplern auf den beiden unidirektionalen Schnittstellen des Repeaters realisiert, wobei dieser Ansatz, wie zuerst angesprochen, ebenso mit LWL Schnittstellen umgesetzt werden kann.

Verglichen mit einem Repeater erhöht ein LWL Transceiver die Flexibilität eines CAN-Netzwerkes noch weiter. Da die Glasfaserstrecken nicht als Stichleitungen, bezogen auf die elektrisch übertragenden Subnetze, gelten, können LWL Tranceiver an beliebiger Stelle in ein elektrisches CAN Segment eingeschaltet werden, um mehrere verteilte elektrische Segmente zu vernetzen.

EMS CAN to optical transceiver
Bild 4: Dieser LWL Transceiver von
EMS eine bietet bitweise transparente
Übertragung zur Anbindung von CAN
Segmenten

Speziell bei hohen EMV Anforderungen ist es von Vorteil die elektrisch übertragenden CAN Segmente möglichst kurz zu halten. Ein Beispiel dieser Vernetzungstechnik ist im Container Terminal Altenwerder im Hafen von Hamburg realisiert worden, einem der modernsten Container Terminals der Welt. Das Sicherheitssystem der Kräne, das mit über das CAN basierte SafetyBUS p realisiert wurde, ist mit einem LWL Transceiver für CAN ausgestattet.

LWL Router für CAN

Im Gegensatz zu den bisherigen Lösungen, die die Datensynchronität auf Bitebene gewährleisten, ist diese dritte Lösung über einen Zwischenpuffer realisiert. Dieser Ansatz bietet die Synchronität auf Bitebene nicht mehr, was Vorteile und auch Nachteile mit sich bringt.

LWL Router trennen die CAN Segmente durch einen CAN Controller auf jeder Seite der Glasfaserstrecke. Dabei empfängt der eine CAN Controller die Nachricht, übermittelt sie über die Glasfaserstrecke - meist mit einem eigenen Protokoll - und der zweite CAN Controller auf der anderen Seite sendet die empfangenen Daten wieder als CAN Nachricht auf den Bus.

Der Nachteil dieser Lösung ist wie angesprochen die fehlende Synchronität und außerdem die nicht mehr mögliche Fehlerrückverfolgung. Eigentlich typische Eigenschaften eines CAN Segments sind somit nicht mehr für das gesamte System anwendbar. Als zweiter Nachteil ist die Zeitverzögerung zu nennen, da in den meisten Lösungen zuerst die Nachricht komplett empfangen wird, bevor sie auf der anderen Seite wieder versendet wird. Durch diesen Zwischenpuffer erfolgt die Arbitrierung einer Nachricht in den CAN Segmenten auf beiden Seiten zu einer unterschiedlichen Zeit. Bei hohen Buslasten kann dies zu einer hohen Pufferfüllung oder Pufferüberläufen im Router kommen, die bei transparenter Übertragung auf Bitebene nicht auftreten können.

EMS CAN-Optolink
Bild 5: Dieser LWL Router von EMS
verbindet unabhängige CAN Segmente
über weite Distanzen und ermöglicht
trotzdem hohe lokale Datenraten

CAN Systeme mit Routern werden also zunehmend komplex.

Andererseits gibt es einige Vorteile, die durch den Einsatz von LWL Routern in CAN Systemen erreicht werden können. Da die CAN Segmente eine getrennte unabhängige Taktung haben, sind verschiedene Baudraten in den einzelnen Segmenten möglich. Da die Glasfaserstrecke nicht an der Arbitrierung, Acknowlege und Fehlerkorrektur des CAN Busses teilnimmt setzen sich Übertragungslatenzen der Glasfaserstrecke auch nicht in die einzelnen CAN Segmente fort. Dies bewirkt wiederum, dass die Bitrate nicht durch die Länge der Glasfaserstrecke limitiert wird.

Durch den Einsatz von LWL Routern sind also extrem weit ausgedehnte CAN Netzwerke möglich, die Strecken von über 40 Kilometern überbrücken können während die lokalen CAN Segmente weiterhin mit Datenraten von bis zu 1 Mbit/s betrieben werden können.

Ein konkretes Anwendungsbeispiel dieser Technologie ist in der Seilbahn in Åre, Schweden zu finden. In Åre fand 2007 die Alpine Skiweltmeisterschaft statt. Das Kontrollsystem der Seilbahn wurde im Rahmen der Installationsarbeiten für die Weltmeisterschaft durch die Frey AG Stans aus der Schweiz (www.freyag-stans.ch) vorgenommen. Hierbei werden drei Glasfaserstrecken benutzt, die sicherheitsrelevante Komponenten auf den Seilbahnmasten verbinden.


Fazit

Das Verbinden von CAN Knoten oder ganzen CAN Segmenten über Glasfaserleitungen kann erheblich dazu beitragen das Verhalten der CAN basierten Systeme zu optimieren und CAN zur optimalen Lösung in Anwendungsbereichen machen, die ohne diese Möglichkeit nicht abzudecken wären. Hierbei sind sogar vollwertige CAN Lösungen im Bereich von Hochleistungsmaschinenparks denkbar.

Die Auswahl einer geeigneten Methode, eine optische Verbindung zwischen CAN basierten Systemen herzustellen, hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Vorteile, die daraus entstehen können. Um die bestmögliche Systemzusammenstellung zu finden müssen sowohl die Charakteristiken jedes speziellen Anwendungsfalles als auch die der angedachten Lösung genauestens bewertet werden.

erschienen im Februar 2006 im CiA CAN Newsletter, Author: Dr. Thomas Wünsche