Intensive Fieldbus Diagnostic erhöht Maschinenverfügbarkeit

Bild 1: CAN-Bus Prinzipieller Aufbau © GEMAC Chemnitz GmbH

Bild 1: CAN-Bus Prin­zi­pi­el­ler Auf­bau © GEMAC Chem­nitz GmbH

Mobi­le Maschi­nen wer­den immer kom­ple­xer. Aktu­el­le tech­ni­sche Ent­wick­lun­gen haben als Ziel eine mög­lichst auto­nom arbei­ten­de Maschi­ne. Das Daten­auf­kom­men inner­halb der­art kom­ple­xer Maschi­nen steigt stän­dig an, eben­so die Erwar­tun­gen an die Ver­füg­bar­keit der Maschi­ne. Das Rück­grat der Daten­kom­mu­ni­ka­ti­on ist in den meis­ten mobi­len Arbeits­ma­schi­nen der CAN-Bus oder ein dar­auf auf­set­zen­des Bus­sys­tem wie SAE J1939, ISOBUS oder NMEA2000. Die­se Feld­bus­se wer­den teil­wei­se an ihrer Über­tra­gungs­gren­ze betrie­ben, Aus­las­tun­gen von 80 % und mehr sind inzwi­schen nicht mehr sel­ten. Das kann zu Pro­ble­men füh­ren, wenn äuße­re Ein­flüs­se wie elek­tro­ma­gne­ti­sche Stö­run­gen Über­tra­gungs­feh­ler aus­lö­sen. Durch eine Erhö­hung der Stör­si­cher­heit kön­nen Aus­fäl­le der Kom­mu­ni­ka­ti­on ver­hin­dert werden.

Prinzipieller Aufbau des CAN-Bus

Der CAN-Bus (Bild 1) hat im Gegen­satz zu ande­ren Bus­sys­te­men eine ein­ge­bau­te Feh­ler­kor­rek­tur, die auto­ma­tisch Nach­rich­ten wie­der­holt, falls Feh­ler fest­ge­stellt wer­den. Das soge­nann­te Error-Frame signa­li­siert den Teil­neh­mern in einem Seg­ment, dass die letz­te Nach­richt von min­des­tens einem Teil­neh­mer als ungül­tig ange­se­hen wur­de. Das Feh­ler­ma­nage­ment des CAN sorgt in die­sem Fall dafür, dass die­se Nach­richt von allen Teil­neh­mern ver­wor­fen und wie­der­holt gesen­det wird, bis die Über­tra­gung von allen Teil­neh­mern ver­stan­den wur­de. Die­se Wie­der­ho­lung der Nach­rich­ten hat Ein­fluss auf die Bus­last, die im Feh­ler­fall stark anstei­gen kann, da die Nach­rich­ten schnell hin­ter­ein­an­der wie­der­holt wer­den. Ist die Grund­last schon sehr hoch, kann das wie­der­um dazu füh­ren, dass nie­der­prio­re Nach­rich­ten nicht mehr im erfor­der­li­chen Zeit­rah­men über­mit­telt wer­den kön­nen. Die Fol­ge sind Unsi­cher­hei­ten in der Daten-
lage und im Wei­te­ren Unsi­cher­heit über den Maschinenzustand.

Bild 2: Error-Frame mit anschließender Telegrammwiederholung

Bild 2: Error-Frame mit anschlie­ßen­der Telegrammwiederholung

Der Mecha­nis­mus der Error-Frames (Bild 2) ermög­licht eine hohe Daten­si­cher­heit im CAN-Bus, ohne auf­wän­di­ges Error-Hand­ling in den obe­ren OSI-Schich­ten. Für den Anla­gen­be­trei­ber sind Error-Frames ein siche­res Zei­chen, dass Über­tra­gun­gen nicht erfolg­reich und Unzu­läng­lich­kei­ten vor­han­den sind.

CANtouch Buslast hoch

Bild 3: CAN­touch Mes­sung: sehr
hohe Bus­last

Buslast begrenzen

Ein Ziel im Design und der Ent­wick­lung mobi­ler Arbeits­ma­schi­nen muss sein, die Last auf dem zen­tra­len CAN-Bus-Sys­tem gering zu hal­ten. Dadurch bleibt im Feh­ler­fall genug Zeit, um Tele­gram­me zu wie­der­ho­len. Lei­der wer­den in vie­len Anla­gen Men­gen von Daten über­tra­gen, ohne vor­her die Aus­wir­kun­gen auf die Bus­last im Detail zu ana­ly­sie­ren. Daten soll­ten typi­scher­wei­se dann über­tra­gen wer­den, wenn eine tat­säch­li­che Not­wen­dig­keit für eine Mit­tei­lung vor­liegt. Zum Bei­spiel könn­te ein Tem­pe­ra­tur­wert anstatt alle 100 ms zyklisch nur alle 10 Sekun­den über­tra­gen wer­den und dazwi­schen nur dann, wenn er sich dras­tisch ändert. Man­che Mecha­nis­men zur Über­wa­chung von Teil­neh­mern benö­ti­gen mehr Tele­gram­me als ande­re. So kann auch die Wahl des rich­ti­gen Mecha­nis­mus die Bus­last sen­ken. Im Bus­sys­tem CANopen benö­tigt bei­spiels­wei­se das Teil­neh­mer-Über­wa­chungs­pro­to­koll “Node Guar­ding” jeweils zwei Nach­rich­ten, wäh­rend das Teil­neh­mer-Über­wa­chungs­pro­to­koll “Heart­beat” nur eine Nach­richt benö­tigt. Ande­re Mög­lich­kei­ten bestehen in der Wahl intel­li­gen­ter Sen­so­ren und Akto­ren. Zum Bei­spiel kann man einem Schritt­mo­tor ein­mal einen Befehl schi­cken, um 1000 Schrit­te zu fah­ren, oder 1000 ein­zel­ne Nach­rich­ten, um jeweils einen Schritt zu fah­ren. In die­ser Wei­se soll­te beim Anla­gen­de­sign die Not­wen­dig­keit jedes ein­zel­nen CAN-Tele­gramms auf dem Prüf­stand ste­hen. Damit bewegt man sich bei der Anla­gen­pla­nung von der Ebe­ne des Bus­sys­tems (OSI 3–7) hin­un­ter auf die Ebe­ne des CAN (OSI Schicht 2). Bild 3 zeigt eine sehr hohe Buslast.

CANalarm 1000x1000

Bild 4: CANalarm

Buslast messen

Die Mes­sung der Bus­last ist ein­fach und lässt sich mit fast jedem CAN2USB-Inter­face nähe­rungs­wei­se dar­stel­len. Hard­warebau­stei­ne wie der CANalarm (Bild 4) der GEMAC ermög­li­chen u. a. eine selbst­stän­di­ge Über­wa­chung der Bus­last und evtl. auf­tre­ten­der Error-Frames ohne die Not­wen­dig­keit eines PCs.

Busphysik

Die gedank­li­che Bewe­gung soll­te von OSI-Schicht 2 noch einen Schritt tie­fer gehen, hin­un­ter auf die Ebe­ne der Bus­phy­sik (OSI Schicht 1). Dort ent­schei­det sich, wie stör­si­cher ein CAN-Bus ist. Wenn die Daten­über­tra­gung durch einen äuße­ren Ein­fluss gar nicht erst gestört wer­den kann, kommt es auch nicht zu Error-Frames und Tele­gramm­wie­der­ho­lun­gen. Dem Pro­blem wird auf die­se Wei­se ursäch­lich begeg­net. Wenn die Topo­lo­gie es zulässt, kann die Daten­ra­te erhöht wer­den. Eine rei­ne Lini­en­struk­tur der Seg­men­te ist ide­al, Stich­lei­tun­gen soll­ten nach Mög­lich­keit ver­mie­den wer­den oder so kurz wie mög­lich sein. In der Regel wird eine Ver­dop­pe­lung der Daten­ra­te vor­ge­nom­men, die grund­le­gen­de Bus­last wird dadurch hal­biert. Alle Teil­neh­mer in einem Seg­ment müs­sen auf die neue Bitra­te ein­ge­stellt wer­den. Die Kehr­sei­te der Medail­le ist: durch die Ver­dop­pe­lung der Fre­quenz ver­schär­fen sich in der Regel die Unzu­läng­lich­kei­ten des Auf­baus, wodurch die Signal­qua­li­tät absinkt. Abhil­fe schaf­fen hier nur ver­glei­chen­de Mes­sun­gen, die vor und nach einer Maß­nah­me durch­ge­führt wer­den und damit eine Beur­tei­lung der Maß­nah­me ermög­li­chen. So kann zum Bei­spiel die Wahl eines geeig­ne­ten Kabels die gesam­te Stör­si­cher­heit erheb­lich ver­bes­sern. Indem die rele­van­ten Fak­to­ren Schritt für Schritt ver­än­dert wer­den und die dar­aus fol­gen­de Ver­än­de­rung der Signal­qua­li­tät jeweils nach­ge­mes­sen wird, las­sen sich die Signal­qua­li­tät und die Stör­si­cher­heit optimieren.

Ersatzschaltbild einer Leitung

Bild 5: Ersatz­schalt­bild einer CAN-Leitung

Welche Faktoren haben Einfluss auf die Signalqualität?

Ein CAN-Bus ist nicht nur ein Kabel mit einem Schalt­si­gnal. Die Über­tra­gungs­fre­quen­zen sind hoch genug, dass bereits Effek­te auf­tre­ten, die nicht mehr mit Gleich­span­nung und Gleich­strom erklärt wer­den kön­nen. Wie bereits ange­spro­chen, beein­flusst die Topo­lo­gie die Signal­qua­li­tät erheb­lich. Mul­ti­tap-Ports wer­den gern ver­wen­det, weil sie die Mon­ta­ge ver­ein­fa­chen. Aber die dort ange­schlos­se­nen Teil­neh­mer befin­den sich nicht mehr in einer Lini­en­struk­tur, son­dern for­men einen Stern. Das ver­ur­sacht Refle­xio­nen, die sich in die Kur­ven­form der Signa­le ein­prä­gen. Das Glei­che pas­siert an Stich­lei­tun­gen, des­we­gen ist die kumu­la­ti­ve Län­ge der Stich­lei­tun­gen in einem Seg­ment klein zu hal­ten. Wei­ter­hin gibt es Ein­flüs­se durch Kapa­zi­tä­ten und Induk­ti­vi­tä­ten, die vom Kabel und jedem Teil­neh­mer in die Schal­tung ein­ge­bracht wer­den. Mit der Baud­ra­te (und damit der Fre­quenz) steigt der Ein­fluss auf die Signal­form. Das ver­schleift die Flan­ken der Bits und beein­flusst so die Signal­qua­li­tät. Bild 5 zeigt ein Ersatz­schalt­bild einer CAN-Leitung.

Bild 6: CAN-Pegel Bildung des Differenzsignals

Bild 6: CAN-Pegel Bil­dung des Differenzsignals

Stoerspannungsabstand

Bild 7: CAN Dif­fe­renz­si­gnal mit Stö­rung und Redu­zie­rung des Stör­span­nungs­ab­stan­des (hel­ler mar­kier­ter Bereich in der
Mit­te)

Geringe Übergangswiderstände

Idea­ler­wei­se ist man bemüht, die Über­gangs­wi­der­stän­de im Bus-Sys­tem so gering wie mög­lich zu hal­ten. Jedoch brin­gen auch Steck­ver­bin­dun­gen zusätz­li­che Wider­stän­de ein, die Signa­le dämp­fen. In der Pra­xis wur­den bereits Steck­ver­bin­der mit einem Über­gangs­wi­der­stand von grö­ßer als 1 Ohm gefun­den, die in Sum­me in einem kur­zen Seg­ment mehr als 35 Ohm zusätz­li­chen Wider­stand ein­brach­ten. Der ent­schei­dends­te Ein­fluss auf die Signal­qua­li­tät ist der Stör­span­nungs­ab­stand. Die Daten­über­tra­gung im CAN-Bus erfolgt mit einem Dif­fe­renz­si­gnal. Im Fall der Über­mitt­lung einer logi­schen Eins muss die Dif­fe­renz­span­nung zwi­schen den Lei­tun­gen CAN_L und CAN_H unter 0,5 V lie­gen. Im Fall der Über­mitt­lung einer logi­schen Null bei min­des­tens 0,9 V (sie­he Bild 6).

Differenzspannung zur Signalbeurteilung

Nor­ma­ler­wei­se ergibt sich im CAN-Bus eine Dif­fe­renz­span­nung bei der Über­mitt­lung einer logi­schen Null von ca. 2,0 bis 2,4 V. Stö­run­gen auf dem Signal redu­zie­ren die­se Span­nung. Die Sicher­heits­re­ser­ve scheint mit der dop­pel­ten Span­nungs­hö­he nur auf den ers­ten Blick groß zu sein. Sie kann sich schnell signi­fi­kant ver­rin­gern, wenn die Stö­run­gen ent­spre­chend groß sind. Stör­quel­len sind alle elek­tri­schen Gerä­te, die in der Nähe des Bus­ses arbei­ten oder auch par­al­lel ver­leg­te Lei­tun­gen, deren elek­tro­ma­gne­ti­sche Signa­le in die CAN-Lei­tung ein­ge­prägt wer­den. Auch die Gerä­te im CAN-Bus selbst kön­nen Stö­rer sein. Exter­ne Stö­rer wie ande­re Fahr­zeu­ge, eine Hoch­span­nungs­lei­tung, Mobil­funk usw. kön­nen ihre elek­tro­ma­gne­ti­schen Aus­sendun­gen in den Bus ein­prä­gen. Man­che CAN-Trans­cei­ver (die Bau­grup­pe, die direkt an der CAN-Lei­tung ange­schlos­sen ist) lie­fern schal­tungs­be­dingt nur max. ca. 1,8 V Dif­fe­renz­span­nung, was die Aus­gangs­la­ge bereits verschlechtert.

Im Bei­spiel­bild (Bild 7) ver­rin­gert eine ver­meint­lich klei­ne exter­ne Stö­rung die Reser­ve bereits um ca. 60 % (abso­lut 2,2 V auf 1,45 V). Ist der Stör­span­nungs­ab­stand zu klein, kön­nen Bits falsch abge­tas­tet wer­den. Das führt zu einem Feh­ler in der Prüf­sum­me und wird durch das oben beschrie­be­ne Error-Frame signa­li­siert. Es kommt zu einer Telegrammwiederholung.

CANtouch Messung TN hohe Qualitaet

Bild 8a: CAN­touch: Qua­li­täts­wert-
Mes­sun­gen ein­zel­ner Teil­neh­mer
mit hoher Qualität

CANtouch Messung TN niedrige Qualitaet

Bild 8b: CAN­touch: Qua­li­täts­wert-
Mes­sun­gen ein­zel­ner Teil­neh­mer
mit nied­ri­ger Qualität

Wie kann man die Signalqualität bestimmen?

Die vor­han­de­ne Signal­qua­li­tät kann mit Mess­ge­rä­ten bestimmt und über­wacht wer­den. Idea­ler­wei­se berech­nen die­se Gerä­te einen pro­zen­tua­len Wert, der sich direkt ver­glei­chen lässt. Um eine Aus­sa­ge tref­fen zu kön­nen, ob ein bestimm­ter Wert gut oder schlecht ist, braucht man aller­dings noch wei­te­re Infor­ma­tio­nen in Form einer Refe­renz. Ein Refe­renz­wert lässt sich evtl. von einer Maschi­ne des glei­chen Typs gewin­nen. Bes­ser ist es, man hat eine Maschi­nen­his­to­rie zur aktu­el­len Maschi­ne, die alle auf­ge­nom­me­nen Mess­wer­te ent­hält — begin­nend mit einer pro­to­kol­lier­ten End­prü­fung nach der Her­stel­lung der Maschi­ne bis zu den Mess­wer­ten, die in regel­mä­ßi­gen Abstän­den im Rah­men von Ser­vice-Inter­val­len ermit­telt wer­den. Dadurch lässt sich zusätz­lich zur Feh­ler­dia­gno­se eine Aus­sa­ge über die Alte­rung des Bus­ses gewinnen.
Die GEMAC bie­tet mit der Inten­si­ve Fiel­dbus Dia­gnostic (IFD) Mess­ge­rä­te, die die Ermitt­lung rele­van­ter Mess­da­ten so weit ver­ein­facht, dass inner­halb kür­zes­ter Zeit Aus­sa­gen über die Signal­qua­li­tät und vie­le wei­te­re Para­me­ter mög­lich sind. Dabei wird nicht auf die Tie­fe der Infor­ma­ti­on ver­zich­tet. Die Bil­der 8a und b zei­gen die Qua­li­täts­wert-Mes­sun­gen ein­zel­ner Teilnehmer.

Informationsgewinn durch IFD: Intensive Fieldbus Diagnostic

In der Ent­wick­lung einer neu­en Maschi­ne spielt die ver­glei­chen­de Mes­sung der Bus­phy­sik eine ent­schei­den­de Rol­le. Bereits in die­ser Pha­se kann ent­schie­den wer­den, ob z. B. eine ande­re Topo­lo­gie zu einer Ver­bes­se­rung der Signal­qua­li­tät führt oder ob eine Ein­spa­rung nega­ti­ve Aus­wir­kun­gen hat. Durch geziel­te Mes­sun­gen vor und nach einer Ver­än­de­rung lässt sich so der bes­te Kom­pro­miss zwi­schen Auf­wand und Nut­zen fin­den. Die Fol­ge einer sol­chen Vor­ge­hens­wei­se sind sta­bi­le CAN-basier­te Feld­bus­se, die auch mit erhöh­ten Bus­las­ten sicher arbei­ten. Soll­ten Feh­ler auf­tre­ten, ist eine sys­te­ma­ti­sche Feh­ler­su­che mit aus­sa­ge­kräf­ti­gen Mess­wer­ten ein­fa­cher und effi­zi­en­ter zu bewäl­ti­gen. Allein die Aus­sa­ge, dass der CAN-Bus phy­si­ka­lisch in Ord­nung ist, kann stun­den­lan­ge Feh­ler­su­chen ersparen.

→ Mehr über das CANtouch
Autor
Ralf Mei­sch­ner, Tech­ni­cal Support
Fiel­dbus Dia­gno­sis Tools
GEMAC Chem­nitz GmbH
www.gemac-chemnitz.com
CANtouch Front

Bild 9: CANtouch

Der Informationsgewinn durch IFD ermöglicht es

• daten­ba­sier­te Ent­schei­dun­gen zu treffen
• sta­bi­le­re Maschi­nen zu ent­wi­ckeln und herzustellen
• Aus­fall­zei­ten zu minimieren
• Feh­ler­su­che und Repa­ra­tur zu beschleunigen
• Kos­ten einzusparen