CAN-Kommunikation für S7-SPS: Koppler zwischen zwei Standards

Das Bussystem Controller Area Network (CAN) ist Anfang der 1980er Jahre ursprünglich für den Automobilbereich entwickelt worden. Auf einer Konferenz 1985 stellte Bosch CAN vor, das zur vereinfachten Kommunikation zwischen verschiedenen Steuergeräten in Kraftfahrzeugen dienen sollte. Der Einsatz des Bussystems dient der Reduzierung der Kabelbäume in den Fahrzeugen. Nachdem mehrere Halbleiterhersteller Interface-Bausteine und Microcontroller entwickelten, hat sich das System auch außerhalb von Kraftfahrzeugen schnell verbreitet. Das CAN-Protokoll wurde mit ISO/DIN11898 und 11519-1 als Norm festgelegt. Flexibler CAN-Bus CAN arbeitet als Multi-Master-Netzwerk nach dem CSMA/CA-Verfahren. CAN wird üblicherweise in Linientopologie aufgebaut. Die Enden der Linien müssen dabei mit einem Widerstand von 120W abgeschlossen sein. Die Leitungslänge kann bei 1MBit/s 40m, bei 100kBit/s 500m und bei 10kBit/s 1.000m betragen. Grundsätzlich möglich sind aber auch Sternnetzwerke. Vor allem für die Vernetzung intelligenter Bus-Einheiten eignet sich der CAN-Bus, was auch in Anwendungen der industriellen Automatisierung von Vorteil ist. Schicht 1 und 2 sind in den CAN-Spezifikationen definiert. Ein CAN-Telegramm kann 0B bis 8B Daten übertragen. Die Bedeutung dieser Daten wird auf der Applikationsschicht (Layer 7) festgelegt. Für diese Applikationsschicht existieren im Bereich der industriellen Automatisierung verschiedene Spezifikationen – offene und herstellerspezifische. Unter den offenen und herstellerübergreifenden Protokollen hat das von der CAN in Automation e.V. standardisierte CANopen in Europa die größte Verbreitung gefunden. Ein Beispiel für ein herstellerspezifisches Layer-7-Protokoll ist der Lenze-Systembus, der für die Vernetzung von Antrieben des Herstellers genutzt wird. Der Lenze-Systembus arbeitet mit einer Teilmenge des CANopen-Kommunikationsprofils DS301. Des Weiteren ist für den amerikanischen Markt noch DeviceNet zu nennen. Alle Layer-7-Protokolle nutzen die hohe Flexibilität, die der CAN-Bus ermöglicht. In CANopen können z.B. Ein- und Ausgangsdaten (Prozessdatenobjekte) auf mehrere Arten kommuniziert werden: – ereignisgesteuert: Telegramme werden versendet, sobald sich der Inhalt geändert hat. – zyklisch synchron: Über ein Sync-Telegramm werden die Baugruppen veranlasst, die vorher empfangenen Ausgangsdaten zu übernehmen und neue Eingangsdaten zu senden. – Polling: Über ein CAN-Remote-Frame werden die Baugruppen veranlasst, ihre Eingangsdaten zu senden. Ohne Umwege in die Simatic S7-SPS Ebenso wie CAN in der Automatisierungstechnik weit verbreitet ist, haben sich die Speicherprogrammierbaren Steuerungen aus der Simatic-S7-Serie von Siemens in Anwendungen der Fertigungs- und zunehmend sogar der Prozessautomation als Quasi-Standard etabliert. Dabei sind Simatic-SPS der Reihe S7-300 Systemlösungen mit dem Schwerpunkt Fertigungstechnik. Die Reihe S7-400 deckt als Power-SPS den High-end-Bereich in der Fertigungs- und Prozesstechnik ab. Doch wie lassen sich CAN- und Simatic-Welt miteinander verbinden? Wie kann der Datenaustausch von der SPS zu den Aktoren und Sensoren mit CAN-Anschluss gewährleistet werden? Üblicherweise kommen zur Anbindung von Speicherprogrammierbaren Steuerungen an Feldbusse spezielle Kommunikationsbaugruppen zum Einsatz. Wenn in einer Automatisierungsanwendung Daten zwischen S7-SPS und CAN-Teilnehmern ausgetauscht werden sollen, helfen die Kommunikationsbaugruppen der Systeme Helmholz GmbH weiter: Sie ermöglichen die Anbindung des CAN-Busses an die Simatic-SPS. Dabei ist die Baugruppe CAN300 (Bild 1) für die Anbindung von CAN-Teilnehmern an die S7-300 ausgelegt, die CAN400-Baugruppe für die S7-400 (Bild 2). Beide Baugruppen kommunizieren jeweils direkt auf den Rückwandbus des Automatisierungssystems, über den auch die Spannungsversorgung gewährleistet wird. Die Baugruppen können sowohl im Zentralrahmen als auch im Erweiterungsrack gesteckt werden. Die CAN-Schnittstelle entspricht ISO/DIN11898-2. Bei Bedarf stehen entsprechende CAN-Busanschlusstecker für die Baugruppen zur Verfügung. Die CAN-Baugruppen sind flexibel: Sie können sowohl über Layer 2 am CAN kommunizieren sowie als CANopen-Master, CANopen-Slave oder mit dem Lenze-Systembus betrieben werden. Die Baugruppen unterstützen sowohl das Base frame format (11Bit) als auch das Extended frame format (29Bit). Mit den Netzwerkmanagementfunktionen Power-On, Stop-Run und Run-Stop lässt sich über eine einfache Makrosprache ein CAN-Verhalten mit bis zu jeweils 512 Telegrammen projektieren, das automatisch ausgeführt wird wenn das Ereignis eintritt. Einfaches Handling der CAN-Kommunikation Mit bis zu 16 Akzeptanzmasken können die für die SPS relevanten IDs vorgefiltert werden, sodass nur die gewünschten CAN-Telegramme übernommen werden. Mit einstellbaren Timern, die ein frei programmierbares CAN-Telegramm auslösen, lassen sich die in der Antriebs- und Servosteuerung weit verbreiteten Synchronprotokolle einfach über die Baugruppe realisieren. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Daten über CAN nur innerhalb eines bestimmten Zeitfensters zu senden. Die zu versendenden Daten werden von der SPS azyklisch übertragen und nach Ablauf der parametrierten Zeit gesendet. Expressmasken filtern hochpriore CAN-Telegramme, um diese direkt an die SPS weitergeben zu können. Die CAN-Baugruppen werden auf dem PC mit dem Parametriertool CANParam projektiert. Anwender bestätigen, dass sich die Kommunikationsparameter mit diesem Tool einfach einstellen lassen. Die Parametrierung einer Baugruppe kann in einem Projekt auf dem PC abgelegt werden und so bei Bedarf wieder aufgerufen werden. Im Hardwarekonfigurator der SPS werden die CAN-Baugruppen als CP-Baugruppe (CAN300) bzw. als FM-Baugruppe (CAN400) eingetragen. Im Step7-Programm werden sie dann über Hantierungsbausteine angesprochen, die ein einfaches Handling der CAN-Kommunikation ermöglichen. Für die CAN-Baugruppen sind Hantierungsbausteine für die Layer-2-Kommunikation, für CANopen-Master (DS301 V4) oder für den Lenze-Systembus erhältlich. Für den Einsatz der Baugruppen als CANopen Slave gibt es Hantierungen für die Profile DS401 (IO-Module) und DS420 (Corrugator). Profibus und CAN koppeln Weiterhin steht auch ein DP/CAN-Koppler zur Verfügung, der CANopen-Geräte in ein Profibus-DP-Netz einbinden kann (Bild 3). Dieser vollwertige CANopen-Master unterstützt Netzmanagement, Sync-Telegramme und Nodeguarding zur Überwachung der Teilnehmer. Die IO-Daten der CANopen-Teilnehmer werden transparent und frei konfigurierbar in den Profibus übertragen. Das robuste Gerät für die Hutschienenmontage benötigt eine DC-24V-Versorgung. Der Koppler wird mit einer GSD-Datei in den Hardwarekonfigurator eingebunden und kann dort vollständig konfiguriert werden. Auf weitere Tools kann der Anwender verzichten. Alternativ kann der DP/CAN-Koppler als CAN-Layer-2-Gerät am CAN-Bus verwendet werden. So lassen sich auch die Daten von kundenspezifischen CAN-Protokollen über den Profibus übertragen. Die verschiedenen CAN-Baugruppen von Systeme Helmholz verbinden zuverlässig die CAN-Welt mit Simatic-S7-SPS und Profibus und leisten somit einen wichtigen Beitrag für mehr Transparenz und Durchgängigkeit. Anwender sind mit den Baugruppen in der Auslegung ihrer Automatisierungsarchitekturen deutlich flexibler. Die Nutzung bewährter Standards wie Simatic-S7 und CAN in einer Anwendung trägt zur Erhöhung der Stabilität der gesamten Anwendung maßgeblich bei. Mit Hilfe von eintägigen Schulungen bei Systeme Helmholz können sich Interessierte in die CAN-Thematik einarbeiten. Innerhalb dieser Schulungen werden Kenntnisse über das CAN-Konzept, die CAN-Layer-2- und CANopen-Protokolle sowie die Parametrierung und die Inbetriebnahme der CAN-Baugruppen von Systeme Helmholz vermittelt.