Von der Linientopologie zum Sternrepeater

Der CAN-Repeater CRep S8C wurde, wie viele Produkte der EMS Dr. Thomas Wünsche, aufgrund einer speziellen Kundenanfrage entwickelt. In diesem Fall handelte es sich um eine Firma deren Geschäftsgebiet die Herstellung von Maschinen zur Produktion von Kunststofffolien war. In diesen Maschinen deren Abmessungen durchaus beträchtlich sein können, kommen an vielen unterschiedlichen Stellen Sensoren und Aktoren zum Einsatz, die mit CAN vernetzt sind. Deren Steuerung befindet sich an einem zentralen Punkt im Schaltschrank. Die Verdrahtung des Systems kann auf drei grundsätzlich unterschiedlichen Arten erfolgen.

1. Klassische Linientopologie

Bei der klassischen Linientopologie werden alle CAN Knoten mit einem einzigen Kabel in einer Linie miteinander verbunden. Obwohl diese Methode häufig angewandt wird und bei einfachen Anlagen wegen niedriger Kosten durchaus gerechtfertigt ist, so existieren doch gravierende Nachteile. Wird durch einen Defekt die Linie unterbrochen oder sendet ein defekter Knoten ein dauerhaft dominantes CAN Signal, so ist das gesamte System nicht mehr funktionsfähig. Sind zu einem späteren Zeitpunkt Erweiterungen des Systems notwendig, so ist eine Integration in die bestehende Linie häufig nicht mehr möglich. Zusätzlich übersteigt, durch Schleifenbildung bedingt, die Leitungslänge leicht die maximal zulässige Länge für die gewählte Baudrate. Viele dieser Probleme können bereits durch den Einsatz von Standard-Repeatern (wie CRep NM) gelöst werden.

2. Sternverdrahtung mit Standard-Repeatern

Die Sternverdrahtung mit Standard-Repeatern zeichnet sich dadurch aus, dass an einem Hauptstrang Stichleitungen mittels CAN-Repeatern angeschlossen werden. In den Segmenten der Stichleitungen können mehrere CAN-Knoten zusammengefasst werden. Dies bildet eine Ausstiegsmöglichkeit aus den Schwierigkeiten der klassischen Linientopologie. Durch den Einsatz von Repeatern werden lange Stichleitungen ermöglicht, wodurch ein Gesamtsystem mit geringerer Ausdehnung entstehen kann. Auch die nachträgliche Einbindung neuer Sensoren und Aktoren wird damit erleichtert. Nicht zuletzt erhöht sich die Stabilität des Systems, da bei Wegfall eines Segments die Kommunikation des verbleibenden Restsystems erhalten bleibt. Des Weiteren beschleunigt die Segmentierung des Systems die Fehlersuche erheblich. Dies führt in der Regel zu einer gesteigerten Verfügbarkeit der Anlage. Allerdings gibt es zu betrachtende Schwierigkeiten dieser Lösung. Zum Einen muss bei der Berechnung der maximalen Kabellänge die Durchlaufzeit von zwei Repeatern angesetzt werden, was bei großen Anlagen wiederum zu Problemen mit der gewählten Baudrate führen kann. Zum Anderen übersteigen die Kosten bei Verwendung von vielen Repeatern u.U. den gesetzten Rahmen.

Die Methode der Sternverdrahtung mit Standard-Repeatern wurde vom Kunden der EMS Dr. Thomas Wünsche bereits benutzt. Die hohen Kosten pro Segment waren ausschlaggebend nach einer alternativen Lösung zu suchen. Diese wurde in Form des CRep S8C realisiert. Durch die Zusammenfassung und Implementierung des gemeinsamen Hauptstrangs in einem FPGA Baustein gelang es acht unabhängige CAN Segmente in einem Gerät zu vereinen. Dies führt zur dritten Möglichkeit.

3. Sternverdrahtung mit einem Sternrepeater

Bei dieser Methode bildet ein Sternrepeater den Knotenpunkt der Sterntopologie. Neben den bereits beschriebenen Vorteilen einer Sternverdrahtung mit Standard-Repeatern bietet die Verdrahtung mit einem Sternrepeater weitere Verbesserungen. Am Nächstliegendsten ist die deutliche Reduktion der Kosten je Segment, da ein Sternrepeater die Aufgaben von bis zu acht Standard-Repeatern übernimmt. Durch die Verlagerung des Hauptstranges in das Gerät wird zudem erreicht, dass bei der Berechnung der maximalen Kabellänge nur eine Repeaterdurchlaufzeit berücksichtigt werden muss. Ein weiterer Vorteil ist die deutlich erhöhte Flexibilität des Gesamtsystems. Bis zu drei CRep S8C können kaskadiert werden, wodurch maximal 24 CAN-Kanäle entstehen. Die einzelnen Kanäle sind über 3polige steckbare Klemmleisten zugänglich. Ein Abschlusswiderstand ist an jedem Kanal bereits integriert. Dies ermöglicht das Zu- oder Abschalten einzelner Sensoren oder Aktoren ohne Anpassung des Gesamtnetzwerks.

Die Sternverdrahtung mit einem Sternrepeatern bietet sich bei unterschiedlichen Gründen an:

• Wenn viele CAN Knoten an unterschiedlichsten Stellen einer Anlage oder Maschine zu vernetzen sind.

• Wenn eine Linientopologie durch die zu erwartende große Ausdehnung nicht möglich ist.

• Wenn das Netzwerk flexibel um Knoten erweitert werden können muss.

• Wenn die Verfügbarkeit des Systems auch bei Ausfall von Teilen des Systems erhalten bleiben muss.

Beispiele hierfür sind in den unterschiedlichsten Branchen zu finden, wie etwa dem Tiefseebergbau, Zugangskontrollsysteme auf Campingplätzen oder im Spezialmaschinenbau.