CAN in Automation: Kommunikation zwischen Bauteilen

Als Kleinstrechner werden eingebettete Systeme in einer Vielzahl von Geräten verbaut und übernehmen dort Steuerungs- und Regelungsfunktionen. Ein solches „Embedded System“ ist das Bussystem CAN (Controller Area Network), das heute in Milliarden von elektronischen Geräten zu finden ist. CAN ist ein Kommunikationsprotokoll zwischen elektronischen Bauteilen, dessen Funktionsweise durch einen Vergleich mit der menschlichen Kommunikation erklärt werden kann: Um Informationen zu verstehen und sich zu verständigen, reichen definierte Zeichensätze (z. B. Buchstaben) nicht aus. Man braucht dafür auch eine einheitliche Sprache mit Grammatik, Wortschatz und Idiomatik, die durch CAN bewerkstelligt wird.

Vor 25 Jahren war der Siegeszug von CAN in der Industrie noch nicht absehbar. Holger Zeltwanger war jedoch schon damals von der Lösung überzeugt und gründete in Erlangen den Verein „CAN in Automation“ (CiA), um die Standardisierung dieser Technologie national und international voranzutreiben. Der nun in Nürnberg ansässige Verein ist mit acht Gründungsmitgliedern gestartet, heute gehören ihm über 600 Hersteller und Anwender an.

In diesem Jahr werden laut Zeltwanger weltweit erstmals über eine Milliarde CAN-Schnittstellen verbaut, die ein elektrisches Signal senden bzw. empfangen. Größter Treiber ist die Automobilindustrie, die in jedem der gut 80 Mio. Pkws durchschnittlich zehn CAN-Schnittstellen installiert. Je mehr elektrische Technik verbaut wird, desto mehr dieser Schnittstellen sind gefragt. Bei einem Porsche können es bis zu 200 sein, damit die Bordelektronik wie am Schnürchen klappt. „Damit ist CAN eine Mainstream-Technik“, sagt Zeltwanger.

Dieser Erfolg ist auch auf die extreme Robustheit der CAN zurückzuführen, die sogar Temperaturschwankungen zwischen minus 40 Grad und plus 150 Grad Celsius aushalten. In der Kommunikation zwischen elektronischen Baugruppen wie Steuergeräten oder intelligenten Sensoren sind CAN-Schnittstellen zwar nicht die schnellsten, aber die zuverlässigsten, wie Zeltwanger unterstreicht. Daher werden beispielsweise in Bereichen mit höchsten Sicherheitsanforderungen wie z. B. Medizintechnik, Bahntechnik oder Luftfahrt viele CAN-Chips verbaut. Japanische Hersteller rüsten etwa auch die Service-Roboter, die in Hotels Getränke auf das Zimmer bringen oder als Pflegeroboter in Heimen assistieren, mit solchen Lösungen aus.

Standardisierte Schnittstellen

Einen weiteren Vorteil von CAN illustriert Zeltwanger am Beispiel der Technik für Aufzüge. Dank der standardisierten Schnittstelle können die Bauteile unterschiedlicher Anbieter miteinander kombiniert werden. Das betrifft beispielsweise die Steuerung des Antriebes genauso wie die Schließkontrolle für die Türen, die Außen- und Innenbedienmodule und die millimetergenaue Positionskontrolle. Deshalb seien CAN-Netzwerke (elektrische Leitungen und die entsprechenden CAN-Schnittstellen) bei der Ausschreibung der Fahrstühle am Berliner Hauptbahnhof oder am Flughafen München eine Vergabebedingung gewesen.

Der Verein CiA profitiert von der großen Nachfrage nach der CAN-Technologie nicht direkt, weil er keine Produkte verkauft. „Wir sind vorwettbewerblich aktiv“, unterstreicht Zeltwanger. Über den operativen Arm, die CAN in Automation
GmbH, können allerdings Konformitätstests durchgeführt werden. Dabei wird kontrolliert, ob die Systeme die definierten „Grammatikregeln“ und die „Sprache“ exakt einhalten. Das serielle Netzwerk CAN wird in der Norm ISO 11898-1 definiert, höhere Protokolle, die auf CAN basieren, sind teils z. B. als CANopen (EN 50325-4) standardisiert.

Eine Variante von CANopen ist das Anwendungsprofil CiA 447 für Sonderfahrzeuge. Die Bayerische Polizei hatte als Vereinsmitglied eine herstellerunabhängige Fahrzeugschnittstelle erarbeitet. Damit können die Fahrzeuge von Polizei, Feuerwehr oder Rettungsdiensten herstellerübergreifend mit Sonderausstattungen wie Blaulicht oder Funkgeräten aufgerüstet werden, auch die Fehlerdiagnose der Sonderausstattung vereinfacht sich durch den Standard. Für die beteiligten Fahrzeughersteller und Geräteanbieter reduzieren sich der Aufwand für die Entwicklung und die Zahl der Varianten.

Außerdem unterstützt die CiA Anwender auf der ganzen Welt mit Konferenzen, Seminaren und Inhouse-Schulungen. Zeltwanger selbst ist etwa vier bis fünf Monate im Jahr von Japan bis in die USA in Sachen Schulungen unterwegs. CAN-Netzwerke würden in Zukunft auch mit Blick auf E-Mobilität und Industrie 4.0 immer wichtiger. Auch die Aspekte Safety und Security, also der funktionssichere Betrieb und der Schutz vor unbefugten Manipulationen oder Zugriffen, stehen stark im Fokus der Entwickler und Anwender.