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<H1>www.aud24.net : H. Beikirch: "Powerline Communication in echtzeitfähigen Feldbusnetzwerken"</H1>
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Redaktion
> <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD>
<TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>11.12.2000</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>Universität Rostock:</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>H. Beikirch: "Powerline Communication in echtzeitfähigen Feldbusnetzwerken"</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Probleme und Lösungen in Verbindung mit dem CAN-Bus</TD>
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<TD VALIGN=top CLASS=detailContent>Mit dem Bestreben der ständigen technischen Weiterentwicklung sind auch neue Ansprüche an Wege und Möglichkeiten industrieller Kommunikation entstanden. Dies betrifft auch den Bereich der Feldbustechnik, für die neue Wege der Kommunikation gesucht werden. Ein spezieller Weg wird durch Powerline Communication ermöglicht.<BR><BR>Einleitung<BR><BR>Die Arbeiten zur Thematik umfassend die Erschließung neuer Anwendungsgebiete für etablierte Feldbustechnik in Echtzeit. Das betrifft Steuer- und Regelungsfunktionen über bisher nicht nutzbare Verbindungswege. Beispielsweise können die Steuerleitungen von elektrischen Geräten gleichzeitig zum Datenaustausch dienen. Als besonders leistungsfähig im industriellen Automationsbereich, wie auch aus der Automobiltechnik bekannt, hat sich das Netzwerk CAN (Controller Area Network) durch seinen Multimasterbetrieb gezeigt. Außergewöhnliche Probleme, funktionsbedingt durch die Systemorganisation, traten aber bei der Nutzung fremder Busmedien auf.<BR><BR>Hauptteil<BR><BR>Powerline Communication - das Grundprinzip<BR>Neben anderen Netzwerken hat sich CAN in vielen Bereichen industrieller und kommerzieller Kommunikation etabliert. Für Powerline Communication (Stromversorgungsleitung wird mit zur Datenübertragung genutzt) sind die verfügbaren hochintegrierten CAN-Controller (Protokollchips) sehr flexibel nutzbar und mit einer sehr selbständigen Busorganisation sowie Fehlerbehandlung versehen. Es liegen damit kostengünstige Voraussetzungen für die Erweiterung des Interfacespektrums dieses Netzwerks vor. Weiterhin weist es eine Reihe von Vorzügen auf, wie exzellente Fehlererkennungsmechanismen (CRC, Bit Stuffing, Acknowledge-Bits, Frame-Check) und Gewährleistung einer systemweiten Datenkonsistenz, auch im Fehlerfall. CAN ist ein fehlertolerantes System und damit auch für gestörte Übertragungskanäle geeignet. Diese Eigenschaft ist besonders für Powerline-Netzwerktechnik wichtig. Das Multimastersystem verfügt über ein Zugriffsverfahren, das eine bitweise Arbitrierung ablaufen läßt (CSMA/CA - Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance). Dabei setzt sich das Telegramm mit der höheren Priorität durch. Erfolgreich übertragene Telegramme werden durch ein Quittierungsbit (Acknowledge) am Ende des Datenrahmens von den Empfangsknoten bestätigt. Alle Acknowledge-Bits müssen sich überlappen. Damit ist jedoch die maximale Verzögerungszeit (Bitlaufzeit) über die Busleitung und die Transceiverschaltungen in Abhängigkeit von der Übertragungsrate begrenzt. Zur korrekten Erkennung der einzelnen Bits des Telegramms muß die gesamte Verzögerungszeit tpdmax (Summe der Verzögerungszeiten des ungünstigsten Signallaufwegs) deutlich geringer als eine Bitzeit sein (ca. 50%). <BR>Abb. 1 veranschaulicht den Signallaufweg mit den zugehörigen Verzögerungszeiten. Vertretbare Bitraten können damit nur durch optimal ausgelegte Transmitter und Receiver sowie ein angepaßtes Bit-Timing erreicht werden.<BR>Es wurden verschieden Verfahren zur Umsetzung von Interfaces für die busintegrierte Stromversorgung mit CAN entworfen. Die Grundprinzipien beruhten zum einen auf der Datenübertragung mittels Modulation auf die Stromversorgungsleitungen im Basisband (Base Band Modulation) und zum anderen durch eine Trägermodulation (Carrier Band Modulation) nach dem ASK-Verfahren (Amplitude Shift Keying) mit einer sinusförmigen Trägerfrequenz.<BR><BR><BR>Base Band Network<BR>Mit Interfacesschaltungen, bei denen dominante Bits durch verkürzte Datenimpulse mittels Strom- oder Spannungsmodulation ausgesendet werden, sind hohe Datenübertragungsraten erreichbar. Dagegen ist ihr Verhalten bezüglich Störeinkopplung und Störabstrahlung kritisch. Unsymmetrische Schaltungen funktionieren im Labor fehlerfrei, zeigten aber bereits bei geringer äußerer Störeinkopplung Fehlerzustände. <BR>Durch einen streng symmetrischen Aufbau und durch die Generierung trapezförmiger Sendeimpulse wurden die Eigenschaften verbessert. Bei Feldversuchen ist meßtechnisch nur eine geringe Störabstrahlung nachgewiesen worden. Die Einhaltung einer hohen Leitungssymmetrie war bereits in experimentellen Aufbauten problematisch (z. B. Einfluß parasitärer Kapazitäten). Den Lastkreisen, die keine exakte symmetrische Erdung zulassen, ist in jeder Applikation spezielle Aufmerksamkeit zu schenken. Ein unsymmetrisches Prototypensystem wurde mit der Standard-Bitrate von 250 kbit/s und mit 100 m Leitungslänge betrieben. Mit einem einer Meßwerterfassungsapplikation wurden im praktischen Betrieb an einer 24V DC Versorgungsleitung Erfahrungen gesammelt.<BR>Derzeitig wird die symmetrischen Ausführung des CAN-Interfaces weiter entwickelt. Das Prinzip dieser verbesserten Netzwerkstruktur zeigt Abb. 2. Sowohl bei der Lastauskopplung als auch beim Anschluß der Busteilnehmer muß auf Symmetrie geachtet werden.<BR><BR>Carrier Band Network<BR>Bei dem Carrier Band Network wird mit Hilfe der Trägermodulation eines dominanten Bits und der Tristate-Steuerung eines rezessiven Bits (ASK - Amplitude Shift Keying bzw. OOK - On-Off-Keying) die Datenübertragung realisiert (frequenzselektive Auswertung). Untersuchungen haben ergeben, daß dieses Verfahren wesentlich störfester ist als beispielweise das bereits vorgestellte Base Band-Verfahren. Die Erzeugung der sinusförmigen Trägerschwingungen für jedes dominante Bit wird synthetisch (u.a. FPGA) vorgenommen. Der Empfang dominanter Bits erfolgt frequenzselektiv durch einen Phasenregelkreis (PLL). Man erreicht so eine relativ große Störsicherheit und eine weitgehende Amplitudenunabhängigkeit. Aufgrund der Transmitterlaufzeiten und der Verzögerungen durch das Ein- und Ausrasten der Receive-PLL sind mit der einfachen Transceiverschaltung nur geringe Übertragungsraten von maximal 10 bis 20 kbit/s bei 150 kHz Trägerfrequenz erzielbar. Abb. 3 zeigt die Darstellung des Signalpegel auf der Busleitung (2) beim Übergang von einem rezessiven auf ein dominantes Transmit-Bit (1).<BR>Die auch hier auftretenden Verzögerungen durch Transmitter- und Receiverlaufzeiten lassen sich einfach meßtechnisch ermitteln. Den Hauptanteil des Delays wird durch die Receiverschaltung beim detektieren der Trägerfrequenzschwingungen auf der 24V-Busleitung erzeugt. <BR>Das Problem der Auslöschung von Trägerschwingungen durch Überlagerung, die bei einem Multimastersystem auftreten kann, läßt sich durch die synchrone Betriebsweise aller Transmitter minimieren. Leider ist, durch das Verfahren bedingt, nur eine geringe Übertragungsrate nutzbar. Realisierte Versuchsaufbauten und Prototypensysteme wurden mit Bitraten von 10...20 kbit/s betrieben. Die Erzielung höherer Übertragungsraten ist durch eine Optimierung der Frequenzselektion (Ein-/ Ausrastoptimierung) und einer Erweiterung des Verfahrens möglich.<BR>Derzeitig werden Untersuchungen zur Stabilisierung und Erhöhung der Datenrate durchgeführt. Das Trägerverfahren bildet durch seine Robustheit gegenüber Störeinwirkungen, die im wesentlichen durch eine frequenzselektive Signalauswertung bestimmt wird, die günstigere Variante für die Powerline-Netzwerktechnik.<BR><BR><BR>Testnetzwerk<BR>Zum Nachweis der Funktion und Vorbereitung eines Industrieprojekts wurde ein Referenznetzwerk aufgebaut und getestet, bei eine Powerline Communication nach dem Carrier Band-Verfahren benutzt wird. Als Anforderung stand die Datenübertragung mit CAN über eine 230V-Gleichspannungsleitung zur Versorgung von Stellmotoren (Projekt: Motorsteuerung von Erdungsschaltern in Mittelspannungsschaltanlagen). Gleichstrommotoren erzeugen auf Grund ihres Funktionsprinzips (Kommutator) ein extrem großes Störspektrum, das auch die Datenübertragung auf der Versorgungsleitung stark beeinträchtigt.<BR>Der Betrieb erfolgte mit zwei Netzwerkknoten, die jeweils am Ende und am Anfang einer 100m langen Busleitung angeordnet wurden. Den Aufbau dieses Testsystems zeigt Abb. 4. Es wurde unter verschiedenen Last- und Betriebsbedingungen (örtliches Ein-/Ausschalten des 300W-Motors; Systemversorgungs-Ein-/Ausschaltung) gemessen.<BR>Grundsätzlich war die Kommunikation nur möglich, wenn der Gleichstrommotor mit einer ausreichenden Sörunterdrückung (Störfilter) beschaltet wurde. Die Datenübertragung kann als sehr stabil bezeichnet werden. Das Impulsverhalten der Versorgungsspannung (Brummspannung in Sägezahnform; lastabhängig mit bis zu 10V Amplitude) beeinflußte die Übertragungsstabilität nicht.<BR><BR>Schlußfolgerungen<BR>Die bisher erzielten Ergebnisse und Lösungen zur Realisierung von Powerline Communication mit dem Bussystem CAN sind als Grundlagen für weitere Entwicklungen zu verstehen. Als besonders geeignet hat sich das Carrier Band-Verfahren gezeigt. Noch nicht befriedigend sind die niedrigen Bitraten. Zur Verbesserung der Bitraten wäre auch die Freigabe neuer Frequenzbänder für drahtgebundene Übertragungsverfahren durch den Gesetzgeber notwendig. Ein wirksamer Fortschritt wird aber erst mit der Verfügbarkeit von integrierten Transceiverbausteinen erzielt werden, da erst solche Lösungen kosteneffektive Netzwerkrealisierungen zulassen. Die bisher eingesetzten diskreten Schaltungen sind noch zu aufwendig in Material und Fertigung. An entsprechenden integrierten Bausteinen (ASICs) wird gearbeitet.<BR><BR>Zusammenfassung und Ergebnisse<BR><BR>Mit Powerline-Lösungen für CAN stehen Ergebnisse bereit, die sich in Bezug auf Kommunikationsgeschwindigkeit und Störfestigkeit unterscheiden. Mit einigen Kompromissen, die sich in den nächsten Entwicklungsstufen weiter abbauen lassen, sind derzeitig schon leistungsfähige Ergebnisse nutzbar. Von wesentlicher Bedeutung für den industriellen Einsatz war der Nachweis der Systemfunktion bei induktiven Lasten.<BR></TD>
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<P><I>Diese Seite wurde am 22.09.2006, 13:54 Uhr aktualisiert</I></P>
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