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Lineartechnik im Griff
Wie die CAN-Bus-Architektur Sie mit Ihren Bewegungssteuerungsanwendungen in Verbindung hält
Elektrische Aktuatoren der nächsten Generation, die die CAN-Bus-Kommunikation (Control Area Network) unterstützen, erweitern die neu entdeckte intelligente Steuerbarkeit auf Linearbewegungsanwendungen, einschließlich solcher, die zuvor herkömmliche elektrische Aktuatoren, Hydraulikzylinder oder manuelle Operationen verwendeten. Die Vorteile liegen in höherer Effizienz, niedrigeren Lebenszykluskosten und sichereren, saubereren Betriebsabläufen.
Basierend auf dem ISO-Standard 11898 für serielle Datenkommunikation wurde das Control Area Network (CAN) ursprünglich entwickelt, um die Kosten und Komplexität der Kupferverkabelung in Automobilanwendungen mit einer vereinfachten elektronischen Busarchitektur zu reduzieren. Damit Designer diese Architektur voll ausschöpfen können, hat die Society of Automotive Engineers (SAE) die Programmiersprache J1939 entwickelt und sie für die Anforderungen von Automobil-, Landwirtschafts-, Bau- und anderen MOH-Anwendungen weiterentwickelt.
Während J1939 ein Zeitalter der intelligenten Automatisierung in der Automobilindustrie einläutete, suchte die Fertigungsindustrie nach Möglichkeiten, die Busarchitektur für die Bewegungssteuerung zu nutzen. Industrielle Anwendungen erforderten jedoch höhere Übertragungsraten, mehr Bandbreite und Möglichkeiten zur Integration der Bewegungssteuerung mit anderen Anwendungen. Solche Anforderungen trieben die Entwicklung der CANopen®-Sprache voran, die eine offene Standardplattform verwendet, die eine Plug-and-Play-Integration mit anderen Standardgeräten ermöglicht. Dies bietet eine intelligente Architektur, die in der Lage ist, intelligente Bewegung in andere Automatisierungsschemata auf höherer Ebene zu integrieren.
Ein Blick auf die CAN-Bus-Architektur
Der CAN-Bus ist ein High-Level-Kommunikationsprotokoll, das eine Standardnachrichtenstruktur für die Kommunikation zwischen Netzwerkknoten unter der Steuerung einer elektronischen Steuereinheit (ECU) bereitstellt. Jede Nachricht auf einem Aktuatormodul stellt einen Knoten dar, der eine Standardkennung hat, die Nachrichtenpriorität, Daten und Steuerquelle angibt. Dies ermöglicht den Plug-and-Play-Austausch unterstützender Geräte, die sich dasselbe Netzwerk teilen und der Messaging-Struktur entsprechen.
Abbildung 1 zeigt ein typisches CAN-Bus-Netzwerk. Es zeigt vier Aktuatoren mit eingebauter CAN-Bus-konformer Intelligenz. Jeder Aktuator hat zwei Drähte – einen, der mit einer externen Stromquelle verbunden ist, und den anderen, der mit der Steuerquelle kommuniziert. Der grüne Kasten stellt Sensoren oder andere Komponenten dar, die auch ohne externe Relais mit der Stromquelle und dem Kommunikationsnetzwerk verdrahtet werden könnten. Die orangefarbene Linie stellt den zweiadrigen Bus dar, der die für das System benötigte Niederspannung überträgt, und die blaue Linie stellt die zwei Drähte dar, die für den Informationsaustausch verwendet werden. Dies stellt eine dramatische Verbesserung gegenüber herkömmlichen Fahrzeugnetzwerken dar, zumindest in folgender Hinsicht:
• Die Stromversorgung wird über eine gemeinsame Verkabelung verteilt, sodass keine separate Verkabelung zwischen jedem Gerät und der Stromquelle erforderlich ist.
• Die Umschaltung ist in die Stellantriebselektronik integriert, wodurch umständliche externe Umschaltungen und Anschlüsse usw. entfallen. Alle Befehle werden im Stellantrieb ausgeführt.
• Informationen fließen von jedem Gerät über den Netzwerkbus zu einer ECU, sodass keine unabhängigen Verbindungen zwischen den Geräten und der ECU erforderlich sind.
• Andere Geräte, die möglicherweise in das System integriert werden, werden auf die gleiche Weise mit dem Netzwerk verbunden, wodurch die Notwendigkeit für separate Verkabelung, Steuerung und zusätzliche Konfiguration entfällt.
• Ein typisches CAN-Netzwerk unterstützt bis zu 256 Knoten, einschließlich mehrerer Aktuatoren oder anderer Geräte an jedem Knoten – etwas, das mit einem herkömmlichen Netzwerk so gut wie unmöglich wäre.
Das Ergebnis ist eine effiziente, kompakte Lösung, die beispiellose Überwachungs- und erweiterte Steuerungsfunktionen bietet. Aktuatoren sind so programmiert, dass sie dieselbe Sprache wie das Steuergerät sprechen, was die Kommunikation über einen gemeinsamen Bus ermöglicht. Dies unterscheidet sich dramatisch von herkömmlichen elektronischen Architekturen, die für jeden Vorgang ein eigenständiges Steuergerät benötigen. Dies ermöglicht auch komplexere Steuerungsstrategien, wie z. B. den Einsatz desselben Aktuators in mehreren Anwendungen.
Eingebettete Positionssteuerung
Ein Aktuator mit eingebettetem CAN-Bus kann Positionssteuernachrichten übertragen. Ein 14-Bit-Signal informiert den Benutzer über die tatsächliche Hubposition des Aktuators zwischen 0,0 mm und einem vollständig ausgefahrenen Hub, dessen Genauigkeit von der Hublänge und den mechanischen Toleranzen eines bestimmten Modells abhängt. Die Genauigkeit des Signals selbst könnte beispielsweise 0,1 mm/Bit betragen, was zu einer Positionsgenauigkeit des Gesamtsystems von +/- 0,5 mm oder besser beitragen könnte, abhängig von Toleranzen in der Getriebe-, Kugelmutter- und Spindelanordnung.
