Sieci przemysłowe i

systemy rozproszone

Sieć przemysłowa CAN-Open

Dariusz Zeman

MTA Gr: I

Czym jest CANOpen?

CANOpen jest nowoczesnym protokołem

komunikacyjnym wykorzystywanym przede

wszystkim w sieciach przemysłowych.

CANOpen zyskał dużą popularność między

innymi dzięki otwartemu protokołowi. Każdy

producent może wykorzystać go w swoich

urządzeniach, bez uiszczania opłat

licencyjnych.

CANOpen jest zestandaryzowaną siecią

pracującą w systemach wbudowanych.

System ten został opracowany przez firmę

Bosch wraz z grupą CiA (CAN in

Automation) zrzeszającą

międzynarodowych użytkowników i

producentów urządzeń.

Czym charakteryzuje się CANOpen?

Protokół CANopen zapewnia kontrolę

błędów, przesyłanie pilnych wiadomości

oraz wykrywanie uszkodzeń w sieci.

Specyfikacja CANopen określa 2

mechanizmy wykrywania rozłączenia

urządzeń systemu wykorzystujące specjalną

wiadomość kontrolną, która zawiera

niezmienialny identyfikujący kod urządzenia

NMT.

Mechanizm kontroli błędów i

uszkodzeń

Mechanizm ochronny wykorzystuje odległe ramki

przesyłane czasowo do urządzeń. Mechanizm ten

polega na tym że urządzenie podrzędne NMT

(slave) odpowiada odległą ramką wiadomością

kontrolną. Jeżeli urządzenie nadrzędne nie zapyta o

błąd w określonym czasie urządzenie podrzędne

zrozumie to jako wyłączenie urządzenia

nadrzędnego i wprowadzi do aplikacji czas

ochronny. Urządzenie nadrzędne NMT może również

zapytać o błąd i uzyskać odpowiedź o wadliwie

działającym węźle. Czas ochronny urządzenia

definiuje się jako czasową transmisję ramek błędów.

Wskaźnik czasu aktywności urządzenia określa jego

czas ochronny. Czas ochronny i czas aktywności

obiektu jest różny dla każdego urządzenia

podrzędnego NMT. Wysyłana ramka błędu zawiera

specjalny bit (toggle-bit), który wskazuje, że

aplikacja jest wciąż aktywna.

Mechanizm Heartbeat

Używa podobnej wiadomości błędu, która dla

odróżnienia jest transmitowana czasowo przez

urządzenie podrzędne NMT. Odbiorca wiadomości

przechwytuje ją i zaznacza to w aplikacji.

Wysyłający wiadomość określany jest jako

Heartbeat czeka określony czas na wiadomość

kontroli błędów Heartbeat. Nie jest dozwolone aby

urządzenia stosowały oba mechanizmy kontroli

błędów z tym samym czasem startu nierównym 0.

Warstwy protokołu CANOpen

CANOpen określa model OSI (Open

Systems Interconnection), warstwy wyższe

oraz warstwę sieciową. Standard CANopen

składa się z systemu adresowania, kilku

mniejszych protokołów komunikacyjnych
oraz warstwy aplikacji określonych przez

profil danego urządzenia. Niższy poziom

realizacji protokołu opisuje warstwę fizyczną,

którą jest najczęściej Controller Area

Network (CAN), choć spotyka się także

urządzenia wykorzystujące inne środków

łączności (np.Ethernet Powerlink, EtherCAT).

Protokół wysokiego poziomu

CANopen bazuje na opracowanym na poczatku

lat 80. XX wieku protokole CAN, dedykowanym

do zastosowań w aplikacjach samochodowych.

CAN jest bardzo elastyczny. Ma niezwykle silną i

odporną warstwę fizyczną, spełniającą wysokie

wymogi kompatybilności elektromagnetycznej.

Duża liczba mikrokontrolerów CAN

wykorzystywanych i sprzedawanych w

przemyśle samochodowym sprawia, że układy

te są tanie i łatwo dostępne. To z kolei powoduje,

że protokół ten staje się atrakcyjnym

rozwiązaniem sieciowym dla innych branż.

Podstawowe urządzenie CANopen i profile

komunikacyjne opisane są w specyfikacji

301 CiA wydanej przez organizację CiA. Profile

dla bardziej wyspecjalizowanych urządzeń

bazujące na profilu podstawowym są określone

przez inne standardy organizacji CiA, takie jak

CIA 401, CIA 402.

Wybrane profile zdefiniowane
przez CANOPen:
CiA 401 - Moduły wejść/wyjść
CiA 402 - Napędy
CiA 404 - Przemienniki energii
CiA 405 - Sterowniki PLC
CiA 406 - Enkodery
CiA 410 - Inklinometry
CiA 416 - Urządzenia kontroli drzwi
CiA 417 - Urządzenia kontroli wind
CiA 418 - Moduły bateryjne
CiA 419 - Ładowarki baterii
CiA 425 - Moduły stosowane w
medycynie

Zastosowanie CANOpen

Sieci CANopen mają zastosowanie w wielu

dziedzinach a w szczególności w systemach obsługi

maszyn i urządzeń pracujących jako systemy

wbudowane. CANopen instalowany jest także w

pojazdach (samochody, kolej, statki, samoloty), w

urządzeniach medycznych, w systemach

informacyjnych (np.informacja dla podróżnych) itp.

CANopen znajduje również zastosowanie w bardziej

złożonych systemach używanych w fabrykach w

procesie produkcji. CANopen stosuje się w

większych systemach ogrzewania i chłodzenia (np.

klimatyzacja) oraz w różnego rodzaju windach,

taśmociągach, mechanizmach kontroli drzwi i

sterowania silników. 

Warstwa fizyczna w sieci CANOpen – CAN

CANopen wykorzystuje interfejs CAN jako warstwę

sprzętową (fizyczną).

Typy złącz i pinologia w CANOpen 

Poniżej przedstawiona została pinologia dla złącza

typu DB9 oraz złącza okragłego 5-pinowego.

Komunikacja w sieci CANOpen 

Protokół CANopen pozwala kierować dane

jeden do jednego wymieniane pomiędzy

węzłami. Funkcjonalność sieci CANopen

zapewnia prostą realizację, implementację,

diagnostykę oraz specyficzne mechanizmy

startu systemu i wykrywania błędów.

CANopen zapewnia cykliczną oraz

wymuszoną zdarzeniami komunikację.

Zapewnia ta zredukowanie obciążenia

magistrali do minimum i zapewnia krótkie

czasy reakcji.

Przesyłanie danych praktycznie bezbłędnie

zapewnione jest przez niewielką prędkość

transmisji oraz specyfikacje warstwy sprzętowej

CAN. Oznacza to również zminimalizowanie

wprowadzanych zakłóceń elektromagnetycznych

oraz niski koszt przewodów.

Zależność szybkości pracy od

długości przewodów przedstawiona

jest w tabeli:

Zalety systemu CANOpen

• System otwarty oraz sprzedawany

niezależnie od siebie 

• Zapewnia współpracę wielu urządzeń
• Sterowanie urządzeń w czasie rzeczywistym
• Modułowa budowa systemu zapewnia łatwe

dołączanie urządzeń

• Łatwy dostęp do kontroli urządzeń
• Cykliczna oraz wymuszona zdarzeniami

komunikacja 

Istotne właściwości:

• Komunikacja za pomocą protokołu

CANOpen

• Długość do 5.000 m
• Prędkość przenoszenia 1 MB/s
• Maks. 127 węzłów (30 węzłów/segment)
• Maks. 120 słów, czytanie/pisanie

elementów Process Data Objects

• Komunikacja PLC przez instrukcję

FROM/TO

Podsumowanie

Zalety systemu:
• System otwarty oraz sprzedawany

niezależnie od siebie

• Zapewnia współpracę wielu urządzeń
• Sterowanie urządzeń w czasie

rzeczywistym

• Modułowa budowa systemu zapewnia

łatwe dołączanie urządzeń

• Przyjazna obsługa systemu

Cechy systemu:
• Automatyczna konfiguracja sieci
• Łatwy dostęp do kontroli urządzeń
• Synchronizacja działania urządzeń
• Cykliczna oraz wymuszona zdarzeniami

komunikacja

• Synchroniczna akwizycja danych

odpowiedzi na dane

The end