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