Сетевые адаптеры протокол CANopen

Что такое CANopen

CANopen представляет собой прикладной протокол промышленной связи, работающий поверх сети CAN. Технология CAN определяет передачу кадров, электрический интерфейс и правила доступа устройств к общей линии. CANopen дополняет её едиными правилами адресации, настройки, управления состояниями узлов, передачи технологических данных и диагностики.

CANopen был разработан в начале 1990-х годов в рамках европейского исследовательского проекта ASPIC. Целью проекта было создание открытой коммуникационной системы для модульных машин и производственных установок на базе сети CAN.

В 2024 году технологии CANopen исполнилось 30 лет. Протокол продолжает использоваться и развиваться. Помимо классического CANopen CC существует CANopen FD, рассчитанный на работу поверх CAN FD и передачу кадров с увеличенным объёмом данных.

Основу протокола составляет коммуникационный профиль CiA 301. Он описывает словарь объектов устройства, сетевое управление NMT, передачу данных через PDO и SDO, сообщения синхронизации, контроля состояния и аварийной диагностики.

Наличие обычного CAN-интерфейса у контроллера ещё не означает поддержку CANopen. Для работы с каплером ПЛК или отдельный коммуникационный модуль должен поддерживать стек CANopen и выполнять функции сетевого менеджера.

Изначально CANopen создавался для управления движением и модульными машинами. Сегодня протокол применяется в станках, упаковочном оборудовании, конвейерных системах, подъёмных механизмах, робототехнике, мобильной технике, медицинском оборудовании, железнодорожных системах, судовой электронике и автоматизации зданий.

Как устроена сеть CANopen

Для физического обмена обычно используется двухпроводная линия CAN с проводниками CAN_H и CAN_L. Устройства подключаются к общей линейной магистрали. Ответвления допускаются, но их длина должна быть ограничена в соответствии со скоростью передачи и требованиями к конкретной сети.

На двух физических концах магистрали устанавливаются оконечные резисторы. Как правило, применяется сопротивление 120 Ом между CAN_H и CAN_L. Терминаторы уменьшают отражение сигнала и обеспечивают устойчивую работу линии. Их количество зависит не от числа подключённых устройств, а от наличия двух концов магистрали.

Все узлы одного сегмента должны использовать одинаковую скорость передачи. Чем выше скорость, тем меньше допустимая длина линии. Адаптеры CREVIS поддерживают скорости от 10 до 1000 Кбит/с, однако доступные значения и допустимую длину кабеля необходимо проверять по документации всей системы.

Каждому устройству назначается собственный Node ID. Повторение адресов в одном сегменте не допускается. Способ задания адреса и скорости зависит от исполнения оборудования: могут использоваться переключатели, программный конфигуратор или параметры, сохранённые в памяти устройства.

К одной сети могут подключаться удалённые станции ввода-вывода, сервоприводы, преобразователи частоты, энкодеры, датчики, панели оператора, контроллеры движения и другие устройства. Профили CANopen стандартизируют представление параметров и технологических данных, упрощая совместное использование оборудования разных производителей.

Как происходит обмен по протоколу CANopen

Работа системы CANopen состоит из двух этапов: сначала оборудование настраивают в проекте ПЛК, затем запускают передачу технологических данных. На этапе настройки используется файл EDS, а во время работы устройства обмениваются сообщениями PDO, SDO и служебными сообщениями CANopen.

Настройка каплера в проекте ПЛК

Каждое устройство CANopen имеет словарь объектов, Object Dictionary. Это структурированный перечень доступных параметров и данных. В нём находятся настройки связи, параметры входов и выходов, диагностическая информация и сведения о поддерживаемых способах обмена.

Чтобы инженерная программа могла правильно распознать каплер и показать его параметры, используется файл EDS, Electronic Data Sheet. Он представляет собой электронное описание CANopen-устройства и содержит сведения о модели, поддерживаемых скоростях и доступных объектах.

Перед созданием рабочей конфигурации EDS импортируют в среду программирования ПЛК или конфигуратор CANopen. После этого каплер добавляют в проект, назначают ему Node ID, задают скорость сети и настраивают передачу входных и выходных данных.

EDS нужен только при проектировании и настройке. Во время работы системы этот файл по сети не передаётся.

Запуск станции CANopen

В современной терминологии головной контроллер обычно работает как NMT Manager, то есть управляет состояниями сетевых узлов. Каплер CREVIS является NMT Controlled Device. В старой документации эти роли могут называться Master и Slave.

1. После подачи питания каплер проверяет установленные модули и формирует внутренний образ входов и выходов.
2. Каплер переходит в состояние Pre-operational и сообщает контроллеру о завершении запуска.
3. В этом состоянии контроллер может проверить и изменить параметры устройства.
4. После завершения настройки контроллер переводит каплер в состояние Operational.
5. В состоянии Operational начинается передача технологических данных между ПЛК и станцией ввода-вывода.

Передача входных и выходных данных

Для регулярного обмена технологическими данными используются PDO, Process Data Object. Через них передаются состояния дискретных входов, результаты аналоговых измерений и команды для выходных каналов.

Названия TPDO и RPDO определяются относительно каплера:

• TPDO, Transmit PDO, передаются от каплера к ПЛК. Обычно в них находятся данные входных модулей;
• RPDO, Receive PDO, поступают от ПЛК к каплеру. Обычно они содержат команды для выходных модулей.

Во время работы каплер считывает данные установленных модулей по внутренней шине и передаёт их контроллеру через TPDO. ПЛК выполняет программу управления и отправляет сформированные значения выходов через RPDO. Каплер принимает эти данные и передаёт их соответствующим выходным модулям.

Передача PDO не обязательно строится как последовательный опрос всех станций. Данные могут отправляться:

• синхронно после получения общего сообщения SYNC;
• периодически через заданный интервал;
• по событию, например при изменении состояния входа.

Режим передачи выбирают при настройке сети с учётом возможностей ПЛК, каплера и требований системы управления.

Настройка, диагностика и контроль связи

Для чтения и изменения отдельных параметров словаря объектов используются SDO, Service Data Object. Через SDO контроллер может получить настройку устройства, изменить параметр или прочитать диагностическую информацию. Для постоянной передачи всего образа входов и выходов SDO обычно не применяются.

Состояние связи контролируется сообщениями Heartbeat. Если каплер перестаёт передавать такие сообщения, контроллер может определить, что устройство отключено или связь с ним нарушена. При обнаружении внутренней ошибки каплер может отправить аварийное сообщение EMCY.

Сетевые адаптеры CANopen CREVIS

При подборе корзины учитывают аппаратную серию, количество устанавливаемых модулей, суммарный объём входных и выходных данных, потребление по внутренней шине и необходимое количество PDO. Физическая последовательность модулей должна соответствовать конфигурации станции в проекте.

Для построения новой станции рекомендуется GN-9261 серии G. Он поддерживает до 63 модулей расширения и до 252 байт входных и выходных данных.

NA-9161 и NA-9261 относятся к снятой с производства серии S. Эти модели представлены в разделе для обслуживания установленного оборудования и подбора замены. При переходе с серии S на серию G необходимо проверить состав корзины, поскольку каплер и подключаемые к нему модули должны относиться к одной аппаратной серии.

CANopen и другие протоколы на базе CAN

CANopen не следует отождествлять с обычным CAN. CAN определяет передачу кадров по физической линии, а CANopen устанавливает структуру данных, состояния устройств, сетевое управление и стандартные способы настройки.

Сеть DeviceNet также работает на базе CAN, но использует прикладной протокол CIP. CANopen и DeviceNet имеют разные правила конфигурации и форматы обмена, поэтому устройства этих протоколов нельзя объединять в одном сегменте без шлюза.

Частые вопросы о CANopen

Достаточно ли обычного CAN-порта у ПЛК?

Нет. Контроллер должен поддерживать CANopen Manager или подключаться к сети через специализированный коммуникационный модуль. Наличие физического CAN-интерфейса без программной поддержки CANopen недостаточно.

Можно ли установить разные скорости на устройствах одного сегмента?

Нет. Все узлы одной CANopen-сети должны работать на одинаковой скорости. Несовпадение настроек приводит к ошибкам связи или полной невозможности запустить обмен.

Что означает ограничение 252 байта?

Это максимально поддерживаемый объём входных и выходных технологических данных адаптера, а не скорость CANopen. Аналоговые и специальные модули обычно занимают больше байтов, чем дискретные, поэтому при подборе корзины учитывают не только количество модулей, но и состав каналов.

Можно ли объединить модули серий G и S в одной корзине?

Нет. Каплер и установленные справа от него модули должны относиться к одной аппаратной серии. При этом отдельные станции серий G и S могут работать в общей сети CANopen как самостоятельные узлы.

Специалисты ООО «КРЕВИС» помогут подобрать сетевой адаптер CANopen, совместимые модули ввода-вывода и современную замену оборудованию серии S. Для подбора желательно указать модель ПЛК, состав корзины, требуемый объём данных, скорость сети и длину линии.