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白皮書丨用CANopen實現智能自動化

供稿:宜鼎國際股份有限公司 2020/3/9 15:37:40

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  • 關鍵詞: CANopen 宜鼎國際
  • 摘要:CANopen能夠在工業物聯網(IIoT)中實現復雜的智能自動化解決方案。

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CANopen能夠在工業物聯網(IIoT)中實現復雜的智能自動化解決方案。

介紹   

自動化中使用的系統包括大量的設備,每個設備都有多個傳感器、電機以及接收和傳輸信息的其他組件和微控制器。為了確保所有這些組件和設備之間的必要協調以及對它們的有效監控,一個復雜的通信系統至關重要。

CAN總線技術是一種標準化的串行通信協議,已發展成為廣泛行業(如航空、汽車行業和工業自動化)的首選標準。在這些行業和應用中,存在許多更高層的協議,每一個都有自己的專業和行業重點。在自動化領域,上層協議CANopen是首選協議之一,隨著智能自動化和物聯網(IoT)的發展,它的使用越來越普遍。

然而,擴展現有的系統或硬件以支持CANopen可能是一個挑戰,而且在滿足智能自動化應用程序的堅固性需求方面更是如此。

背景   

『 CAN Bus 』

控制器局域網(CAN總線)是Bosch公司最初開發的一種內部通信網絡,作為汽車內部微控制器和設備之間通信的標準。1993年,國際標準化組織采用了CAN總線作為國際標準,此后CAN總線已成為汽車工業及其他行業日益流行的標準。

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CAN總線系統中由一根絞合線連接的CAN設備。

CAN總線的主要優點之一是它允許設備和微控制器之間的通信,而無需主機。通過CAN總線,設備通過一根單絞線連接,網絡中任何設備發送的信號由CAN總線連接的所有其他設備接收。相反,每個消息中的標識符用于確定通過CAN總線發送的消息的預期接收者。

這其結果是一個高效的系統,只需要很少的布線,沒有中央主機,并且可以處理大量連接的設備。

『 CAN高級協議 』

CAN高級協議可以大致描述為語言,每種語言都使用CAN總線作為通用字母表。然而,與人類語言不同的是,決定使用哪種高級協議的是特定協議更流行或對特定應用更有用的預期應用程序。

有很多基于CAN總線的高級協議,其中許多是專門為特定行業定制,甚至供單一制造商使用的。一些最常見的標準化高級協議是CANopen、DeviceNet和SAE J1939。更專業的協議包括,例如GMLAN(通用汽車)、RV-C(休閑車)和CubeSat空間協議(CubeSats)。

『 自動化中的CAN 』

雖然CAN總線最初是作為車內通信系統的標準,但后來它已發展成為自動化領域的流行標準。在這樣的應用中,CANopen高級協議變得尤為突出。

CANopen是由CAN-in-Automation(CiA)開發和支持的,CiA是一個通過CANopen興趣小組為CAN用戶和制造商提供服務的國際非盈利組織。

CANopen標準最初設計用于面向運動的機器控制系統,現在廣泛應用于自動化領域。例如,它是一種流行的協議,可以在機器人系統中、工廠傳送帶旁以及整個工業機械中使用。然而,CANopen并不局限于自動化;它還用于醫療保健和汽車工業等行業。

隨著自動化程度越來越高的智能工廠的發展趨勢,CAN總線和CANopen協議將在未來發揮更大的作用。

『 CANopen設備 』

Object Dictionary

CANopen設備通常被稱為節點,它們都需要有一個對象字典——一個標準化的表,存儲與節點及其操作相關的數據。例如,每個CANopen節點的對象字典都包含用于標識目的的設備類型條目。其他對象字典索引可以包含諸如傳感器讀數或處理狀態之類的信息,例如,當前是否正在發送信號或設備操作當前是否處于活動狀態

CANopen通信

CANopen節點可以根據主/從、客戶機/服務器和生產者/消費者三種不同的體系結構或通信模型相互通信,從而確定節點之間的關系。

在主/從通信模型中,其中一個CANopen節點從“從”節點發送和請求數據,而“從”節點基本上只遵循其“主”節點的指令。在客戶機/服務器模型中,同時,“客戶機”從“服務器”讀寫數據。最后,在消費者/生產者通信模型中,“生產者”將數據廣播到所有其他節點,即生產者數據的“消費者”。

此外,CANopen節點通過不同的通信服務進行通信,每個通信服務適合于通信特定的命令。例如,網絡管理通信服務用于通信CANopen節點的期望狀態(例如,關閉所有電機或啟動傳感器)。

另一個關鍵的通信服務是Heartbeat,節點使用它定期向其他節點發送“Heartbeat”,從而表明它們仍然處于活動狀態

CANopen消息格式

由CANopen節點發送的消息遵循標準化的消息格式,該格式向接收節點表明哪個節點正在發送消息、消息的長度以及實際的數據傳輸(消息)。無論使用何種通信模型或通信服務,此標準化都適用于所有CANopen消息。

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     CANopen消息遵循一種標準格式,該格式標識傳輸源,每次傳輸最多中繼64位數據。

CANopen消息的第一部分包含一個11位長的CAN-ID,它標識發送設備,后面跟著一個控制位。消息的這一部分通常被稱為通信對象標識符或COB-ID。接下來的四位告訴接收設備消息的長度(即,數據長度),以便它們能夠確定消息在傳輸中的哪個點結束。CANopen消息的最后一部分是實際數據,最長可達8字節(或64位)。消息的實際長度取決于傳輸的數據類型

   挑戰   

雖然CANopen看起來是一個非常有吸引力的系統,可以在一系列應用程序中實現,也許最顯著的是在智能自動化領域,但這可能比系統集成商預期的更具挑戰性。例如,自動化環境通常會對設備的尺寸和耐用性提出苛刻的要求。將這些需求與工業環境中常見的惡劣環境結合起來,這些應用程序可能會對任何要實現的新系統造成很大的負擔。

在自動化設置或任何中大型應用程序中實現CANopen系統的困難和成本也構成了需要克服的重大障礙。

『 自動化中的應用挑戰 』

自動化領域的應用可能會給CANopen解決方案帶來廣泛而多樣的挑戰。例如,工業機器人的優化和空間效率都非常高,界面擴展空間很小。此外,這種設備的速度和精度要求設備在部件和設計方面達到最高質量標準。

智能工廠和工業物聯網(IIoT)應用中的生產線還涉及數量驚人的機器、傳感器和微控制器,所有這些都需要充分協調。如果生產線上某個地方的單個部件出現性能或可靠性方面的缺陷,所有生產風險都會逐漸停止。因此,在此類應用中實現的通信系統需要允許極端的協調,因此,在組件或設備故障的情況下,還需要性能和有效的模塊化。

『 界面擴展困難 』

智能工廠所用系統的復雜性是任何新的通信系統所要解決的關鍵挑戰之一。有了大量不同的設備,每個設備都有其定制和復雜的功能和硬件布局,實現像CANopen這樣的系統所需的接口擴展可能會令人望而生畏,甚至根本不可能。

如果這些系統中的每一個設備都需要重新設計以支持CANopen,那么與這樣一項任務相關聯的費用、時間和困難會使它接近一項不可能完成的任務,或者至少是一項從財務角度難以支持的任務。

另一個復雜的因素是,在發生硬件故障時,允許CANopen支持的定制設計給系統操作員帶來了相當大的挑戰。如果沒有足夠的模塊化,任何這樣的硬件故障風險都需要更換部件經過廣泛的重新設計過程,從而有可能導致長時間的停機和嚴重的收入損失。

『 環境挑戰 』

在自動化應用中使用的硬件和組件通常要承受相當大的壓力和長期的不利環境因素。因此,至關重要的是,所有組件都是堅固耐用的,并且采用有助于抵消其惡劣操作環境的有害影響的技術。

在自動化環境中,存在最重大風險的因素包括極端溫度、暴露于沖擊和振動、功率激增風險增加以及靜電損害。

然而,自動化應用程序的操作環境的多樣性意味著CANopen系統的實現有時只能通過很大程度的定制來考慮獨特的環境因素。例如,在某些應用中,例如在石油和采礦行業,暴露于有害污染可能對硬件完整性構成重大挑戰。

   解決   

『 CAN總線擴展卡 』

通過利用CAN總線擴展卡,可以經濟高效、靈活地解決CAN總線系統實現的硬件要求(例如,使用CANopen或SAE J1939高級協議的硬件要求)。使用標準輸入接口(如mPCIe、5針頭和M.2)和通用接口(如USB和PCI Express)的CAN總線擴展卡具有高度的靈活性,可用于各種自動化設備和設備。因此,系統運營商不必重新設計設備或硬件以適應CAN總線支持。相反,可以很容易地將擴展卡插入現有的擴展端口以提供所需的功能。

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CAN總線擴展卡使向現有系統添加CANopen支持變得容易。

『 接口和軟件支持 』

有了這樣的CAN總線擴展卡,系統集成商需要考慮很多重要因素。在更基本的層面上,如果系統集成商希望增加靈活性,則需要確保擴展卡支持其所需的更高層次協議,例如CANopen和附加協議(如SAE J1939)。同樣重要的是,無論擴展卡是基于Linux還是基于Windows的系統,無論它是運行在ARM還是x86體系結構上,都要確保擴展卡能夠在自己的軟件環境中實現。  

然而,只有確保硬件和軟件的基本兼容性才能考慮到其他關鍵因素,這些因素可能會對在系統中實現CANopen支持的時間和成本產生重大影響。為確保新的CANopen系統在令人滿意的水平上運行所必需的定制和編程通常需要大量的資源,并有可能導致嚴重的延遲。

因此,選擇能夠提供足夠軟件和售后支持的擴展卡至關重要。例如,全面的API可以大大減少為保證完整的系統集成而需要的耗時和昂貴的定制。此外,測試實用程序和示例代碼可以幫助系統集成商驗證他們的系統是否完全正常工作,是否按照規范和用戶期望運行。如果遇到意外困難,特別是復雜的系統,或內部專業知識不足,全面可靠的售后服務和定制也可以證明是非常寶貴的,以滿足最后期限和保持在預算之內。

『 專用硬件 』

CAN總線擴展卡不僅需要支持正確的連接器和接口,而且還必須滿足其應用程序的特定硬件要求。首先也是最重要的是,他們需要在物理上適應他們打算使用的設備,這可能是一個相當大的挑戰,因為在自動化設備中使用的空間往往是有限的。在某些情況下,擴展卡甚至可能需要定制設計,以滿足要安裝的設備的確切要求。

系統集成商還需要對此類擴展卡的預期操作環境進行徹底評估,以確定哪些環境因素可能對硬件完整性和使用壽命構成風險。任何接口擴展卡都必須包含能夠充分考慮這些環境和操作風險因素的技術或設計解決方案。例如,許多自動化環境可能需要能夠承受極端溫度的擴展卡。在易受沖擊和振動的設備或裝置中,擴展卡可能需要安裝有安裝孔,以保持與其主機裝置的足夠安全的連接。

通過在采購CAN總線擴展卡時考慮到這些風險因素和環境挑戰,企業可以確保在其自動化應用程序中成功實現CANopen系統,該系統提供所需的性能,而不會帶來停機風險和與硬件故障相關的成本。

『 結論 』

CANopen為企業提供了一個極好的機會,通過為未來智能自動化應用優化的高性能通信系統來改進制造過程。雖然為適應CANopen而進行的接口擴展似乎非常困難且昂貴,但通過利用提供高性能、廣泛軟件支持和自動化應用程序所需的堅固性的CAN總線擴展卡,可以成功地緩解這一挑戰。由于其模塊性和耐用性,這種擴展卡為在任何自動化系統中實現CANopen支持提供了一種簡單、經濟的方法。白皮書丨用CANopen實現智能自動化

審核編輯(王靜)
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