Aplikacje przemysłowych sieci o otwartym kodzie mogą być bardziej opłacalne niż rozwiązania komercyjne i pozwalają uniknąć problemów ze stosami protokołów komunikacyjnych.
Protokół komunikacyjny czasu rzeczywistego CAN (Controler Area Network) jest już bardzo dobrze znany w branży samochodowej, gdzie sprawdził się w ciągu ostatnich kilkunastu lat jako element komunikacji między elektronicznymi modułami, obsługującymi mechanizmy w najnowocześniejszych samochodach. Stosunkowo niskie koszty implementacji przy bardzo wytrzymałej i odpornej warstwie fizycznej czynią ten protokół również bardzo atrakcyjnym narzędziem do zastosowań przemysłowych. Protokół wysokiego poziomu CANopen, bazuje bezpośrednio na podstawowym protokole CAN i został opracowany z myślą o zastosowaniu w przemysłowych sieciach wbudowanych, lokalnych. CANopen to standard europejski ? EN 50325-4. Zapewnia on integratorom i klientom przemysłowym swobodę organizacji sieci i dołączania do niej nowych urządzeń w praktyce wg zasady plug-and-play, bez większych problemów z kompatybilnością i otwartością standardu. Jednak przy niektórych typach aplikacji i obsłudze specjalistycznych maszyn, jak: krosna tkackie czy wytłaczarki, niezbędne są dodatkowe własności protokołu sieciowego. To tzw. wyższy poziom standaryzacji zdefiniowany bezpośrednio w danym urządzeniu i jego profilu aplikacyjnym. Ich opracowaniem zajmuje się grupa użytkowników i producentów urządzeń standardu CAN (CiA ? CAN In Automation), zrzeszająca obecnie ok. 520 podmiotów. Profile aplikacyjne ułatwiają działanie wszystkim osobom zaangażowanym na etapach produkcji, instalacji i integracji sieciowej zaawansowanych, specjalistycznych urządzeń.
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.
Pierwotnie protokół CAN wykorzystywał w największym stopniu tylko warstwę 1. (fizyczną) i 2. (łącza danych) referencyjnego 7-warstwowego modelu ISO/OSI. By wykorzystać go w pełni jako standard komunikacji dla innych sieci automatyki, konieczne było jego rozbudowanie o funkcjonalności wyższych warstw tego modelu. Dlatego też na początku lat 90. ubiegłego stulecia pojawiła się idea protokołu CANopen, wykorzystującego narzędzia i funkcje dostępne we wszystkich siedmiu warstwach modelu ISO/OSI, jako rozwiązania komunikacyjnego dla maszyn przemysłowych i modułów sieciowych systemów automatyki przemysłowej. Uzyskano w ten sposób protokół gwarantujący bardzo duży poziom elastyczności przy budowie i integracji sieciowych systemów sterowania i monitoringu, dzięki czemu znacznie zwiększono obszar jego zastosowań. Protokół CANopen definiuje obiekty komunikacyjne do transmisji danych, obiekty przetwarzania danych oraz obiekty konfiguracyjne do przesyłania danych konfiguracyjnych dla modułów systemowych. Istnieje również obiekt synchronizacyjny, ułatwiający synchronizację tworzonych sieci.
Pozostałe obiekty, takie jak znacznik czasu, obiekt alarmowy oraz wiadomości o błędach sterowania, czynią standard CANopen bardzo elastycznym, z możliwością łatwego dopasowania się nawet do wymagających aplikacji.
Dzięki wykorzystaniu w nim wyższych warstw modelu ISO/OSI w protokole zaaplikowano ponadto zaawansowane narzędzia zarządzania siecią, umożliwiające definiowanie priorytetów i stanów pracy różnych modułów sieciowych w celu lepszego ich monitorowania i sterowania.
O ile standard CANopen stanowi swego rodzaju fundament zasad komunikacji pomiędzy wszystkimi urządzeniami w sieci sterowania, do praktycznej realizacji ich przyłączania wg wspomnianej wcześniej zasady plug-and-play niezbędne są definicje dodatkowych procedur. Zasada ta jest we współczesnych technikach sieciowych priorytetem; integratorzy i użytkownicy systemów sterowania nie lubią poświęcać czasu na podstawowe konfigurowanie nowych modułów odłączanych i dłączanych od sieci. To powinien ?załatwiać? protokół, który uzbrojony w już zdefiniowane odpowiednie profile dla dołączanych/odłączanych urządzeń, automatycznie ustala podstawowe ustawienia interfejsu do sieci, zależnie od obsługiwanej aplikacji. Można więc stwierdzić: czym większy stopień standaryzacji komunikacji sieciowej, tym mniej dodatkowych procedur integracyjnych urządzeń i modułów sieciowych. Wspomniane profile urządzeń dla standardu CANopen dokładnie określają, jaki rodzaj obiektów komunikacyjnych i aplikacyjnych musi być obsługiwany w sieci, aby dane urządzenie działało poprawnie. Ponadto zapisano w nich specyfikację charakterystycznych dla danego urządzenia/aplikacji danych oraz zasady, według których urządzenie będzie standardowo reagować na wiadomości przychodzące z sieci sterowania/monitoringu. Jeżeli takie standardowe reakcje nie będą zadowalające dla klienta-użytkownika, producenci czy integratorzy mogą je rekonfigurować.
Profile urządzeń i aplikacji do zastosowań w przemyśle
Poza licznymi profilami urządzeń dostępnymi dla sieci CANopen (dla modułów we/wy, elektrycznych i hydraulicznych napędów, różnych czujników i enkoderów), organizacja CiA publikuje również wiele profili aplikacyjnych dla konkretnych zespołów maszynowych i modułów urządzeń, takich jak np.: podajniki do maszyn tkackich, kolimatory do medycznych urządzeń wizyjnych czy wyciągarki, piły itp. Standaryzacja interfejsów komunikacyjnych ma tu szczególne znaczenie, wziąwszy pod uwagę fakt, iż na rynku działa wielu producentów tego typu maszyn i urządzeń.
Organizacje CiA i Euromap opracowały i dostarczają profil aplikacyjny np. dla wytłaczarek, który jest ogólnie dostępny z poziomu ich stron WWW. Ponieważ dość często zdarza się, że takie urządzenia są instalowane lub wymieniane przez osoby o niskich kwalifikacjach w zakresie technologii sieciowych, procedury jej integracji z systemem monitoringu i sterowania powinny być w jak najwyższym stopniu zautomatyzowane.
Tzw. rodzina profili (kilka profili urządzeń tworzy jeden profil aplikacyjny) zawiera specyfikacje parametrów np. dla fałdownic, pił, ciągarek, pulpitów kalibracyjnych itp. Wspomniane moduły pomocnicze aplikacji obróbki rur komunikują się z wytłaczarką główną poprzez sieć CANopen. Poza możliwością dołączania i odłączania urządzeń procesowych na zasadzie plub-and-play, użytkownicy mogą konfigurować w poszczególnych modułach dodatkowe funkcje i parametry, jak na przykład zadawanie granicznych lub wymaganych poziomów temperatur, ciśnienia czy długości.
Profile urządzeń i aplikacji dla standardu CANopen nie są przypisane jedynie do niego, ale mogą być z powodzeniem mapowane (przenoszone) do innych systemów komunikacyjnych. Oficjalne grupy użytkowników standardów Ethercat, Ethernet-Powerlink, Safetynet-p i Varan zaadaptowały profile CANopen do swoich protokołów bazujących na standardzie Ethernet. Podobna sytuacja ma odniesienie również do niektórych urządzeń dedykowanych dla standardu ModbusTCP.
Organizacja CiA wciąż pracuje nad przygotowaniem nowych profili do innych popularnych aplikacji przemysłowych.
Korzyści stosowania standardów
Wielu użytkowników systemów automatyki wciąż jest przekonanych, że standaryzacja protokołów komunikacyjnych i interfejsów sieciowych prowadzi do zaniku konkurencji. To myślenie oczywiście jest błędne. Protokół komunikacyjny nie powinien być elementem konkurencji producentów, ale mobilizować ich do konkurowania na innych polach ? funkcjonalności, prostoty konfiguracji i użytkowania, niezawodności. Dzięki wprowadzeniu jednolitego standardu komunikacyjnego producenci modułów maszynowych unikają problemów związanych z niekompatybilnością informacyjną między różnymi maszynami, co przynosi realne oszczędności. Otwierająsię również przed nimi nowe rynki. Możliwe jest również zwiększenie liczby produkowanych modułów i poszerzenie ich asortymentu, co znów korzystnie wpływa na obniżkę kosztów produkcji i wzrost zysków ze sprzedaży.
Z kolei integratorzy systemów maszynowych dzięki standaryzacji zyskują cenną pomoc w obsłudze podobnych, powtarzających się procesów: obiekty i ustawienia dla wszystkich modułów realizujących podobne funkcje zostają z punktu widzenia sieci CANopen takie same, dzięki czemu nie muszą oni za każdym razem zagłębiać się w szczegóły interfejsu komunikacyjnego. Wyeliminowano wiele kłopotliwych i utrudniających codzienną pracę integratorów czynności związanych z obsługą i dopasowaniem interfejsów sieciowych, ułatwiając i przyspieszając ich pracę.
Parametry takie jak temperatury czy długości zawsze zlokalizowane są w profilach w tym samym miejscu, a jednostki typu °C czy mm również są dostępne w tych samych, ustalonych pozycjach. Oczywiście sytuacja ta ma miejsce zarówno przy dołączaniu nowych maszyn i urządzeń do sieci, jak i w przypadku modernizacji modułów już zainstalowanych.
Bardzo istotną korzyścią wynikającą z zastosowania w komunikacji standardu sieciowego CANopen jest dostępność dla niego bardzo licznych narzędzi programowych. Na rynku branży automatyki pełno jest różnego typu narzędzi, zwykle tanich, ułatwiających pracę zarówno producentom urządzeń i modułów sterowniczych, jak i ich późniejszym integratorom. W przypadku systemów/protokołów firmowych, a nawet niektórych innych otwartych standardów komunikacji sieciowej, uzyskanie takiego wsparcia narzędziowego jest znacznie trudniejsze lub wręcz niemożliwe.
Standard CANopen nie jest własnością jednej firmy i to jedno z podstawowych źródeł jego sukcesu w tym zakresie. Konkurencja różnych firm oferujących z kolei narzędzia programowe do integracji systemów sieciowych w tym standardzie sprzyja wzrostowi ich jakości i funkcjonalności. Zastosowanie standardu CANopen to również oszczędności związane z ujednoliceniem procedur testowych i weryfikacji jakości systemu przy produkcji jego modułów, uruchamianiu całej sieci i później w trakcie jej eksploatacji.
Dotychczas mowa była przeważnie o korzyściach dla producentów modułów sieciowych i integratorów systemów w standardzie CAN-open, trzeba jednak pamiętać, że korzyści z wyboru tego standardu do obsługi swoich aplikacji odczuwają również ich użytkownicy. Pierwsza z nich to możliwość wyboru dostawcy konkretnych maszyn lub modułów sieciowych ? bez wiązania się na przyszłość tylko z jedną firmą. Taka sytuacja wymusza wzrost konkurencyjności pomiędzy dostawcami i integratorami systemów sieciowych, dzięki czemu poszerza się i polepsza jakościowo oraz funkcjonalnie oferta urządzeń dostępnych na rynku. To z kolei stwarza bardzo korzystną sytuację dla klientów-użytkowników, którzy mogą optymalnie dopasować konfigurację sieci do swoich wymogów.
Potwierdzenia zgodności
Grupa użytkowników i producentów urządzeń standardu CANopen ? CiA oferuje możliwość certyfikacji oferowanych modułów i urządzeń zgodnych z CANopen. Certyfikat potwierdza, że zakupione i zainstalowane w systemie sieciowym urządzenia mają zaimplementowany prawidłowo protokół komunikacyjny CANopen, co gwarantuje poprawność i niezawodność komunikacji modułów sieciowych.
Grupa CiA
Organizacja CiA (CAN in Automation) zrzesza użytkowników i producentów urządzeń systemowych standardu komunikacyjnego CAN. Grupa ta powstała w 1992 r. jako organizacja non-profit i w 2008 r. liczyła ponad 520 członków, którzy zajmują się opracowywaniem profili urządzeń, rozwojem funkcjonalności protokołu, poprawą jego bezpieczeństwa, niezawodności i otwartości. Reprezentanci Grupy CiA są również członkami gremiów standaryzujących IEC oraz ISO. Pomocnicza jednostka komercyjna organizacji CiA zajmuje się również organizacją seminariów i konferencji poświęconych systemom i protokołowi CAN i CANopen. Organizacja publikuje ponadto własny newsletter i instrukcje do urządzeń CAN w postaci cyfrowej. Jest również dystrybutorem narzędzi i systemów testujących urządzenia standardu CANopen.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Andrzeja Ożadowicza
