Schulungshandbuch 2. Einführung in die Arbeit mit CAN. für CoDeSys ab Version 2.3

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1 Schulungshandbuch 2 Einführung in die Arbeit mit CAN für CoDeSys ab Version 2.3

2 weitere Informationen finden Sie bei Schulungshandbuch 2 Einführung in die Arbeit mit CAN Stand 11/2006 Hinweis zur Gewährleistung Dieses Handbuch wurde unter Beachtung der größtmöglichen Sorgfalt erstellt. Gleichwohl kann keine Garantie für die ichtigkeit des Inhalts übernommen werden. Da sich Fehler trotz intensiver Bemühungen nie vollständig vermeiden lassen, sind wir für Hinweise jederzeit dankbar. Im übrigen behalten wir uns technische Änderungen der Produkte vor, so dass sich auch soweit Abweichungen vom Inhalt des Handbuches ergeben können. Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360

3 Was in dieser Anleitung steht Schulungshandbuch Was Sie wissen sollten Benötigte Vorkenntnisse Aufbau der Anleitung So finden Sie sich zurecht Zum Inhalt Übersicht zur Dokumentation Einleitung CAN mobil Hardware CAN Einführung Vorgeschichte und Begriffe Normen, Spezifikationen, Profile Kommunikation und Fernwartung Die physikalische Verbindung Frames Struktur Fehlersicherung Broadcast CANopen Warum CANopen? Schichtenmodell Kommunikation CANopen Netzwerk Synchronisation NMT Überwachung des Netzwerks Fehlerbehandlung bei CANopen Übersicht Objekte und Identifier CAN Praxis I Freies Protokoll Kommunikation zweier Steuerungen I

4 Vorbereitung Konfiguration Bibliotheken Die Bausteine Programmtest online Start Kommunikation Kontrolle der Kommunikation Modifikation Visualisierungen Kommunikation Netzwerkvariable Diagnose CAN Praxis II CANopen Kommunikation mit E/A Modul Vorbereitung der Steuerung E/A-Modul Diagnose CANview und CanMon CanMon und Layer Fehlerbehandlung Fehler im System Fehlerdiagnose Beispiel Modell Fräse Aufgabenstellung Programmstruktur Adressierung Konfiguration Programm Übersicht LED-Anzeigen Steuerung E/A-Module C Spezielle Module II Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360

5 C2101 (Neigungssensor 2 Achsen) Anhang Glossar Grundbegriffe und Konzepte von CoDeSys Kurzanleitung CoDeSys Wozu? Konfigurationen Verknüpfungen Buttons Dateifunktionen Online-Funktionen Allgemeine Editierfunktionen Editierfunktionen für AS Editierfunktionen für KOP Editierfunktionen für FUP Funktionen für die Traceaufzeichnung Funktionen für die Visualisierung Index III

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7 1 Was Sie wissen sollten In diesem Kapitel wird Ihnen ein Überblick über folgende Punkte gegeben: Wozu dieses Handbuch? Für wen? Welche Vorkenntnisse sind notwendig, um mit dieser Anleitung arbeiten zu können? Wie ist diese Anleitung aufgebaut? Wie finden Sie sich in der Anleitung zurecht? Welche Informationen Sie in dieser Anleitung finden. Jeder Anwender kennt das Problem: neue Software und neue Hardware. Man stößt auf viele unbekannte Punkte, die am Anfang viel Zeit und damit Geld kosten. Dieses Handbuch ist zur Einführung und zum Lernen für Anwender des Steuerungssystem ecomat mobile vorgesehen. Dieses System wurde speziell für die Anforderungen im mobilen Einsatz konzipiert. Damit gelangt man zwangsläufig zum Thema CAN, weil sich dieses Bussystem quasi zum Standard für mobile Anwendungen bei Steuerungssystemen entwickelt hat (siehe 1-5 ff). Wenn häufiger mit dem System gearbeitet wird, dann gibt es Arbeitsschritte, die sich immer wiederholen. Man beschäftigt sich nicht mehr damit, wie ein CAN- Funktionsbaustein aus einer Bibliothek eingebunden wird oder wie Variable deklariert werden sondern konzentriert sich auf den zu steuernden Prozess. Das vorliegende Handbuch ist zur Einführung gedacht und beschreibt deshalb sehr ausführlich, Schritt für Schritt, das Vorgehen bei der Programmerstellung und den Umgang mit dem CAN-Bus. Es hat zum Ziel, sich überflüssig zu machen 1.1 Benötigte Vorkenntnisse Dieses Schulungshandbuch richtet sich an Personen, die über Kenntnisse der Steuerungstechnik und SPS-Programmierkenntnisse mit IEC sowie der Software CoDeSys verfügen. Es hat die Arbeit mit CAN zum Thema. Dabei kann nicht auch noch ausführlich auf die Grundlagen von CoDeSys, der Software zur Programmierung der Steuerung eingegangen werden. Es muss also vorausgesetzt werden, dass schon Erfahrungen mit der Programmiersoftware vorliegen und die Grundbegriffe bekannt sind. Wer schon Erfahrungen mit einer Software gemäß IEC hat, dem sollte es auch nicht schwer fallen, mit dem Handbuch zu arbeiten. Einige kurze Informationen dazu stehen im Anhang. Mit dem Handbuch zum Starterset oder dem Schulungshandbuch 1 lassen sich die Vorkenntnisse wieder auffrischen. 1-1

8 Aufbau der Anleitung Es kann ebenfalls nicht ausführlich auf die Grundlagen von Bus-Systemen allgemein und CAN im besonderen eingegangen werden. Dazu muss auf Literatur verwiesen werden. Eine kurze Übersicht mit ausgewählten Themen, die bei der Programmierung von ecomat-systemen von Bedeutung sind, folgt in 2. Weitergehende Informationen sind auch bei erhältlich. Es sind Kenntnisse über Zahlensysteme, speziell das Hexadezimalsystem, erforderlich. Wer schon Erfahrungen in der SPS-Programmierung hat, für den dürfte das nichts neues sein. 1.2 Aufbau der Anleitung Dieses Handbuch ist eine Lernanleitung für den Einsteiger. Mit zunehmender Erfahrung können immer mehr Zwischenschritte übersprungen werden. Kopfzeilen Fußzeilen selektives Lesen So finden Sie sich zurecht Um Ihnen die Arbeit mit diesem Handbuch etwas einfacher zu machen, haben wir einige Hilfen für Sie eingebaut. Um gezielt zu einem bestimmten Thema zu gelangen, benutzen Sie bitte das Inhaltsverzeichnis dieses Handbuchs. Mit dem Stichwortverzeichnis gelangen Sie ebenfalls schnell zu einem gesuchten Begriff. Am Anfang eines Kapitels geben wir Ihnen eine kurze Übersicht über den Inhalt des Kapitels. In der Kopfzeile jeder rechten Seite finden Sie den Titel des aktuellen Kapitels. Auf jeder linken Seite steht die aktuelle Überschrift der 2. Ordnung. In der Fußzeile jeder Seite finden Sie die kapitelbezogene Seitenzahl.. In der andspalte finden Sie Anmerkungen, die Ihnen das Finden bestimmter Abschnitte erleichtern. Dort finden Sie auch Piktogramme und Markierungen, deren Bedeutung nachfolgend erläutert werden soll. 1-2 Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360

9 Was Sie wissen sollten Achtung Abschnitte, die mit diesem Piktogramm gekennzeichnet sind, enthalten sicherheitsrelevante Informationen. Lesen Sie diese Abschnitte bitte besonders aufmerksam. Der Hinweispfeil Hier werden Ihnen wichtige Hinweise gegeben, die Ihnen beim richtigen Umgang mit dem ecomat mobile helfen sollen. 'Projekt' 'Optionen' Auf diese Weise wird beschrieben, unter welchem Menüpunkt bestimmte Funktionen zu finden sind. Eingaben, die so abgetippt werden können, wie sie im Text stehen, werden durch eine andere Schriftart gekennzeichnet. Das ecyclingsymbol zeigt an, dass die Informationen nicht nur für das Thema CAN von Bedeutung sondern auch in ganz anderen Zusammenhängen nützlich sind. Das sind z. B. Hinweise für eine übersichtliche Programmstruktur, Tipps und Tricks für die Programmierung usw. Abschnitte, die gegebenenfalls übersprungen werden können, z. B. weil diese Schritte nur einmalig ausgeführt werden müssen, sind durch Pfeile am linken and für Anfang und Ende gekennzeichnet. Links [CiA] Es ist etwas mühsam, ein Handbuch in Dateiform, am Monitor, durchzuarbeiten. Zu Beginn wird meist die ausgedruckte Form bevorzugt. Wenn man aber schon etwas vertraut damit ist, und z. B. nur etwas nachschlagen möchte, dann erleichtern die Links die Navigation im Dokument. Durch einen Klick auf den Link (z. B. siehe Abbildung 121 oder siehe Anhang) gelangt man sofort an die entsprechende Stelle. Auf die übliche Weise, durch Klick auf (zurück), gelangt man wieder auf die vorherige Position. Bei Informationen oder Grafiken, die einer bestimmten Quelle entnommen wurden, ist die Quelle in eckigen Klammern angegeben. Wie oben erwähnt, sind Informationen, die von CiA stammen, auch unter zu finden. Zum Inhalt Diese kurze Übersicht soll bei der Arbeit mit diesem Handbuch helfen. Was Sie wissen sollten CAN CANopen CAN Praxis wozu (Zielsetzung), Voraussetzungen, Hardware, Inhaltsübersicht, Schreibweise Kurzübersicht Beispiel zum Verständnis des Konzepts von CANopen Beispiele zum Aufbau von Systemen aus Steuerungen, E/A-Modulen und weiteren Komponenten 1-3

10 Aufbau der Anleitung Anhang Index Glossar: wichtige Begriffe und Abkürzungen Kurzbeschreibung von ecolog 100plus ("Kochbuch") Buttons: häufig benutzte Funktionen können über Buttons in der Funktionsleiste aufgerufen werden.. Das geht schneller als die Suche in Untermenüs. zum Nachschlagen von Stichworten Das System ecomat mobile besteht aus einer Familie von Steuerungen, die sich durch ihre Hardwareeigenschaften unterscheiden. Um sich mit dem Konzept des 360 und dessen Programmierung vertraut zu machen, hat sich das Starterset bewährt. Um damit arbeiten zu können, genügt das Starterset Handbuch (neben der Software von der Installations-CD und der Hardware). Für weitergehende Informationen stehen noch zusätzliche Unterlagen zur Verfügung. Übersicht zur Dokumentation Kurzbeschreibung des Startersets Handbuch zur Programmerstellung mit ecolog 100plus Softwarebeschreibung (ist als PDF-Datei auf der Installations-CD gespeichert) Systemhandbuch ecomat 100 Typ 360 Technische Beschreibung, hardwarespezifische Funktionsblöcke (ist als PDF-Datei auf der Installations-CD gespeichert) Katalog Übersicht der Geräte mit Datenblättern Montage- und Installationshinweise hardwarespezifisch, werden mit dem Gerät ausgeliefert Schulungshandbuch Einführung Schritt für Schritt Jedes Printmedium wie dieses Handbuch ist früher oder später veraltet; wenn man sich das Tempo des technischen Wandels vor Augen hält, eher früher. Das gilt natürlich auch für Hard- und Software. Den jeweils aktuellen Stand finden Sie an der links angegebenen Adresse im Internet. In der egel stehen dort Updates der Software und die aktuelle Version der Dokumentation zum Herunterladen bereit. 1-4 Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360

11 Was Sie wissen sollten 1.3 Einleitung Bussysteme Fahrzeug Mobil CAN mobil Der Vorteil, den Bussysteme gegenüber aufwendiger Parallelverdrahtung mit umfangreichen Kabelbäumen bieten, hat dazu geführt, dass sie in der Automatisierungstechnik in immer größerem Maße eingesetzt werden. Das wird hier nicht weiter ausgeführt. Natürlich sind sie auch für den mobilen Bereich interessant. Man braucht dabei nicht nur an erhöhten Komfort im PKW zu denken. In Spezialfahrzeugen müssen ganz unterschiedliche Prozesse gesteuert werden, siehe unten. Im Fahrzeug werden immer mehr elektronische Bausteine eingesetzt. Das soll nur kurz an Beispielen illustriert werden: EDC AS MS etarder ABS elektronische Dieseleinspritzung Antischlupfregelung Drehmomentregelung Dauerbremse ohne Fadingeffekt Antiblockiersystem Damit werden steigende Ansprüche an Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Komfort befriedigt. Der Platz des Fahrers wird dabei zur audiovisuellen Kommandozentrale. Die Anforderungen an ein Bussystem im Fahrzeug sind aber anders, eher härter, als bei einer Anwendung z. B. in einer Fabrikhalle mit einigermaßen kontrolliertem Klima. Das spricht gerade dafür, CAN, das ja speziell für Fahrzeuge konzipiert wurde, auch für die Vernetzung weiterer Komponenten, die auf Fahrzeugen eingesetzt werden, zu verwenden. Dieses System ist also schon diesen speziellen Anforderungen angepasst. Ein weiterer Vorteil ist, dass Informationen aus der Fahrzeugsteuerung bei der mobilen Maschinensteuerung ganz einfach, ohne weitere Umsetzung, verwendet werden können. Es ist z. B. sinnvoll, bei einer mobilen Anlage für Tiefbohrungen abzufragen, ob die Bremsen angezogen sind (Fahrzeugsteuerung), bevor die Lage über einen Neigungssensor abgefragt und der Bohrer in Betrieb genommen wird. Der Fahrzeughersteller muss dazu dokumentieren, wie diese Information (und andere, z. B. Motortemperatur) zugänglich sind. Damit unterschiedliche Komponenten zuverlässig und störungsfrei kommunizieren können, ist eine gewisse Standardisierung notwendig. Für Nutzfahrzeuge gibt es z. B. die SAE J1939 (siehe Seite 2-2). Zur Veranschaulichung sollen hier kurz einige Beispiele aufgeführt werden, wo überall die SPS ecomat 100 Typ 360 der ifm electronic, die auch, wegen ihrer spezifischen Eigenschaften, als Mobilsteuerung bezeichnet werden kann, als CAN-Systeme im Einsatz sind. Personenwagen Busse im ÖPNV 1-5

12 Einleitung LKW Forstmaschinen Passagierschiffen und Fähren Landwirtschaftliche Systeme Eisenbahn Maschinensteuerung (mobil) Medizintechnik Motorsport Nicht nur mobil! Audi 8 3facher Gewinner des 24-Stundenrennen von Le Mans, max. Geschwindigkeit 340 km/h ausgerüstet mit C167 Mikrokontrollern für das Motormanagement über CAN Der Einsatz im Fahrzeug legt es nahe, CAN auch in zugehörigen stationären Installationen zu verwenden. So sind z. B. auch Leitstellen der Feuerwehr mit CAN vernetzt. Auch Logistikzentren sind schon mit CAN ausgestattet. Antriebe, darunter Gas-Ottomotore, Dieselmotore, gibt es nicht nur mobil sondern auch stationär, z. B. in Kraftwerken. Obwohl CAN seinen Ursprung im mobilen Bereich hat, gibt es keinen Grund seine Anwendung darauf zu beschränken. Es gibt schon unterschiedliche Anwendungen in der industriellen Automatisierungstechnik, z. B. bei Werkzeugmaschinen, Aufzügen, Verpackungsmaschinen, Handhabungsautomaten (obotern) usw. C0020 Hardware Zu beachten: die verschiedenen Ausführungen der Steuerungen ecomat 100 Typ 360 (z. B. C0015, C0016, C0501, C2500) unterscheiden sich durch unterschiedliche Hardware-Konfigurationen. Für die Programmiersoftware bedeutet das: sie muss der Hardware angepasst werden Der Vorgang wird im Programmier- bzw. im Systemhandbuch beschrieben. eventuell muss in Beispielprogrammen z. B. die Adresse von Ein- oder Ausgängen geändert werden Eine Kurzbeschreibung des Vorgangs findet sich im Anhang Es wäre viel zu umständlich, für jeden Typ eine Einführung in die Software zu verfassen. Daher wird hier als Beispiel der Umgang mit der Steuerung: beschrieben. Bei der Arbeit mit einer anderen Ausführung muss das natürlich beim Nachvollziehen der Beispiele berücksichtigt werden. So muss z. B. ein anderes Unterverzeichnis eingestellt und andere Bibliotheken geladen werden. Da die Typenbezeichnung, z. B. C0501, aber auch bei der Bezeichnung der Verzeichnisse und Dateien verwendet wird, z. B Unterverzeichnis C0501 usw., sollte das keine Probleme bereiten. Um den folgenden Text übersichtlicher zu halten, wird nicht jeweils extra darauf hingewiesen. 1-6 Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360

13 Was Sie wissen sollten Wenn z. B. mit dem Starterset, der Steuerung C2500, gearbeitet wird, so kann in den folgenden Beispielen praktisch überall 0020 ersetzt werden durch Ein Unterschied besteht nur darin, dass beim Starterset einige Schritte übersprungen werden können. Bei diesem wurden schon einige Einstellungen vorgenommen, um den Start zu erleichtern, z. B. ist das Betriebssystem bereits geladen. Es schadet natürlich nicht, wenn man als Übung das Betriebssystem noch einmal lädt. 1-7

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15 2 CAN In diesem Kapitel wird eine kurze Übersicht zum Thema CAN gegeben. Wer sich schon etwas auskennt oder wer gleich praktisch arbeiten möchte, kann direkt zum nächsten Kapitel springen. Die Beispiele dort lassen sich direkt an der Steuerung nachvollziehen. Wenn dabei Verständnisfragen auftauchen, dann kann zum Kapitel 2 zurückgeblättert werden. 2.1 Einführung Was bedeutet CAN? Wie ist CAN entstanden? Anfang der achtziger Jahre Vorgeschichte und Begriffe CAN Controller Area Network Bosch entwickelt ein Bussystem zur Vernetzung von Motorelektronik, Getriebe, Bremssteuerung und Armaturenbrett im KFZ Die ersten CAN-ICs werden von Intel und Philips produziert. März 1992 Gründung der CAN in Automation CiA Nutzerorganisation, mehr als 320 Mitglieder (ifm seit 1999, die aktuelle Mitgliederzahl ist bei CiA zu erfahren) erscheint ISO11898; seit 1995 DIN ISO mit dem Titel: "oad vehicles - Interchange of digital information; CAN for high-speed communication" Was ist CAN? Es wird die Verbindungsschicht und die Übertragungsschicht im Sinne des ISO- OSI eferenzmodelles beschrieben. Serieller, asynchroner 2-Draht-Bus in Form einer Stromschleife Übertragungsraten bis 1MBit / s Multi-master-fähig Priorisierung der einzelnen Nachrichten, Hammingdistanz 6 "Broad cast" und "remote request" Nachrichtenübertragung Umfangreiche Übertragungsfehlererkennung Standard Bus-System in mobilen Applikationen CAN und CANopen Die physikalischen Eigenschaften, siehe 2.2, sind nicht spezifisch für CAN. Auch andere Bussysteme, z. B. DeviceNet, beruhen auf der gleichen Physik. Spezifisch ist das Protokoll. Darin liegt auch der Unterschied zwischen CAN und CANopen. Wie weiter unten noch ausführlicher beschrieben wird (siehe 2.5.2), gibt es zwei Alternativen: 2-1

16 Einführung viele Freiheiten für den Anwender (CAN Layer 2, auch als freies Protokoll bezeichnet, hier muss praktisch die gesamte Konfigurierung selbst durchgeführt werden) oder mehr feste Spezifikationen (CANopen, ermöglicht z. B. Plug and Play). Normen SAE J2284 Normen, Spezifikationen, Profile Auf Seite 1-3 wurde schon darauf hingewiesen, dass dieses Handbuch sich an den Anwender des Steuerungssystems ecomat mobile richtet. Der Anwender wird es nicht mit sämtlichen unten aufgeführten Normen zu tun haben. Er braucht sie natürlich auch nicht alle zu kennen. Jeder kann sich in diesem Kapitel den Abschnitt heraussuchen, der für ihn interessant ist und den est überspringen. Auch wenn man dieses Kapitel nur überfliegt, dann kann man doch einen Eindruck über die bemerkenswerte Entwicklung des CAN-Systems und seinen Umfang gewinnen. Die Normen werden auch nicht vollständig sondern mit Beispielen beschrieben. Um eindeutige egelungen für die Protokolle festzuschreiben, wurden neben der Grundnorm diverse Normen und Spezifikationen geschaffen. ISO (Grundlage) CANopen (pren50325; Teil 4) DeviceNet (pren50325; Teil 2) CAL SDS CAN Kingdom J1939 CANopen, DeviceNet und Smart Distributed Systems definieren z. B. für die physikalische Schicht die Anschlussbelegung von Steckverbindern. Einige Profilfamilien definieren sogar im Detail die zu verwendenden Kabel. Die relativ offenen Aussagen der ISO 11898, speziell was die physikalische Schicht betrifft, wurden in der SAE J2284 um die Definition weiterer Werte ergänzt. Diese Norm wird in der Automobilindustrie der USA für das Motormanagement angewendet. Festlegungen sind z. B.: Datenrate = Maximale Anzahl der Geräte = 16 Maximale Leitungslänge = Maximale Länge von Stichleitungen = 500 kbit/s 40 m 1 m Maximaler Abstand zwischen 2 Knoten = 40 m (inkl. Stichleitungen) Leitung = Zweidraht, verdrillt, ungeschirmt 2-2 Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360

17 CAN J 1939 ISO ISO SAE J2411 Geräteprofile CiA DSP-401 CiA DSP-402 CiA DSP-404 CiA DSP-406 Diese Norm wurde für Nutzfahrzeuge entwickelt. Auch hier setzen die Spezifikationen auf ISO auf. Datenrate = Maximale Anzahl der Geräte = 250 kbits/s 30 (Knoten) Leitung = dreiadrig mit CAN_H, CAN_L und Abschirmung (J 1939/01) In Bau- und landwirtschaftlichen Fahrzeugen ist nach J 11898/02 eine zusätzliche Leitung für die Versorgungsspannung vorgesehen. Die Werte für maximale Länge und Stichleitungen ist wie bei SAE J2284. Diese Norm wurde zunächst für Anwendungen in der Karosserie-Elektronik entwickelt. Da hier die Anforderungen nicht so hoch sind, wird sie auch als Lowspeed-CAN Norm bezeichnet. Datenrate = Maximale Anzahl der Geräte = 125 kbits/s 20 (Knoten) Durch spezielle Pegel besteht die Möglichkeit der Übertragung über nur eine Busleitung bei Ausfall der anderen. Abschlusswiderstand und spezielle Topologie sind nicht festgelegt. Diese Norm, die z. B. für Anwendungen mit Ankopplung eines Anhängers gedacht ist, beschreibt ein System, in dem nur zwei Leitungen benötigt werden. Für Anwendungen im Pkw wird an einem System mit nur einer Datenleitung gearbeitet, um die Verdrahtungskosten weiter zu senken. Hersteller von Geräten für die Automatisierung haben ein Interesse daran, dass ihre Produkte ohne größeren Aufwand in CAN-Netzwerke eingebunden werden können. Die Nutzerorganisation CiA koordiniert solche Interessen, indem Geräteprofile definiert werden, die es u. a. dem Anwender erleichtern, diese Geräte einzusetzen und zu warten. Diese Profile können hier nicht ausführlich beschrieben werden, dazu muss auf verwiesen werden. Einige werden kurz vorgestellt. CANopen Geräteprofil für digitale und analoge Ein- und Ausgabegeräte. CANopen Geräteprofil für elektrische Antriebe. CANopen Geräteprofil für Auswertung und egelung analoger Werte. CANopen Geräteprofil für Encoder. EDS Die Dokumentation zu einem speziellen Gerät wird in Form einer Datei (EDS = Electronic Data Sheet) erstellt. Kommunikation und Fernwartung Speziell bei mobilen Anwendungen (aber nicht nur bei diesen) gewinnt die Fernwartung an Interesse. Dazu gehört z. B. die Diagnose von Fehlerzuständen oder die vorbeugende Warnung vor möglichen Fehlern durch Verschleiß. Das lässt sich auf verschiedenen Wegen realisieren. 2-3

18 Die physikalische Verbindung ISDN PC CAN und VME Ein ISDN-CAN Gateway steht zur Verfügung. Ein vernetzter PC mit CAN-Interface gehört auch zu dieser Gruppe. Dabei gibt es schon unterschiedliche Lösungen. Es wurden schon Vernetzungen von Einheiten, die über den VMEbus gesteuert werden, mit CAN realisiert. 2.2 Die physikalische Verbindung Knoten Tx, x Die Teilnehmer am Bus werden bei CAN als Knoten (Nodes)bezeichnet. Die Ankopplung geschieht über den CAN-Chip, der entsprechend der weiten Verbreitung von CAN in großen Stückzahlen gefertigt wird. Jeder Hersteller von Geräten für die Automatisierung kann diese damit auf einfache und kostengünstige Weise anschlussfähig machen. Über die Eigenschaften der Knoten folgen unten weitere Informationen. Damit werden die Kanäle für das Senden (Transmit) und Empfangen (eceive) bezeichnet. Abschlußwiderstand an den Leitungsenden! 2-Draht-Leitung als Übertragungsmedium Wellenwiderstand 120 Ohm 120 Ohm 120 Ohm Knoten A Knoten B Abbildung 1: CAN-Übertragung Die Datenübertragung geschieht über eine 2-Draht-Leitung. Eine wichtige egel ist zu beachten: 120 Ω Die Leitung benötigt einen Abschlusswiderstand von 120 Ω. Achtung! Es gehört zu den häufigsten Fehlern bei der Installation eines neuen Systems, den Abschlusswiderstand zu vergessen. Auch bei der Wartung des Systems, z. B. Austausch einer Leitung wegen Leitungsbruch, kann es passieren, dass der Widerstand entfernt und nicht wieder angeschlossen wird. Wer mit der Wartung solcher Systeme zu tun hat, sollte immer einige 120 Ω Widerstände mit sich führen. In der egel wird die Kommunikation zusammenbrechen. In Sonderfällen kann es vorkommen, dass die Kommunikation mit hohem Störpegel und zeitweiligen Aussetzern weiterläuft. Auch in einem solchem Fall lohnt es sich also, die Abschlusswiderstände zu kontrollieren. 2-4 Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360

19 CAN Wohin gehört der Widerstand? Weitere Leitungen Pegel In der Praxis sind natürlich selten die Teilnehmer entlang einer geraden Linie aufgereiht. Es wird z. B. Abzweige geben. An welcher Stelle die Widerstände angebracht werden, kann nicht immer eindeutig bestimmt werden. Im Zweifelsfall muss etwas experimentiert werden. Solche Fragen entstehen natürlich nur bei einem neu installierten System. Für die Wartung sollte aber darauf geachtet werden, dass die Lage der Widerstände deutlich markiert und einfach aufzufinden ist, damit sie bei Bedarf leicht ersetzt werden können. Zur Versorgung der Teilnehmer mit 24 V werden in der egel zwei weitere optionale Leitungen im Kabel geführt, CAN_V+ und GND (Erdung) der 24 V. Weitere optionale Leitungen sind z. B., GND_CAN oder Abschirmung. Ein CAN- Kabel wird also meist aus mindestens vier Leitungen bestehen. Die Pin-Belegung bei Steckverbindern, z. B. 9pol. Sub-D, ist festgelegt, damit es keine Konflikte beim Anschluss unterschiedlicher Geräte von unterschiedlichen Herstellern gibt. Durch differentielle Spannungspegel wird eine optimale Störsicherheit erreicht. Einstreuungen auf das Kabel wirken in der egel gleich auf beide Signalleitungen und werden durch die bewährte Methode der Differenzbildung eliminiert. DifferentiellePegel sorgen für i sichere Übertragung 3,5V CAN_L CAN_H 1,5 V recessive dominant recessive Abbildung 2: CAN-Übertragung Pegel 2-5

20 Die physikalische Verbindung Grenzwerte Die folgende Tabelle zeigt die Grenzwerte der Pegel. Im Normalfall braucht man die Pegel nicht zu kontrollieren, das kann nur bei Störungen nützlich sein. Spannungspegel nach ISO11898 recessive dominant min max min max VCAN_H 2,0V 3,0V 2,75V 4,5V VCAN_L 2,0V 3,0V 0,5V 2,25V VDiff_Tx -0,5V 0,05V 1,5V 3,0V VDiff_x -1,0V 0,5V 0,9V 5,0V Abbildung 3: Pegel als Tabelle Länge der Leitung Mit CAN können ohne weitere Komponenten Entfernungen von bis zu 3000 m überbrückt werden. Um eine sichere Übertragung zu gewährleisten muss bei größeren Entfernungen die Datenrate reduziert werde. Die folgende Tabelle zeigt Werte dafür. Zusammenhang zwischen Bitate und Buslänge Bitate 1000 kbit/s Buslänge max. 40 m 500 kbit/s 100 m 250 kbit/s 250 m 125 kbit/s 500 m 100 kbit/s 600 m 50 kbit/s 1200 m 20 kbit/s 3000 m Abbildung 4: Länge und Bitrate CAN ist von der Konzeption her sehr flexibel. Die Eigenschaften eines Systems hängen von vielen Einflussgrößen ab. Zur Tabelle von Abbildung 4 müsste man eigentlich zusätzlich angeben, welche Transceiver-Bausteine benutzt werden. Ohne Angaben darüber sind die Werte eher als ichtwerte aufzufassen. Länge und Topologie Die Werte von Abbildung 4 gelten für den Idealfall der Linie. Falls statt dessen eine Sternstruktur mit drei Linien erforderlich wäre, dann sollte z. B. bei 100 m jeder dieser drei Strahlen nicht länger als 33 m sein. Bei einer solchen Struktur kann es von Vorteil sein, an jedem Ende einen Abschlusswiderstand von 180 Ω anzubringen. 2-6 Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360

21 CAN epeater Datenrate Leitungsquerschnitte Sowohl um die Leitungslänge, bzw. die Bitrate, zu erhöhen als auch um eine verbesserte Stabilität bei Abweichungen von der Linienstruktur zu erzielen, ist die Verwendung von epeatern von Nutzen. Die Datenrate wird bei der Konfiguration des Systems eingestellt. Sie muss für alle Teilnehmer gleich sein. Die Default-Einstellung bei Komponenten der ifm electronic ist 125 kb/s. Wie oben bei Abbildung 4, lassen sich auch für die Leitungsquerschnitte ichtwerte angeben. Knotenanzahl Buslänge 100 m 0,25 mm 2 0,25 mm 2 0,25 mm m 0,34 mm 2 0,5 mm 2 0,5 mm m 0,75 mm 2 0,75 mm 2 1,0 mm 2 Abbildung 5: Empfohlene Leitungsquerschnitte Alternativen Lichtwellenleiter Signale auf Versorgungsleitungen Spezielle Eigenschaften der Physik der Übertragung, z. B. Eindraht-Kommunikation in SAE J wurden schon auf Seite 2-2 erwähnt. Hier sollen noch zwei weitere Alternativen kurz angesprochen werden, die für spezielle Anwendungen interessant sind, bzw. in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Die Nachrichtenübertragung über Lichtwellenleiter (z. B. Glasfibern) wird zur Zeit noch hauptsächlich als Mittel verwendet, um dem Einfluss extremer elektromagnetischer Störpegel entgegenzuwirken. Der Aufwand ist noch relativ hoch. In Zukunft kann diese Technik auch interessant werden, wenn damit größere Entfernungen überbrückt werden können. Diese Möglichkeit, auch unter der Bezeichnung Powerline bekannt, wurde schon erfolgreich untersucht. 2.3 Frames Struktur Was in anderen Bussystemen auch als Telegramm bezeichnet wird, heißt bei CAN Frame (ahmen). Jede CAN-Nachricht wird in einem Frame (ahmen) übertragen. Er besteht aus dem Identifier, ID, und den Daten (Länge Byte) CAN-Frame Identifier Data Byte Zu der Bedeutung und den Eigenschaften speziell des Identifiers folgen unten weitere Informationen. Zunächst sollen sie kurz zusammengefasst werden. 2-7

22 Frames Jede CAN-Nachricht hat ihren eigenen Identifier Jede CAN - Meldung wird in einem CAN- Frame übertragen Jede CAN - Meldung hat einen eigenen Identifier CAN 2.0 A 11Bit Identifier ( 2048 unterschiedliche Meldungen ; Länge max. 130 Bit. (CAN 2.0 B 29Bit Identifier ( unterschiedliche Meldungen; Länge max. 154 Bit.) CAN - Meldungen können zu jedem Zeitpunkt gesendet (Transmitted Tx) oder empfangen (eceived x), erfolgen (siehe Abbildung 1). Jede CAN- Nachricht kann gezielt angefordert werden (emote Transmission equest T). CAN - Meldungen werden zum selben Zeitpunkt von allen Teilnehmern (Knoten) empfangen. Der Teilnehmer selbst entscheidet anhand des Identifiers, ob die Meldung für ihn relevant ist. Der Zahlenwert des Identifier bestimmt die Priorität auf dem Bus: kleiner Wert Hohe Priorität. Die folgende Abbildung 6 zeigt den Aufbau eines Frame im Detail. Damit wird der Anwender bei seiner täglichen Arbeit nicht in Berührung kommen. Sie hilft aber beim Verständnis der Hintergründe speziell zur Datensicherheit. CAN -message; High = recessive; Low = dominant,max. 130 bit Start Bit 11 Bit Identifier T-Bit; Low = Tx; High = T IDE-Bit; Low = 11 Bit Id.; High = 29 Bit Id. reserved 4 Bit; length of data Byte Data 15 Bit CC Delimiter 2 Bit ACC; acknowledgement of the frame by at least 1 node 7 Bit EOF;marking of end of file >= 3 Bit IFS; time between two CAN messages Abbildung 6: CAN-Frame Die folgende Abbildung zeigt Beispiele. 2-8 Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360

23 CAN Zeit ID Wert Bemerkung C 1F Analogeingang A CC Druck Gerät B Sensor FF FF Alle Geräte stoppen Abbildung 7: Beispiele für CAN-Frames Bit-Stuffing CC Format ACC Übertragungssicherung Monitoring Fehlermanagement Wie funktioniert das? Error Active Error Passive Bus Off Fehlersicherung Der Sender einer Nachricht vergleicht das Bit auf dem Bus mit dem gesendeten Bit. Bei Ungleichheit außerhalb des Arbitrierungsfeldes (siehe 2.4) Fehler Es sind mehr als 5 gleiche Bits in Folge gelesen worden Fehler Die gelesene CC-Prüfsumme stimmt nicht mit der errechneten Prüfsumme überein Fehler Das CC-Begrenzungsbit oder die 7 Bit EOF wurden nicht als High gelesen Fehler Der Sender einer Nachricht liest im ACC-Slot kein Low. Kein Busteilnehmer hat die Nachricht richtig empfangen Fehler 1. Einer oder mehrere Busteilnehmer erkennen einen Fehler 2. Jeder Teilnehmer der einen Fehler erkannt hat sendet 6 gleiche Bits in Folge ( "Error Frame") gefolgt von 8 recessiv Begrenzungsbits und verletzt somit die Stuffing-egel. 3. Die ursprüngliche Nachricht wird für alle Busteilnehmer inklusive des Senders fehlerhaft und deshalb verworfen. 4. Die Nachricht wird erneut komplett gesendet. Jeder Busteilnehmer unterstützt einen Zähler für Sende(Tx)Fehler und Empfangs(x)Fehler. Je nach Zählerstand befindet sich ein Busteilnehmer in einem von drei Fehlerstati: Tx und x Zählerstand = 127; Error Frame besteht aus 6 dominanten Bits und zerstört somit jede Nachricht. 128 = Tx oder x Zählerstand = 255 und Tx Zählerstand = 255; Error Frame besteht aus 6 rezessiven Bits. Eine fehlerhaft gelesene Nachricht wird nicht wiederholt. Tx Zählerstand > 255; Der Teilnehmer zieht sich vom Bus zurück. Dieser Zustand kann nur durch die Applikation verlassen werden. 2-9

24 Broadcast Bei einem Empfangsfehler wird der x Zähler um 1 incrementiert. Bei einem Empfangsfehler innerhalb eines Error Frames wird der x Zähler um 8 incrementiert. Bei einem Sendefehler wird der Tx Zähler um 8 incrementiert. Mit jedem erfolgreichen Senden bzw. Empfangen wird der entsprechende Zähler um 1 decrementiert. Der Sinn dahinter ist, dass ein fehlerhafter Teilnehmer nicht die ganze Kommunikation lahm legen können soll. estfehlerwahrscheinlickeit Doppelte Nachrichten Das Auftreten eines Fehlers ist bei jedem technischen Vorgang nichts außergewöhnliches. Viel wichtiger ist es zu wissen, ob der Fehler überhaupt entdeckt wird. Die Wahrscheinlichkeit dafür kann nur unter bestimmten Annahmen abgeschätzt werden. Ein Beispiel: in einem CAN-Netz mit einer Baudrate von 500 kbit/s tritt alle 0,7 s ein Bitfehler auf. Das Netz ist an 365 Tagen im Jahr für jeweils 8 Stunden in Betrieb. Dann dauert es ca Jahre bis ein Fehler nicht erkannt wird. Wenn ein Fehler von einem Knoten erkannt wurde, dann ist es zwar unwahrscheinlich aber nicht unmöglich, dass andere Teilnehmer die Nachricht korrekt empfangen haben. Wird nun auf Grund der Fehlermeldung die Nachricht erneut gesendet, dann können also Teilnehmer die Sendung zweimal erhalten. 2.4 Broadcast Um das Verfahren bei CAN deutlich zu machen, wird zunächst beschrieben, wie es bei CAN nicht abläuft. Abgrenzung CAN Bei manchen Bussystemen verläuft die Kommunikation wie folgt: Ein Teilnehmer sendet eine Nachricht, die mit einer (eindeutigen) Adresse versehen ist. Der Adressat empfängt die Nachricht und verfährt entsprechend dem Inhalt. Z. B. ein E/A-Modul, das ist ein Teilnehmer zur Ankopplung binärer Eingänge.(Sensoren) und binärer Ausgänge an den Bus, schaltet die Ausgänge und/oder meldet die Zustände der Eingänge zurück. Bei einem Single Master System wird für diese ückmeldung keine Adresse benötigt. In Abbildung 8 wird das Broadcast-Verfahren beschrieben. Station 2 sendet eine Nachricht Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360

25 CAN CAN Station 1 CAN Station 2 CAN Station 3 CAN Station 4 CPU CPU CPU CPU Data Data Data check ID send message check ID check ID message received ID Data message received message received CAN-Bus ID Data Abbildung 8: Broadcast-Verfahren Broadcast mit Identifier Multimaster ID eservierte IDs Priorität Bei CAN ist jede Nachricht, wie in 2.3 beschrieben, mit einem Identifier versehen. Jeder Teilnehmer prüft anhand des Identifier, ob diese Nachricht für ihn relevant ist. Das ist vergleichbar mit einem adiosender (undfunk - Broadcast). Das Verfahren wird als Akzeptanzfilterung bezeichnet. Das kann auch mit dem Beispiel undfunk erläutert werden. Wenn der Verkehrsfunk einen Stau auf der Autobahn XY meldet, dann ist im Prinzip jedem Verkehrsteilnehmer klar, ob diese Meldung für ihn von Bedeutung ist. Das hat den Vorteil der Vereinfachung. Sollen z. B. bei 10 Modulen die Ausgänge zurückgesetzt werden, dann ist beim Broadcast nur eine Nachricht erforderlich. Beim oben beschriebenen Verfahren wären dafür 10 Nachrichten erforderlich. Man ist also sehr flexibel und hat viele Möglichkeiten. Andererseits ist eine etwas aufwendigere Konfiguration der Teilnehmer erforderlich. Im Beispiel der E/A-Module müssen diese die Information speichern, welche Nachrichten, das heißt welche Identifier, für sie relevant sind. Diese Konfiguration muss aber nur einmal vorgenommen werden. Da jeder Teilnehmer senden darf, ist CAN von vornherein als multimaster-fähig ausgelegt. Es gibt 2048 Identifier (siehe 2.3, bei 11 Bit). Genauer gesagt, kann der Identifier einen Wert zwischen 1 und 2048 haben. Im ecomat 360 sind die Identifier 220 bis 255 für besondere Zwecke reserviert. Sie können also nicht verwendet werden. Der Identifier enthält außerdem eine Information über die Priorität der Sendung. Die Codierung ist ganz einfach: das Frame mit dem niedrigsten Identifier hat die höchste Priorität. So flexibel man ein System damit an die Anforderungen der Anwendung anpassen kann, um so eher ergeben sich natürlich auch Fehlermöglichkeiten. Bei der Planung des Systems ist also sorgfältig auf eindeutige Vergabe der Identifier zu achten. 2-11

26 CANopen Arbitrierung Echtzeit Wenn ein Teilnehmer (Knoten) eine Nachricht (Frame) senden will, dann muss er warten bis der Bus frei ist. Für den Fall, dass zwei Teilnehmer (fast) gleichzeitig beginnen zu senden, muss eindeutig entschieden werden, welcher die höhere Priorität hat. Dafür wird der Begriff Arbitrierung (von Arbiter = Schiedsrichter) verwendet. Da der Anwender von CAN von diesem Mechanismus normalerweise nichts sieht, soll er hier auch nicht detailliert erklärt werden. In der Praxis kann die Auswirkung auf das Zeitverhalten von Bedeutung sein. Falls z. B. laufend Nachrichten mit hoher Priorität gesendet werden, dann hat ein Teilnehmer, der eine Nachricht mit niedriger Priorität senden will, unter Umständen lange zu warten, bis er an der eihe ist. Bei diesem Begriff muss in der egel genau nachgefragt werden, was er eigentlich in dem betreffenden Zusammenhang bedeutet. Hier kann das auch nur mit einigen weiteren Informationen genauer beantwortet werden. Der Hinweis soll genügen, dass man "näher" an Echtzeitverhalten herankommt, wenn man dafür sorgt, dass Nachrichten mit hoher Priorität nur einmal in einem gegebenen Zeitraum gesendet werden können. 2.5 CANopen Freies Protokoll Warum CANopen? Die Kommunikation, z. B. zwischen zwei Steuerungen, kann beim 360 im Anwenderprogramm durch die beiden Funktionsbausteine CAN1_TANSMIT und CAN1_ECEIVE realisiert werden, siehe 3. Bei komplexeren Systemen, in denen z. B. auch Komponenten verschiedener Hersteller vernetzt werden ist dieses sogenannte freie Protokoll etwas mühsam in der Handhabung. Jedes Detail muss sorgfältig geprüft werden; ggf. sind Konfigurationen vorzunehmen. Überwachungsfunktionen, z. B. auf Vorhandensein und Betriebsbereitschaft von Komponenten, müssen selbst programmiert werden. Die Verwendung eines speziellen Protokolls vereinfacht die Handhabung. Eine eihe von vordefinierten Funktionsbausteinen kann verwendet werden. Man erkennt sie an der Abkürzung COP (CANopen Protokoll) im Namen. Unterschiedliche Komponenten sind ohne größeren Aufwand so zu parametrieren, dass sie problemlos miteinander kommunizieren. Diese und weitere Gründe sind in einer kurzen Übersicht zusammengefasst. Einheitliches Protokoll Der Anwender kann auf die CANopen-Komponenten unterschiedlicher Hersteller zugreifen In einer CANopen Gerätefamilie sind die Daten einheitlich organisiert (Objektverzeichnis) Kommunikations- und Gerätefehler können ohne großen Programmieraufwand erkannt werden Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360

27 CAN eferenzmodell Schichtenmodell Um Bussysteme verschiedenster Art vergleichen, einheitlich beschreiben und einer Normung unterwerfen zu können, wurde das ISO-OSI eferenzmodell entworfen (siehe 2.1). Knoten A Knoten B 7 Anwendung Kommunikationsobjekte Anwendung 6 Darstellung Darstellung 5 Sitzung Sitzung 4 Transport Transport 3 2 Vermittlung Verbindung ahmen und Datensicherung Vermittlung Verbindung Bit 1 Übertragung Übertragung Übertragungsmedium Abbildung 9: Schichtenmodell allgemein Abbildung 9 zeigt die Schichten ganz allgemein. Bei CANopen findet die Kommunikation praktisch in jeder Schicht statt. Man kann auch sagen: CANopen ist ein CAN basierendes Schicht 7 Netzwerk - Protokoll (siehe 2.1). 2-13

28 CANopen Knoten A Knoten B Verbindung ahmen und Datensicherung Verbindung 1 Bit Übertragung Übertragung Übertragungsmedium Abbildung 10: Schichtenmodell Layer 2 Bei der Kommunikation mit offenem Protokoll verläuft die Kommunikation in der zweiten Schicht, Abbildung 10. Layer Normen Anstatt Schicht wird auch häufig direkt die englische Bezeichnung Layer als Fachausdruck verwendet. Eine Kommunikation in Layer 2 bedeutet demnach eine Kommunikation mit freiem Protokoll. Die Kommunikation in den verschiedenen Schichten wird durch die Protokollschicht beschrieben. Abbildung 11 stellt einen Ausschnitt mit Ergänzungen aus Abbildung 9 dar. Damit soll die Zuordnung der Bezeichnungen COB, Frame und CAN_L, CAN_H zu den Schichten verdeutlicht werden. Der Begriff COB wird anschließend erklärt. Das CAN-Protokoll, das der Ebene 2 entspricht, ist international genormt: ISO und ISO Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360

29 CAN Sendendes Gerät CANopen Application Layer Communication Object (COB) CANopen Application Layer CAN Data Link Layer CAN Frame CAN Frame CAN Data Link Layer CAN Physical Layer CAN_L CAN_H CAN_L CAN Physical Layer Abbildung 11: Protokollschicht [CiA] Communication Object COB dazu gehören: Process Data Object (PDO) Service Data Object (SDO) Special Function Objects: Synchronization Object (SYNC) Time Stamp Object (wird bei den hier behandelten Komponenten nicht verwendet) Emergency Object (EMCY) Network Management Objects: NMT Message Node Guarding Object Hier sollen jetzt nicht der eihe nach alle Begriffe ausführlich erläutert werden. Das würde den Grundlagenteil unnötig verlängern. Im weiteren Text, speziell beim praktischen Teil, siehe 3.2, folgen weitere Informationen dort wo sie erforderlich sind. Ein Verzeichnis der Abkürzungen ist im Anhang unter Glossar zu finden. Es folgen Kurzbeschreibungen. 2-15

30 CANopen Prozessdatenobjekte PDO Übertragung von Prozessdaten ereignisgesteuert oder synchronisiert. Quelle und Ziel für jeden PDO-Kanal sind frei konfigurierbar. Prozessdaten werden in einem CAN_ahmen ohne Protokolloverhead übertragen. Multi - Master Beziehung Servicedatenobjekte SDO Netzwerkmanagement NMT Bestätigter Dienst zur Parametrierung der einzelnen Netzwerkknoten. Client - Server Beziehung Start / Stop der Netzwerkknoten; Knotenüberwachung; Synchronisation; Fehlermeldungen Master-Slave Beziehung Kommunikation Die Kommunikation unter CANopen kann ähnlich wie in Abbildung 8 dargestellt werden. CANopen Slave 1 Node ID1 Überwachung des Systems CANopen Master Node ID30 CANopen Slave 2 Node ID2 CANopen Slave3 Node ID3 CPU CPU CPU CPU Daten Daten Daten ID prüfen ID prüfen ID prüfen Nachricht senden ID X PDO ID TX PDO ID X PDO ID X PDO CAN-Bus ID PDO 8 Byte Abbildung 12: CANopen Broadcast PDO Speziell auf das PDO bezogen kann man den Zusammenhang wie in Abbildung 13 darstellen Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360

31 CAN PDO ID Data PDO Consumer PDO Consumer PDO Consumer PDO Consumer PDO Producer PDO Producer PDO Consumer PDO Consumer Abbildung 13: Process Data Object [CiA] Anforderungen Knoten CANopen Netzwerk Bevor auf weitere Einzelheiten eingegangen wird, sollen kurz die wesentlichen Anforderungen an ein Netzwerk zusammengefasst werden. Prozessdatenaustausch; zyklisch und ereignisgesteuert mit möglichst wenig Protokolloverhead und auf direktem Weg. Einstellung von Geräte- und Kommunikationsparameter mit Bestätigung Netzwerksteuerung; Start/Stop, BootUp Überwachung der Netzwerkteilnehmer Erweiterungsmöglichkeit; Austauschbarkeit der Knoten; "Plug and Play" Die Teilnehmer heißen Knoten. In CANopen ist ihre Struktur festgelegt. Die maximale Anzahl beträgt 128. Abbildung 14: Struktur eines CANopen Knotens 2-17

32 CANopen Objektverzeichnis OBV Netzwerkmanagement NMT Datenschnittstelle zwischen Bus und Gerätefunktion. Liste aller für das Gerät relevanten Parameter und Prozessdaten. Zugriff erfolgt über Index und Subindex (siehe 2.5.6) Bereitstellung von administrativen Diensten: Start/Stop Synchronisation Knotenüberwachung Das NMT orientiert sich an den Knoten. Es hat eine Master-Slave Struktur. Ein Knoten muss Masterfunktionalität besitzen. Alle anderen sind dann Slaves. Abbildung 15 zeigt ein Beispiel. Steuerungen NMT Master NMT Slave Alle Knoten müssen auf eine gemeinsame Bit- ate eingestellt sein. CANopen definiert eine Liste mit 8 Bit-aten von 10 kbit bis 1000 kbit. Knoten 1 Knoten 3 Knoten 2 Knoten 4 Knoten 5 E / A Module NMT Slaves Abbildung 15: CANopen Netzwerkmanagement OBV Das wohl wichtigste am Knoten ist das Objektverzeichnis. Es enthält Objekte, die auf wohldefinierte Weise über das Netzwerk zugänglich sind. Abbildung 16 verdeutlicht das Schema der Anordnung Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360

33 CAN Index F hex Daten Typen Index 00A0... 0FFF hex reserviert Index FFF hex Kommunikationsparameter Index FFF hex Index FFF hex Herstellerspezifische Geräteparameter / -daten Parameter und Daten nach CANopen Gerätespezifikation Index A FFFF hex reserviert Abbildung 16: CANopen Objektverzeichnis Index Jeder Eintrag im Objektverzeichnis wird über einen Index angesprochen (16 Bit) Subindex Jeder Eintrag kann bis zu 256 Untereinträge beinhalten, die über einen Subindex angesprochen werden (8 Bit). Unter dem Subindex 1 ist z. B. die Hersteller- ID zu finden. Systemkonfiguration Polling Synchronisation Dass jeder Teilnehmer jederzeit senden kann, macht CAN zwar sehr flexibel, kann aber auch etwas unübersichtlich sein. Es vermindert die Buslast, wenn Daten nur dann gesendet werden, wenn sie benötigt werden. Bei einem komplexen System ist es andererseits fehlerträchtig, wenn für jeden Teilnehmer festgelegt werden muss, wann und von welchem anderen Teilnehmer er Informationen anfordern muss. Dabei kann leicht etwas vergessen werden. Das gilt erst recht bei späteren Modifikationen am System durch einen anderen Bearbeiter. Bei CAN wird das Verfahren der Synchronisation verwendet. In 0 wird an den praktischen Beispielen deutlich, was damit gemeint ist. Der folgende Text ist eher für Spezialisten interessant. Die Punkte haben bei seltenen Grenzfällen Bedeutung. Wer es nicht so genau zu wissen braucht, kann dieses Kapitel auch überspringen. Bei anderen gängigen Bussystemen wird häufig ein Verfahren angewendet, das zyklisches Polling genannt wird (oder eines, das ähnlich funktioniert). Ein Master spricht dabei der eihe nach alle Teilnehmer an. Das hat den Vorteil, dass jeder Teilnehmer in einem festen Zeitraum (Zykluszeit) kommuniziert. Das Verhalten des Systems ist dabei eindeutig (deterministisch). 2-19

34 CANopen eaktionszeit Synchronisation Als eaktionszeit, z. B. bei Steuerungssystemen, wird die Zeit bezeichnet, die benötigt wird, um von einem Eingang auf einen Ausgang (beides binär) durchzuschalten. Beim Polling werden dazu im ungünstigsten Fall zwei Zyklen benötigt: ein Zyklus, um den geänderten Zustand am Eingang zu erkennen und ein weiterer Zyklus, um den Zustand des Ausgangs zu ändern. Damit ist die Zykluszeit der Kommunikation gemeint. Dazu kommt natürlich noch die Zeit der Verarbeitung in der Steuerung, egal welches Verfahren bei der Kommunikation verwendet wird. Bei CANopen gibt es das Verfahren der Synchronisation. Die Synchronisation macht die Kommunikation übersichtlicher. Das Zeitverhalten ist dabei zwar nicht streng deterministisch. Die Kommunikation läuft aber viel regelmäßiger ab. Es wird in einem festen Abstand ein Synchronisationsobjekt (SYNC) gesendet. Dieser Abstand ist hier die Zykluszeit. Als weiterer Parameter lässt sich die Länge des synchronen Fensters festlegen (in Abbildung 18 gestrichelt dargestellt). Sie gibt an, in welchem Zeitraum nach einem Sync alle (synchronen) PDOs gesendet sein müssen. Der Programmierer legt fest, was geschehen soll, falls diese Zeit überschritten wird. Ist das Fenster genauso lang wie die Zykluszeit, dann entspricht das weitgehend dem zyklischen Polling. Es wäre nicht sinnvoll, das Fenster länger als die Zykluszeit zu machen. In der Praxis wird kaum einmal ausgewertet, ob ein synchrones PDO außerhalb des Fensters liegt. Dafür sind verschiedene Ursachen möglich, speziell asynchrone PDOs, siehe unten. Hex ID 80 Sync Sync Sync Sync Sync Sync Zeit Daten (PDO) Synchron Fensterlänge Synchron-Zeit Synch_Time in FB COP_MST_MAIN setzen Abbildung 17: Synchron und asynchron 1 [CiA] asynchron Bei CANopen lassen sich beide Methoden, das starre, dafür mehr deterministische Verhalten bei der Synchronisation, ähnlich wie beim zyklischen Polling, und die Flexibilität, z. B. Schnelligkeit beim asynchronen Senden, miteinander verbinden. Dabei muss in Kauf genommen werden, dass die Zykluszeit nicht mehr fest ist. Wird ein asynchrones PDO gesendet, verschieben sich alle synchronen um dessen Länge, siehe Abbildung 18. Dort ist zu erkennen, dass sogar zwei Effekte möglich sind: 1. fallen ein oder mehrere asynchrone PDOs in das Fenster, können synchrone PDOs nach hinten aus dem Fenster geschoben werden 2-20 Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360

35 CAN 2. asynchrone PDOs verlängern, wie gesagt, die Zykluszeit Bei jedem Teilnehmer kann festgelegt werden, welches PDO synchron oder asynchron ist und das sogar jeweils für Senden und Empfangen. Ist also z. B. ein synchron gesendetes PDO beim Empfänger als ereignisgesteuert eingetragen, dann kann dieser sofort darauf reagieren (siehe Abbildung 19). Sync Sync Sync Sync Sync Sync Zeit Synchroner PDO Ereignis Asynchroner PDO Abbildung 18: Synchron und asynchron 2 [CiA] xpdo; synch empfangen xpdo; asynch empfangen TxPDO; synch senden TxPDO; asynch senden Synch- Objekte xpdo; synch in OBV xpdo; asynch in OBV TxPDO; synch in OBV TxPDO; asynch in OBV Zeit Applikation Applikation Applikation Applikation Abbildung 19: Synchron und asynchron 3 NMT In diesem Kapitel soll der Ablauf beim Netzwerkmanagement etwas ausführlicher beschrieben werden. 2-21

36 CANopen eset Application eset Communication Initialisation Pre-Operational Stopped Operational Abbildung 20: NMT schematisch Pre-Operational Operational Stopped Es werden keine Prozessdaten übertragen. Der Zugriff auf das Objektverzeichnis ist möglich, d. h. SDO/(NMT) möglich. Alle Kommunikationsobjekte sind aktiv, d. h. PDO/ SDO / (NMT) /EMC/ Node Guarding /Synch Objekte möglich. Es werden keine Prozessdaten übertragen. Ein Zugriff auf das Objektverzeichnis ist nicht möglich. Der Knoten (nicht die Steuerung) reagiert nur auf NMT- Objekte. Das Diagramm, z. B. Abbildung 21, zeigt den Ablauf bei einem minimalen CANopen Gerät. Nach dem Einschalten der Versorgungsspannung geht das Gerät in den Zustand Initialisierung und danach Pre-Operational. Hier reagiert das Gerät nur auf SDOs. Mit dem entsprechenden NMT kann schließlich der Übergang in Operational und damit die Übertragung von PDOs bewirkt werden. Im Zustand Stopped (oder Prepeared), der auch über ein NMT erreicht wird, nimmt das Gerät nicht an der Kommunikation mit PDOs und SDOs teil. Dieser Zustand wird beim ecomat 100 Typ 360 nicht unterstützt Schulungshandbuch 2 ecomatmobile Typ 360