CANopen Grundlagen

CANopen wurde im Jahr 1993 durch das Forschungsprojekt ASPIC und ab 1994 durch die Anwender- und Herstellervereinigung CAN in Automation (CiA) entwickelt.
Wie der Name schon sagt, basiert das Kommunikationsprotokoll auf CAN. CANopen definiert die Anwendungsschicht und sorgt durch eine Standardisierung für eine deutlich bessere Hersteller-übergreifenden Interoperabilität. Die Datenübertragungsfunktionen von CAN werden durch CANopen durch weitere Funktionen ergänzt wie z. B.: Redundanz, funktionale Sicherheit und Unterstützung für komplexe Netzwerkarchitekturen. CANopen ist seit 2003 als europäische Norm EN 50325-4 standardisiert. Darüber hinaus wurden durch die CiA weitere Empfehlungen für die Implementierung in Form der CiA 303-1 (physikalische Übertragung) und der CiA 301 sowie 302 Anwendungsebene veröffentlicht.

Physik

Der Anschluss an die CANopen Teilnehmer erfolgt über ein zwei-adriges verdrilltes Kupferkabel zum Einsatz. Optional sind zwei zusätzliche Adern für Masse und eine 5 V Spannungsversorgung. Dabei handelt es sich um eine serielle, Halb-Duplex-Übertragungstechnik.
Die möglichen Übertragungsgeschwindigkeiten richten sich nach der Länge der Datenleitung. Je niedriger die Datenrate, desto höher die mögliche Leitungslänge. Zum Beispiel sind bei einer Datenraten von max. 1 Mbit/s bis zu 25 m möglich, bei 125 kbit/s bis zu 500 m und bei 10 kbit/s bis zu 5 km. Am Anfang und am Ende der Bus-Linie sind Abschlusswiderstände von 120 Ohm erforderlich. Weitere mögliche physikalische Übertragungsmedien sind in der ISO11898-2/3/5 und der CiA303-1 genannt. Als weitere Anschlussmöglichkeiten sind Schraubklemmen, Schraubverbinder M8 und M12 sowie Sub-D Buchsen/Stecker möglich.

Topologie

CAN folgt als klassischer Feldbus der Linien-Topologie. Dabei sollten Stichleitungen bzw. Abzweige, die zwar möglich sind, auf Grund von Signalreflektionen vermieden werden. Die Länge der Datenleitung richtet sich dabei nach der verwendeten Übertragungsrate. CAN arbeitet mit einem Producer / Consumer-System oder Broadcast-System genannt.
Die Datenübertragungsrate wird entweder automatisch vom CAN-Teilnehmern detektiert oder muss am Gerät oder per Software manuell eingestellt werden.
Dabei muss diese bei allen Teilnehmern im Netzwerk identisch sein.
Der Buszugriff erfolgt über eine Arbitrierung, dabei überwacht jeder Teilnehmer am Anfang der Übertragung den Bus. Sendet ein anderer Teilnehmer gleichzeitig, überschreibt das dominante Bit am Anfang einer Nachricht das rezessive Bit des anderen. Dies erkennt der Sender der überschriebenen Nachricht und bricht die Übertragung ab, um es später erneut zu versuchen.

Die Synchronisation aller Teilnehmer, z. B. für die Arbitrierung, beginnt bei Empfang des ersten dominanten oder rezessiven Bits. Durch Bit-Stuffing innerhalb der CAN-Nachricht wird die Synchronisation aufrechterhalten. Dabei wird nach fünf Bits gleicher Polarität ein Bit mit umgekehrter Polarität eingefügt. Die CAN-Transceiver der Empfänger lösen dieses entsprechend wieder auf.

Durch den Object Identifier wird die Priorität auf dem Bus festgelegt, je niedriger der Identifier desto höher die Priorität. Die Nachrichten werden von den Teilnehmern auf den Bus gesendet und alle Teilnehmer erhalten diese Anhand des Object Identifiers
entscheiden die Teilnehmer laut ihrer Konfiguration, ob die Nachricht auch für sie laut ihrer Konfiguration relevant ist oder nicht.

Es gibt zwei unterschiedliche Standards für Identifier:

  • Das Basisformat nutzt 11-Bit zur Nachrichtenidentifikation (CAN 2.0A)
  • Das erweiterte Format mit 29-Bit Identifier Länge (CAN 2.0B)

Die Nutzdatenlänge innerhalb einer Nachricht beträgt 0-64 Bit, also bis zu 8 Byte pro Nachricht maximal.
Es sind bis zu 127 Busteilnehmer zulässig.

Auf der Anwendungsschicht kommt für das Netzwerkmanagement zusätzlich das Master-/Slave-Modell zum Einsatz. Die Teilnehmer werden in der Regel durch NMT-Master gestartet. Die NMT-Nachrichten werden über den Identifier 0 gesendet, dabei werden die Teilnehmer mit verschiedenen Kommandos in verschiedene Betriebszustände versetzt.
Der NMT-Master prüft beim Start ob alle Teilnehmer vorhanden sind und konfiguriert diese ggf. über SDO’s (Service Data Objects). Über die SDO’s kann sowohl lesend als auch schreibend auf die Objektdatenbank eines Teilnehmers zugegriffen werden. Für die SDO-Kommunikation wird das Client-/Server-Model verwendet, bei der der Client die Nachricht initiiert und die Nachricht der Server diese bestätigt. Abhängig davon ob neben dem SDO-Server auch ein Client implementiert wurde ist auf auch die Kommunikation zwischen den Teilnehmern per SDO möglich.

Nach dem Start des Netzwerkes durch den NMT-Master fangen die Teilnehmer an per PDO (Process Data Object) Daten zu übertragen (normaler Kommunikationsbetrieb). Dabei kann jedes Objekt individuell in seinem Kommunikationsverhalten konfiguriert werden. Üblicherweise werden Daten effizient Ereignisgesteuert übertragen. Eine Variante des PDO ist der Timestamp.

Mit Hilfe von Sync-Nachrichten können mehrere PDO’s synchronisiert übertragen werden. Im Fehlerfall können Geräte Emergency-Nachrichten mit einem Fehlercode übertragen.   Die Überwachung von Teilnehmern im Betrieb erfolgt über die optionalen Funktionen Heartbeat und Node-Guarding. Mit dem Hearbeat können sich Teilnehmer gegenseitig mittels SDO-Nachricht überwachen.

Um den Funktionsumfang und die Interoperabilität von CANopen Geräten weiter zu verbessern sind von der CiA Anwendungsprofile definiert worden. Diese definieren im Besonderen bzgl. der Objektdatenbank einen Mindest-Funktionsumfang für einen bestimmten Gerätetyp (z.B. für E/A-Baugruppen, Antriebe, Sensoren und Regler, Encoder,.).

​​​​​​​Konfiguration

Üblicherweise werden die Baudrate (wenn nicht automatisch detektiert) und der CAN-Identifier (Geräteadresse) konfiguriert. Der Hersteller eines CANopen Gerätes stellt ein elektronisches Datenblatt (Electronic Data Sheet - EDS-Datei) bereit, das Informationen zu allen im Gerät implementierten CANopen Geräte Objekten beinhaltet.

Die weitere Konfiguration erfolgt über ein CANopen Konfigurationstool, dass üblicherweise entweder über den NMT-Master oder über einen PC zu CAN Adapter Zugriff auf den Bus erhält (z.B. USB zu CAN Adapter). Der Ablauf ist sehr grob, im ersten Schritt, die Einbindung der EDS-Dateien der angeschlossenen Geräte. Das angeschlossene Netzwerk wird nach Teilnehmern durchsucht und die Informationen aus den EDS-Dateien entsprechend der ausgelesenen Hersteller und Gerätekennungen zugeordnet. Die Bus-Parameter werden festgelegt. Danach erfolgt das PDO-Mapping, die Zuweisung von Sende- und Empfangs-Prozessdaten-Objekte (TxPDO, RxPDO) der Teilnehmer und die Übertragungsparameter können für jedes PDO festgelegt werden. Nach Abschluss der Konfiguration wird diese über den Bus auf alle Teilnehmer geladen (dies erfolgt über SDOs).

Bei der Inbetriebnahme werden durch die Konfiguration eines Teilnehmers mithilfe der EDS-Datei, Parameterwerte, Namen etc. festgelegt und daraus eine Geräte-Konfigurationsdatei (Device Configuration File – DCF-Datei) generiert.

Varianten / Versionen

 

  • CANopen FD (Flexible Data-Rate), von acht auf 64 Bytes erweiterte Nutzdatenlänge
  • CANopen Safety bietet Funktionen für funktionelle Sicherheit.

Weitere Informationen:

CAN in Automation (CiA)
Internationale Anwender- und Herstellergruppe für das CAN-Netzwerk (Controller Area Network)

https://www.can-cia.org/

Anwendungsgebiete

Der CANopen findet Anwendung in Antriebstechnik, Robotik, Medizintechnik, Automotive, Schifffahrt, Bahntechnik,..

Unser CANopen-Portfolilo:

Gateways

Konfigurierbares Gateway für freie Datenverwaltung
Galvanische 3-WegeTrennung
Bis zu max. 1 Mbps CANopen Datenrate

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Panel PC

Die ViTAM-9(A) Serie basiert auf einem Intel® Core™- Prozessor der 4. oder 6. Generation. Die Panel-PCs dieser Serie sind in den Display-Größen 15“ bis zu 24“, wahlweise mit projiziert kapazitivem, resistivem oder ohne Touch ausgestattet. Diese sehr leistungsstarken und effizienten Prozessorfamilien bringen ausreichend Rechenleistung für mittlere und große Anwendungen mit und ermöglicht dadurch umfangreichere Anwendungen Industrielle Master-, SCADA- oder IIoT-Monitor-Control-Applikationen.

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Absolutwert-Drehgeber CANopen
der Wachendorff Automation GmbH & Co. KG

Vollwellendrehgeber und Endhohlwellendrehgeber,
verschiedene Flanschtypen.

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