Учебное пособие по интерфейсам систем промышленной автоматизации, страница 29

Началу работ над первой версией протоколаCAN Kingdom в 1990 году предшествовал многолетний опыт компании в областисоздания систем распределённого управления. Протокол был специально разработан для управления движущимися машинами и механизмами промышленнымироботами, текстильными станками, мобильными гидравлическими устройствами,и позволяет достичь высокой производительности в режиме реального временипри удовлетворении жёстких требований безопасности. CAN Kingdom являетсятакже основой американского военного стандарта CDA 101 и широко используется в военной технике от надувных лодок и систем наведения на цели до сверхзвуковых истребителей и ракет.Основной целью создания протокола было предоставление системному разработчику максимальной свободы в реализации своих идей при построении сети,сохранив при этом возможность использования стандартных модулей от независимых производителей.

CAN Kingdom не является «готовым» протоколом в томсмысле, в каком это справедливо, например, по отношению к стандартам типаCANopen или DeviceNet. Это скорее набор примитивов, метапротокол, с помощью которых можно «собрать» протокол под конкретную сеть модулей. Этимдостигается уникальное сочетание простоты интеграции готовых модулей с высокой степенью «закрытости» оригинального протокола.145При разработке спецификации CAN Kingdom авторы отказались от принятого в подобных случаях и широко распространённого следования правилам взаимодействия открытых систем. Семиуровневая модель ВОС создавалась изначально для описания традиционных компьютерных сетей, от которых не требуется работа в реальном масштабе времени, и предназначены они для обслуживания пользователей, требования которых априори (на этапе построения такой сети) неизвестны и непредсказуемы.

В системах же управления реального времени ситуацияпрямо противоположная: на стадии разработки все коммуникационные потребности модулей должны быть известны.Краеугольным камнем концепции сетевого взаимодействия CAN Kingdomявляется принцип: «узлы обслуживают сеть» в отличие от принципа «сеть обслуживает пользователей», свойственного компьютерным сетям.Это означает, что каждый узел, подключаемый к сети должен объявить освоём подключении. После этого остальные узлы обеспечат новый узел информацией, необходимой для выполнения его задачи в сети.

Каждый узел, подключаемый к сети уже «знает» о своей роли в системе и запрашивает средства, которыеему необходимы.Представление CAN-сети в терминах CAN Kingdom (в сравнении с традиционным) дано на рис. 4.20. В CAN Kingdom сеть CAN – это страна (королевство) сосвоей столицей (центральный контролирующий узел) и провинциальными городами (остальные узлы). Король (управляющая программа-супервизор) управляетвсем королевством и отвечает за соблюдение закона и порядка в нём, а за местноеуправление (в пределах своего узла) отвечают мэры городов (управляющие программы узлов). Каждый город экспортирует или импортирует продукциюинформацию посредством почты, которая циркулирует по почтовому тракту(CAN-шина) и проходит через почтмейстеров (CAN-контроллеры).

Типы почтовой корреспонденции (информация, передаваемая по сети) и её соответствиеCAN-терминам таковы:CAN-фрейм данных или удалённого запросаПисьмоCAN-идентификаторКонвертПоле данных CAN-фреймаСтраницаБайт данныхСтрокаБит данныхЭлемент строкиНеформальный язык описания протокола позволяет любому специалисту,далекому от вычислительной техники или электроники биологу, механику иливрачу благодаря интуитивно понятному описанию сети (как должны функционировать общество или страна, примерно представляют себе все) активно участвовать если не в процессе разработки системы, то хотя бы сознательно формулиро146вать технические условия и иметь представление о принципах её функционирования.Узел 1Узел 2Узел 3Узел 4МикропроцессорМикропроцессорМикропроцессорМикропроцессорCANконтроллерCANконтроллерCANконтроллерCANконтроллерШина CANа) традиционное представление CAN-сетиСтолицаГород 1Город 2Город 3КорольМэр 1Мэр 2Мэр 3Почтмейстер 0Почтмейстер 1Почтмейстер 2Почтмейстер 3Почтовый трактПочтовая системаб) в терминах CAN Kingdom20.Рис.

4.20. Представление CAN-сети в терминах CAN KingdomCAN-система на базе протокола CAN Kingdom обладает следующими особенностями:• распределение CAN-идентификаторов находится под полным контролемразработчика;• максимальное время прохождения любого сообщения в сети предсказуемо;• во время начальной инициализации системы происходит обязательныйэтап настройки протокола, включая построение форматов данных, начиная с битового уровня, методов управления шиной, распределение идентификаторов ит.д.;• в системе всегда должен присутствовать (как минимум до завершения настройки протокола) супервизор (король), производящий инициализацию системы,контроль подключенных узлов и т.

д. Ни один узел не может принимать участие всетевом обмене без разрешения Короля.147• перед инициализацией сети каждый узел (город) должен иметь свой номер(CAN Kingdom не описывает конкретный способ установки номера узла, это может быть DIP-переключатель, энергонезависимая память или конфигурация соединителя), «знать» идентификатор сообщения инициализации (королевскоеписьмо) и скорость передачи данных в сети;• в сеть CAN Kingdom возможна интеграция любых CAN-модулей, включаяразработанных для других протоколов, например, DeviceNet или SDS;• не существует каких-либо рекомендуемых скоростей передачи данных, ноза первые 200 мс после подачи питания узел обязан настроиться на прослушивание шины на скорости 125 кбит/с.

Допустимы отличающиеся от ISO 11898 спецификации физического уровня.Наличие одного центра-короля, который содержит всю информацию о системе, избавляет от использования профилей устройств, часто применяемых в других протоколах верхнего уровня CAN-сетей.Правила идентификации модулей основаны на использовании международного кода EAN/UPC, включающего код производителя и продукта. Среди другихособенностей CAN Kingdom можно отметить гибкость режимов передачи и упаковки данных (включая использование поля арбитража для передачи данных),объединение узлов в группы, поддержка часов реального времени, различных режимов доступа к шине.DeviceNetDeviceNet (сеть устройств) – протокол, разработанный и опубликованный в1994 году компанией Allen-Bradley [59] корпорации Rockwell и впоследствии переданный в ведение специально организованной для его поддержки ассоциацииODVA (Open DeviceNet Vendor Association Inc., Открытая ассоциация продавцовDeviceNet-устройств) [60].

DeviceNet недорогое, простое и эффективное решениедля объединения разнообразных устройств промышленной автоматизации независимых производителей в единую систему: фото-, термодатчики, стартеры, считыватели штриховых кодов, элементы человеко-машинного интерфейса клавиатуры, дисплейные панели, наряду с управляющими устройствами PLC, компьютерами и т.д. При разработке протокола помимо снижения стоимости также стояла задача упрощения и унификации диагностики подобных устройств.

Первыеустройства, удовлетворяющие спецификации DeviceNet, появились на рынке вначале 1995 года. DeviceNet также построен на двух нижних уровнях стандартаCAN, дополненных более детальными, чем в других протоколах верхнего уровнядля CAN, спецификациями физической среды [55].148Сеть DeviceNet имеет шинную топологию с отводами.

Физической средойпередачи является 4-проводной кабель (CAN_H, CAN_L, Vcc, Ground), причемвозможны две его разновидности: толстый (внешний диаметр 12,2 мм) и тонкий(6,9 мм). Определены лишь три значения скорости передачи данных 125, 250 и500 кбит/с. Максимальные длины центральной магистрали и отводов в зависимости от скорости передачи и типа кабеля приведены в табл. 4.18.18.Таблица 4.18.Ограничения на протяжённость сети DeviceNetДлина магистрали, мДлина отводов, мСкорость передачи,ТолстыйТонкийкбит/сОдиночныхСуммарнаякабелькабель1255001006156250250100678500100100639Важной особенностью сети DeviceNet является возможность питания модулей непосредственно от сетевого кабеля (24 В, до 8 А на толстом кабеле), а такжедопускается применение нескольких источников питания в любой точке шины.Всё это даёт возможность построения автономной сети, не зависящей от наличияили качества внешнего питания, а при необходимости позволит легко демонтировать и снова развернуть систему на новом месте.

Сеть DeviceNet допускает «горячее» (без обесточивания сети) подключение и отключение узлов.Стандарт DeviceNet содержит также подробное описание многочисленныхтипов переходников, разветвителей (одиночных и многопортовых), соединителей(Mini, Micro), сетевых отводов и т.п.При описании организации типов данных, сетевого поведения узлов вDeviceNet используется объектно-ориентированная модель. Обязательные классыобъектов включают в себя следующие:• объект удостоверения (Identity object). Содержит информацию об устройстве (код производителя, продукта, версия и т. п.);• объект соединения (Connection object).

Логический порт ввода/вывода устройства;• объект DeviceNet. Включает MAC ID (идентификатор устройства), скорость передачи, состояние устройства и т.п.;• объект маршрутизатора сообщения (Message router object). Перенаправляетявное сообщение получателю.Сообщения в сети DeviceNet могут быть двух типов:149• сообщения ввода/вывода (I/O messages) предназначены для целей управления устройствами и передачи данных в реальном времени между узлами в широковещательном или в режиме точка-точка. Используют идентификаторы с высоким приоритетом, которые и определяют содержание сообщения;• явные сообщения (Explicit messages) для многоцелевого обмена данными врежиме точка-точка. Обеспечивают типичный сервис запрос/ответ.