Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Vozidla určená ke svozu odpadu jsou vybavena mnoha různými technickými zařízeními, která např. identifikují kontejner na odpad, zjistí jeho hmotnost, řídí zdvihací a vyklápěcí mechanismus nebo stlačují odpad ve vozidle. Tato zařízení jsou dodávána různými výrobci a je mnoho kombinací, jak tato a další zařízení sestavit pro konkrétní vozidlo podle jeho přesného určení a požadavků zákazníka. Pro usnadnění vzájemné součinnosti všech použitých zařízení je potřebná vhodná komunikační síť. Významní výrobci těchto speciálních vozidel se proto rozhodli vyvinout aplikační profil, nyní označený CiA 422 a nazývaný Cle- ANopen, založený na sběrnici CAN a umožňující instalovat zařízení metodou plug and play. Práce na vývoji profilu začaly již v roce 2003 a letos v dubnu byl představen na mezinárodním veletrhu pro vodárenství, čištění odpadních vod, zpracování odpadu a recyklaci IFAT v Mnichově (SRN). Ve stánku sdružení CiA (CAN in Automation) byl umístěn panel znázorňující sběrný vůz a jeho výbavu od různých výrobců (obr. 1). Na exponátu bylo možné demonstrovat, jak snadné je jednotlivé komponenty sestavovat a zaměňovat. Návštěvníci např. mohli odpojit identifikační zařízení jednoho výrobce a zapojit místo něj zařízení jiného výrobce, aniž by museli rekonfigurovat a restartovat komunikační síť. Veškerá komunikace ve vozidle je zajišťována výhradně prostřednictvím sběrnice CAN.
Technické základy
Struktura sítě využívá hardware CAN (ISO 11898-1/2). Jako vyšší protokol sítě (aplikační vrstva a komunikační profil), který je určen pro přenos dat, diagnostiku a správu sítě, je použit CANopen. Pro dosažení funkce plug and play je nad CANopen vytvořen ještě aplikační profil, popisující obsah komunikace mezi jednotlivými zařízeními (obr. 2).
V současné době sběrnice CAN propojuje řídicí jednotky mnoha mobilních strojů a speciálních vozidel. Přináší to mnoho výhod: hardware je dostupný za rozumné ceny, sběrnice má za sebou dvacet let vývoje a výrobci zaručují dlouhodobou dostupnost dodávaných komponent. Použití sériové komunikace redukuje náklady na kabeláž a sběrnice CAN vykazuje dobrou odolnost proti elektromagnetickému rušení. Spotřeba energie je malá a přenosová rychlost je až 1 Mb/s. Řadiče CAN jsou často integrovány přímo na čipu. Fyzická vrstva a protokol sběrnice CAN zabezpečují spolehlivou komunikaci i v nepříznivých podmínkách.
Pro použití CAN ve vozidlech byly vyvinuty dva protokoly vyšších vrstev: SAE J1939 a CANopen. Tyto protokoly nejsou kompatibilní a nelze je kombinovat v jedné síti. J1939 byl vyvinut speciálně pro hnací jednotky vozidel poháněných dieselovým motorem a lze jej nejčastěji najít na motoru a šasi, zatímco CANopen je převážně používán pro komunikaci řídicích jednotek.
Standard CANopen (EN 50325-4) je dostupný od roku 1995 a od té doby se stal obecně známým. Používá se v mnoha oborech, nejen ve vozidlech: např. pro řízení výrobních strojů, jako součást řídicích systémů námořních lodí nebo v medicínských zařízeních. Aplikační vrstvu CANopen může do svého zařízení implementovat každý a mnozí výrobci dávají zdrojový kód volně k dispozici. K dispozici je také mnoho nástrojů pro CANopen, např. pro diagnostiku, konfiguraci nebo vývoj. Do zařízení lze snadno začlenit různé produkty schopné komunikovat prostřednictvím CANopen, např. moduly I/O nebo komunikační brány. CANopen zabezpečuje základní komunikační funkce, jako spojení peer-to-peer, broadcast, diagnostiku, správu sítě, identifikaci zařízení a jejich konfiguraci nebo doporučení pro fyzické provedení. CleANopen popisuje interakce mezi stanovenými zařízeními. Komunikace je plně stanovena, a v důsledku toho lze realizovat funkci plug and play. Díky kompatibilitě zařízení s CleANopen lze také decentralizovat vývoj jednoho zařízení mezi několik vývojových týmů.
Aplikační profily CANopen a virtuální zařízení
Pro zajištění flexibility implementace zařízení je v aplikačních profilech CANopen použit koncept virtuálních zařízení (VD, virtual devices). Virtuální zařízení se skládá z několika aplikačně specifických objektů. Například virtuální jednotka zdvihacího zařízení se skládá z objektů „pozice zdvihače“ nebo „počítadlo kontejnerů“ (obr. 4). Objekt „pozice zdvihače“ zdvihacího zařízení odesílá aktuální hodnotu o poloze zařízení při vyprazdňování kontejneru. Po úspěšném vyprázdnění kontejneru zvětší počítadlo kontejnerů svou hodnotu o jedničku. Tato hodnota může být zobrazena na terminálu řidiče nebo odeslána prostřednictvím GSM do řídicího centra.
Jiné virtuální zařízení, virtuální měřicí jednotka, jejímž hlavním úkolem je zjišťovat hmotnost kontejnerů, přijímá hodnotu o aktuální pozici zdvihače a naopak do sítě odesílá hodnotu čisté hmotnosti.
Základní idea virtuálních zařízení je, že konstruktér může do jednoho fyzického zařízení implementovat jedno (obr. 5), ale i více virtuálních zařízení (obr. 6). Komunikaci s ostatními zařízeními to přitom nijak neovlivní.
Ve specifikaci CleANopen jsou definována tato virtuální zařízení:
-
řídicí jednotka nástavby − rozhraní pro pneumatické a hydraulické pohony,
-
jednotka výměny kontejnerů,
-
stlačovací jednotka − umožňuje synchronizaci se zdvihacím zařízením,
-
zdvihací zařízení − poskytuje hodnotu o pozici zdvihače a umožňuje jeho konfiguraci,
-
identifikační zařízení − např. čtečka RFID,
-
měřicí jednotka A − pro měření hmotnosti kontejnerů,
-
měřicí jednotka B − pro měření objemu odpadů,
-
jednotka klasifikace kontejnerů − rozhoduje, zda má být kontejner zdvižen, nebo vymyt,
-
mycí jednotka − pro automatické vymývání kontejnerů,
-
měřicí a identifikační počítač − shromažďuje hodnoty z měřicí jednotky a identifikačního zařízení a sleduje, kolik odpadu bylo v kterém kontejneru,
-
komunikační brána do sítě vozidla − umožňuje např. v případě potřeby zvýšit otáčky motoru,
-
jednotka GPS − sleduje pozici vozidla.
Předem určená komunikace
Komunikace mezi uvedenými virtuálními zařízeními je plně stanovena pomocí telegramů PDO (Process Data Object). PDO jsou přiřazeny jednotlivým rámcům CAN, v nichž jsou předem určené části řízení komunikace (komunikační parametry PDO) a vlastního obsahu (parametry přiřazení PDO). Objekty zájmu, tj. provozní data, jsou přiřazeny − namapovány do PDO a potom odeslány jako telegram broadcast do celé sítě. Specifikace určuje, která virtuální zařízení zprávu přijmou.
Na obr. 7 je ukázána komunikace na příkladu přenosového PDO (Transmit PDO, TPDO) stanoveného pro zdvihací zařízení. Do PDO jsou přiřazeny dva objekty, stavový objekt a objekt udávající pozici. Tento PDO přijímají tři virtuální zařízení, ostatní jej ignorují.
Očekávaný vývoj CleANopen
Jak rostou požadavky na vozidla na svoz odpadu, roste i složitost jejich vybavení. Pro to, aby zařízení, z nichž se skládají, mohla vzájemně komunikovat a aby v jednom vozidle mohly být použity komponenty několika výrobců bez velkých nákladů na zajištění jejich vzájemné kompatibility, je zapotřebí standardizovaný protokol, a tím může být právě CleANopen. V současné době jsou již leckterá vozidla pro svoz odpadu vybavena zařízeními schopnými komunikovat prostřednictvím tohoto protokolu. CleANopen podporují mnozí významní výrobci, přestože někteří stále používají i vlastní standardy. Nemálo evropských firem ale ohlašuje přechod na CleANopen, protože očekávají, že tomuto standardu bude patřit budoucnost.
Christian Dressler,
CAN in Automation
Obr. 1. Aplikační profil CleANopen byl představen na veletrhu IFAT 08 v Mnichově
Obr. 2. CANopen je založen na CAN a CleANopen na CANopen
Obr. 3. Elektronická zařízení na vozidle pro svoz odpadu spojená CAN
Obr. 4. Objekty ve virtuálním zařízení (VD)
Obr. 5. Dvě virtuální zařízení realizovaná dvěma fyzickými zařízeními
Obr. 6. Dvě virtuální zařízení realizovaná jedním fyzickým zařízením
Obr. 7. Virtuální jednotka zdvihacího zařízení přiřazuje do PDO dva objekty; její PDO přijímají tři virtuální zařízení