Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Profil CANopen pro elektrické pohony standardem IEC

Profil CANopen pro elektrické pohony standardem IEC

Modulární stavba moderních strojů vyžaduje elektronické sítě zajišťující výměnu dat uvnitř jednotlivých modulů i mezi moduly navzájem. Pro výrobce strojů je přitom velmi důležité hledisko nákladů. Potřebují tedy konfigurovat snímače a akční členy do sítí a integrovat celý řídicí systém stroje s vynaložením co nejmenšího úsilí. Aby jim vyšli vstříc, vybavují mnozí z dodavatelů své elektrické pohony rozhraním pro sběrnici CAN s protokolem CANopen podle profilu zařízení CiA 402 (viz text v rámečku).

Profil zařízení pro elektrické pohony – CiA 402 – významně zjednodušuje integraci těchto pohonů do sítí s protokolem CANopen tím, že standardizuje komunikaci pohonů nad aplikační, tj. sedmou vrstvou známého jednotného referenčního modelu komunikačního kanálu ISO/OSI. Profil CiA 402 je od léta letošního roku součástí mezinárodního standardu IEC CD 61800-7-1/2/3.

Vlastnosti protokolu CANopen umožňující integrovat systém

Zařízení používající protokol CANopen spravuje své komunikační a další parametry v tzv. adresáři objektů (object dictionary), tvořícím rozhraní mezi komunikačním softwarem a uživatelským (aplikačním) programem. Protokol CANopen nabízí standardizované komunikačním objekty pro přenos jak technologických (provozních), tak konfiguračních dat. K synchronizaci skutečných a požadovaných hodnot CANopen nabízí synchronizační zprávu (SYNC) a synchronní objekty s provozními daty. S použitím těchto a dalších komunikačních objektů typu časové známky, nouzového (emergency) objektu a hlášení o chybě (control message) lze prostřednictvím protokolu CANopen pružně konfigurovat síť podle potřeb dané úlohy. Současně protokol CANopen definuje stavový automat pro správu sítě (Network Management – NMT), umožňující síť určeným způsobem spustit.

Jednoduchá integrace systému způsobem plug-and-play vyžaduje další standardizaci

Aby bylo možné zjednodušit postup při integrování systému, tj. aby zařízení v síti mohla spolu komunikovat způsobem plug-and-play při minimálním integračním úsilí, je nutné zajistit ještě vyšší stupeň standardizace než ten, který nabízí sedmá (aplikační) vrstva modelu ISO/OSI. A to je důvod, proč mezinárodní sdružení uživatelů a výrobců CAN in Automation (CiA) vyvíjí profily zařízení využívajících protokol CANopen, které významně usnadňují a zlevňují integraci systému.

Profily zařízení podle CANopen určují, které komunikační a aplikační objekty obsažené v adresáři objektů musí být v daném případě podporovány, a vymezují, co vše jsou provozní data, s nimiž se pracuje. Nad tím vším profil také stanovuje standardní způsob činnosti zařízení. Současně ovšem ponechává určitý prostor pro specifické funkce dané výrobcem zařízení.

Profil CiA 402 pro elektrické pohony

Profil zařízení CiA 402, určený pro elektrické pohony, byl navržen k přijetí za mezinárodní standard a letos v létě publikován jako IEC CD 61800-7-1/2/3. Profil CiA 402 vymezuje funkční chování krokových motorů, servomotorů a měničů frekvence. Aby bylo možné popsat různé typy pohonů, jsou v profilu CiA 402 specifikovány jednotlivé režimy činnosti a parametry těchto zařízení. Požadovaného chování pohonu se dosahuje tak, že každý z režimů činnosti pohonu je svázán s určitými objekty, jako je např. maximální rychlost, zrychlení apod.

Profil CiA 402 podporuje např. režim činnosti Homing, při kterém si pohon najde svou referenční polohu, a to v několika variantách. Stejně snadno lze např. popsat variantu jak s použitím koncových spínačů, tak se zaznamenáváním impulzů. Vedle toho lze nastavit i parametry pohybu do referenční polohy (např. rychlost a zrychlení). Obdobně je možné pro režim Profile Position konfigurovat rychlost a zrychlení pohybu do cílové polohy.

V režimu činnosti Interpolated Position je možné popsat pohyby os interpolované v čase, což umožňuje navzájem synchronizovat chod několika os. Režim Profile Velocity lze použít k řízení rychlosti pohonu bez vazby na jeho polohu. Režimy Profile Torque a Velocity se použijí k řízení krouticího momentu anebo rychlosti pohonu. Režim Velocity byl zařazen speciálně pro měniče frekvence, pro něž umožňuje zadat mezní hodnoty veličin a rampové funkce.

Protokol CANopen

Protokol CANopen je standardizovaný protokol vyšších vrstev (EN 50325-4) založený na sběrnici CAN (Controller Area Network), jež byla vyvinuta na začátku 80. let minulého století jako robustní a přizpůsobivá řídicí sběrnice k použití v automobilech. Protože čipy s řadiči pro sběrnici CAN se hromadně instalují do automobilů, jsou levně k mání v široké škále provedení. Celkem jich byly na celém světě do nynějška prodány již více než dvě miliardy(!). Z tohoto pohledu je sběrnice CAN zajímavou volbou i pro obor automatizace v průmyslu.

Sběrnice CAN sama o sobě řeší jen základní přenos dat. Její protokol stanovuje pouze první dvě vrstvy referenčního modelu komunikačního kanálu podle ISO/OSI: fyzickou (vrstva 1) a spojovou (vrstva 2). V mezilidské komunikaci jsou ekvivalentem těchto vrstev např. telefonní linka a písmena abecedy. Telefonní linka je médium, jehož prostřednictvím spolu lidé komunikují, a písmena abecedy jsou základem našeho jazyka. Křičet na sebe navzájem do telefonu písmena abecedy ovšem není příliš praktické. Proto je potřebný dokonalejší, vyšší jazyk s jeho slovy, gramatikou a mnoha idiomy. V referenčním modelu ISO/OSI tomu odpovídají vrstvy tři až sedm. Protokoly, jimiž jsou uvedené vrstvy definovány, se označují jako protokoly vyšších vrstev. Jedním z mezinárodně standardizovaných protokolů tohoto druhu (EN 50325-4) je protokol CANopen, který denně v praxi prokazuje svou vynikající provozní pružnost a robustnost.

Profil zařízení dovoluje výrobcům pohonů přidat k daným režimům činnosti také jejich vlastní režimy, specifické pro ten který výrobek. Pohon se zavedeným profilem CiA 402 může podporovat několik režimů činnosti, které ale nemohou probíhat všechny současně. Profil poskytuje možnost dynamicky přecházet z jednoho režimu činnosti do druhého (obr. 1).

Stavový diagram v profilu popisuje vnitřní a vnější chování zařízení (obr. 2). Přechody mezi stavy jsou iniciovány zasláním stavového slova nebo událostmi uvnitř zařízení. Uživatelé mohou kontrolovat stav pohonu přečtením stavového slova. Před tím, než je pohon ve stavu schopném provozu, je třeba parametrizovat několik jeho funkcí. Proto pohon prochází stavem napájení vypnuto (Power Disabled). Přechod ze stavu připraven k zapnutí (Ready-to-Switch-On) do stavu zapnut (Switched-On) odpovídá připojení napájecího napětí. Parametry pohonu lze měnit ve stavu připraven k zapnutí a napájení zapnuto (Power Enabled). Osy se pohybují pouze při stavu pohonu schopen provozu (Operation Enabled). Stav výskyt hlášení o poruše (Fault Reaction Active) je dostupný z libovolného jiného stavu pro případ, že zařízení zjistí svou vnitřní chybu.

Profil zařízení tedy vedle režimu činnosti a stavového diagramu pohonu určuje také skladbu objektů obsahujících provozní data, tzv. PDO (Process Data Object). Každý jednotlivý PDO zaslaný pohonem obsahuje informaci o současném stavu stroje (stavové slovo). Tím je zajištěno, že příjemce obdrží informaci o tom, zda je pohon v očekávaném (správném) stavu, a že bude vydán povel, který tomuto stavu odpovídá. Samozřejmostí je, že PDO obsahuje i provozní data (hodnoty parametrů).

Současná rozšíření profilu CiA 402

Mezinárodní standard IEC 61800-7, jehož je nyní profil CiA 402 součástí, obsahuje celkem čtyři profily zařízení (CiA 402, CIP Drive, Profidrive a SERCOS), popsané v části 2 nezávisle na typu sběrnice a síti. Zobrazení do specifického komunikačního systému je provedeno v části 3 standardu IEC, kde je profil CiA 402 zobrazen do protokolů CANopen, EtherCat a Ethernet Powerlink.

Před podáním návrhu na jeho přijetí za mezinárodní standard přidala CiA k dosavadnímu profilu CiA 402 zobrazení typových (type-specific) PDO a několik režimů činnosti. Stavový diagram se nezměnil. Dále nebyly v návrhu pro IEC zahrnuty ty konfigurační parametry, které se buď nepoužívají, nebo jejichž definice je nejednoznačná. Profil byl před podáním návrhu také redakčně přepracován, přičemž cílem bylo odstranit chyby a vyhnout se případným nesprávným interpretacím textu.

Zobrazení typových PDO

Možnost zobrazit typové PDO je zavedena s cílem zjednodušit v budoucnu konfigurování pohonu prostřednictvím sběrnice CANopen. Jde o prozatím poslední doplněk profilu CiA 402.

Profil zařízení podle protokolu CANopen doposud přesně stanovoval sedm objektů s provozními daty při vysílání (Transmit Process Data Objects – TPDO) a osm při příjmu (Receive Process Data Objects – RPDO). Toto generické zobrazení PDO vyžadovalo jejich konfigurování v závislosti na režimu činnosti, neboť identifikátor sběrnice CAN (CAN-ID) se zobrazuje pouze do čtyř TPDO, popř. RPDO. Zbývající PDO musel dosud konfigurovat integrátor systému. Pro zmenšení pracnosti při konfigurování systému profil nyní nově obsahuje vždy pouze po jednom typovém způsobu zobrazení PDO zvlášť pro měniče frekvence, pro servomotory a pro krokové motory. Informace o tom, který ze způsobů mapování PDO je použit, je obsažena v adresáři objektů, a to v bitu 22 objektu 0x1000.

Vysílání všech TPDO je řízeno definovanými událostmi, mezi něž patří také spuštění pohonu. Pro měniče frekvence jsou určeny tři TPDO a tři RPDO, obsahující stavové slovo, aktuální rychlost (TPOD 1, RPDO 1) a aktuální krouticí moment (TPDO 2, RPDO 2). Třetí TPDO a RPDO může použít pro své specifické účely výrobce a TPDO a RPDO čtyři až šestnáct jsou záložní.

Zobrazení typových PDO pro servomotory a pro krokové motory je totožné: TPDO 1 přenáší stavové slovo, TPDO 2 aktuální polohu a TPDO 3 aktuální rychlost, a to periodicky (každých 100 ms). K použití výrobcem pohonu jsou vyhrazeny TPDO 4 a RPDO 4. Podobně RPDO 1, 2 a 3 obsahují po řadě stavové slovo, žádanou polohu a žádanou rychlost.

Typové PDO se používají především u pohonů s omezenými funkčními možnostmi. Produkty se speciálními funkcemi je většinou nutné konfigurovat.

Doplňkové režimy činnosti

Doplňkovými režimy činnosti jsou cyklické synchronní módy řízení polohy, rychlosti a krouticího momentu. Profil pohonu pro CANopen dosud podporoval pouze elektrické pohony s vlastním generátorem trajektorie. Verze navržená k přijetí IEC definuje také cyklické synchronní řízení polohy, rychlosti a krouticího momentu. Jde o obdobu módů použitých v systému SERCOS, kdy úlohu obvykle prováděnou v pohonu s protokolem CANopen vykonává řídicí jednotka. K tomu je nutný synchronní přenos objektů typu PDO, což znamená, že rozhraní CANopen musí podporovat příjem synchronizačních zpráv a musí být schopno vysílat a přijímat synchronní PDO. Pro cyklické synchronní módy řízení bylo nutné definovat několik dodatečných konfiguračních parametrů.

Souhrn

Profil CiA 402 pro zařízení používající komunikační protokol CANopen je použit v mnoha pohonech. Jeho verze navržená k přijetí za mezinárodní standard na úrovni IEC je rozšířena o zobrazení typových PDO a doplňkové režimy činnosti. Zobrazení typových PDO zjednodušuje proces konfigurování pohonu prostřednictvím sítě CANopen. Profil nyní nabízí také módy pro řízení polohy, rychlosti a krouticího momentu. Profily zařízení zjednodušují integrátorům systému práci s konfigurováním sítě a umožňují připojovat zařízení do sítě způsobem dosti blízkým stále oblíbenější metodě plug-and-play.

(Can in Automation)

Z anglického originálu CANopen device profile for electric drives will be published as IEC standard, CAN in Automation (CiA), Erlangen, June 2007, přeložil Karel Suchý; úprava redakce; otištěno se svolením CAN in Automation GmbH.

Obr. 1. Profil CiA 402: princip dynamického přepínání režimu činnosti pohonu
Obr. 2. Základní stavový diagram pohonu podle profilu CiA 402

Příspěvek lze ve formátu PDF stáhnout zde