10.1
Installation et configuration du bus de terrain CANopen
Présentation du bus de terrain CANopen
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Contenu de ce sous-chapitre
Cette section est destinée à vous apporter des connaissances générales sur la technologie du bus de terrain CANopen et à vous présenter la terminologie CAN utilisée dans le reste du chapitre.
Ce sous-chapitre contient les sujets suivants :
Sujet
Base de connaissances CANopen
A propos de CANopen
Boot-Up CANOpen
Transmission d'un objet PDO (Process Data Object)
Accès aux données à l'aide d'échanges explicites (SDO)
Node Guarding et Life Guarding
Gestion du bus interne
Page
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Installation et configuration du bus de terrain CANopen
Base de connaissances CANopen
Introduction
Fichier EDS
PDO
SDO
COB-ID
Les explications des termes techniques et acronymes ci-dessous permettent de maîtriser les connaissances de base nécessaires aux communications réseau
CANopen.
EDS (Electronic Data Sheet, document de description électronique)
Un fichier EDS comporte une description des propriétés de communication d'un
équipement d'un réseau CAN (débits, types de transmission, offre E/S, etc.). Il est fourni par le fabricant de l'équipement et est utilisé dans l'outil de configuration lors du paramétrage d'un nœud (par exemple, un pilote dans un système d'exploitation).
PDO (Process Data Object, objet données de traitement)
Trame CANopen contenant des données d'E/S.
On distingue : z les Transmit-PDOs (TPDO avec des données fournies par un nœud) ; z les Receive PDOs (RPDO avec des données utilisées par un nœud).
Le sens de la transmission est toujours considéré par rapport à un nœud. Un PDO ne contient pas nécessairement l'image complète des données d'un nœud (qu'il s'agisse de TPDO ou de RPDO). En général, les données d'entrée analogique et les données d'entrée TOR sont réparties dans différents TPDO. Cette caractéristique est également valable pour les sorties.
SDO (Service Data Object, objet de données de service)
Trame CANopen contenant des paramètres.
Les SDO sont généralement utilisés pour lire ou écrire des paramètres sur des lecteurs, lorsqu'une application est en cours.
COB-ID (Communication Object Identifier, identifiant de l'objet de communication)
Chaque trame CANopen commence par un COB-ID faisant office d'identifiant dans la trame CAN. Au cours de la phase de configuration, chacun des nœuds reçoit le
COB-ID de la trame (ou des trames) dont il est le récepteur ou l'émetteur.
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Installation et configuration du bus de terrain CANopen
A propos de CANopen
Introduction
Protocole
CANopen
Couche physique
CANopen est un protocole bus de terrain standard destiné aux systèmes de contrôle industriels. Il est particulièrement adapté aux automates en temps réel, car il constitue une solution efficace et économique pour les applications industrielles mobiles et embarquées.
Le protocole CANopen a été créé en tant que sous-ensemble de la couche CAL
(couche application basée sur le réseau CAN). Grâce à sa fonction de définition de profils, il est en mesure de s'adapter au mieux aux composants industriels standard.
CANopen est une norme CiA (CAN in Automation) qui a été largement adoptée dès sa mise sur le marché. CANopen est désormais reconnue comme norme européenne pour les systèmes industriels basés sur le réseau CAN.
La couche CAN fait appel à une ligne de bus bifilaire différentielle (retour commun).
Le signal CAN correspond à la différence de tension entre les deux lignes (CAN
High et CAN Low). (Voir schéma ci-dessous.)
Le schéma suivant présente les composants de la couche physique d'un bus CAN bifilaire :
1
Ligne CAN High (état haut)
2
Ligne CAN Low (état bas)
3
Différence potentielle entre les signaux CAN High et CAN Low
4
Résistance de 120
Ω
5
Nœud
La paire de fils du bus peut être blindée, torsadée ou parallèle, tant que les exigences en matière de compatibilité électromagnétique sont respectées. Une structure composée d'une seule ligne permet de limiter la réflexion.
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Installation et configuration du bus de terrain CANopen
Profils CANopen Profil de communication
La famille de profils CANopen s'appuie sur un « profil de communication », qui détermine les principaux mécanismes de communication et fournit leur description
(DS301).
Profil des équipements
Les types d'équipement les plus utilisés dans le domaine de l'automatisation industrielle sont présentés dans les profils d'équipement (Device profiles). Ces profils décrivent également les fonctionnalités d'un équipement.
z z z z
Voici quelques exemples d'équipements standard pris en charge : z Modules d'E/S TOR et analogiques (DS401)
Moteurs (DS402)
Contrôleurs (DSP403)
Automates asservis (DSP404)
Automates (DS405) z Codeurs (DS406)
Configuration des équipements via le bus CAN
La capacité à configurer les équipements via le bus CAN constitue l'un des principes de base de l'autonomie réclamée par les fabricants (pour chaque famille de profils).
Caractéristiques générales des profils CANopen
z z z z z z z z
CANopen constitue un ensemble de profils destinés aux systèmes CAN comprenant les caractéristiques suivantes : système à bus ouvert ;
échange de données en temps réel sans surcharge du protocole ; conception modulaire avec possibilité de redimensionnement ; interopérabilité et interchangeabilité des équipements ; prise en charge par un grand nombre de fabricants partout dans le monde ; configuration réseau normalisée ; accès à l'ensemble des paramètres d'équipement ; synchronisation et circulation de données de traitement cycliques et/ou de données d'événement (possibilité de temps de réponse système courts).
Certification des produits
CANopen
La totalité des fabricants mettant sur le marché des produits certifiés CANopen est membre de l'organisation CiA. En tant que membre actif de cette organisation,
Schneider Electric Industries SAS développe ses produits conformément aux spécifications publiées par cet organisme.
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Normes CAN
Installation et configuration du bus de terrain CANopen
Les spécifications CANopen sont définies par l'organisation CiA et sont accessibles
(avec quelques restrictions) à partir du site : http://www.can-cia.com. Les codes sources des équipements maître et esclave sont disponibles auprès des différents fournisseurs.
Note : Pour obtenir plus d'informations sur les spécifications et les mécanismes de
CANopen, consultez la page d'accueil de l'organisation CiA (http://www.cancia.de/).
Communication sur un réseau
CANopen
Le profil de communication est établi en fonctions des protocoles et services CAL
(couche application basée sur le réseau CAN).
Il permet à l'utilisateur d'accéder à deux types d'échange : SDO et PDO.
Lors de la mise sous tension, l'équipement entre dans une phase d'initialisation, puis passe en mode pré-opérationnel. A ce stade, seules les communications SDO sont autorisées. Après réception d'une instruction de démarrage, l'équipement bascule en mode opérationnel. Il est alors possible d'effectuer des échanges PDO, mais la communication SDO reste également autorisée.
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Installation et configuration du bus de terrain CANopen
Boot-Up CANOpen
Boot-up
Procedure
La configuration minimale requise pour les équipements inclut une procédure de démarrage rapide. Celle-ci est illustrée dans le schéma suivant :
1
Initialization
Reset Application
Reset Communication
Init
7
2
Pre-operational
6
4
4 3
Operational
3
5
5
Stopped
6
6
7
Légende
Numéro Description
1 Mise sous tension du module
2
3
4
Après l'initialisation, le module passe automatiquement en mode « PRE-OPERATIONAL ».
Indication du service NMT (Network Management, gestion réseau) : START REMOTE NODE
Indication du service NMT : PRE-OPERATIONAL
5
6
7
Indication du service NMT : STOP REMOTE NODE
Indication du service NMT : RESET NODE
Indication du service NMT : RESET COMMUNICATION
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Installation et configuration du bus de terrain CANopen
Activation des objets CANOpen en fonction de la machine d'état
Les croix affichées dans le tableau ci-dessous indiquent les objets CANopen actifs pour chaque état de la machine.
Initialization Stopped
Objet PDO
Objet SDO
Emergency
Boot-Up
NMT
X
X
X
Pre-operational Operational
X
X
X
X
X
X X
Reset
Application
Reset
Communication
L'équipement passe à l'état « Reset Application » : z après avoir démarré ; z suite à l'utilisation de la fonction « Reset Node » de la gestion réseau NMT.
Dans cet état, le profil de l'équipement est initialisé et toutes les informations relatives au profil sont réinitialisées avec les valeurs par défaut. Une fois l'initialisation terminée, l'équipement passe à l'état « Reset Communication ».
z z
L'équipement passe à l'état « Reset Communication » : après être passé par l'état « Reset Application » ; suite à l'utilisation de la fonction « Reset Communication » de la gestion réseau
NMT.
Dans cet état, tous les paramètres (valeur standard, selon la configuration de l'équipement) des objets de communication pris en charge relatifs à l'identification de l'équipement (type, heartbeat, etc. : 1000H - 1FFFH) sont enregistrés dans le répertoire d'objets. L'équipement passe ensuite automatiquement à l'état « Init ».
Init
L'équipement passe en mode « Init » après avoir été en mode « Reset
Communication ».
Cet état permet d'effectuer les opérations suivantes : z définir les objets de communication requis (SDO, PDO, Emergency) ; z installer les services CAL (couche application basée sur le réseau) correspondants ; z configurer CAN-Controller.
L'initialisation est terminée et l'équipement passe automatiquement à l'état « Pre-
Operational ».
Note : Le module maître CANopen TWDNCO1M ne prend pas en charge le mode
SYNC.
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Installation et configuration du bus de terrain CANopen
Pre-Operational
Stopped
Operational
L'équipement passe en mode « Pre-Operational » : z après avoir été en mode « Init » ; z à réception de l'indication « Enter Pre-Operational » de la gestion réseau NMT, si elle était en mode « Operational ».
Dans cet état, il est possible de modifier la configuration de l'équipement.
Cependant, vous pouvez uniquement utiliser les objets SDO pour lire ou écrire des données relatives aux équipements.
Une fois la configuration terminée, l'équipement passe à l'un des états suivants, selon l'indication reçue : z « Stopped », après réception de l'indication NMT « STOP REMOTE NODE » ; z
« Operational », après réception de l'indication NMT « START REMOTE
NODE ».
L'équipement passe à l'état « Stopped », après réception de l'indication « Node stop » du service NMT, s'il était en mode « Pre-Operational » ou « Operational ».
Dans cet état, il est impossible de modifier la configuration de l'équipement. Aucun service ne permet de lire ou d'écrire des données relatives aux équipements (SDO).
Seule la fonction de surveillance de l'esclave (« Node guarding ») reste active.
L'équipement passe à l'état « Operational », s'il était en mode « Pre-Operational » lors de la réception de l'indication « Start Remote Node ».
Lors du démarrage du réseau CANopen à l'aide du service NMT « Node start », en mode « Operational », la totalité des fonctionnalités de l'équipement est disponible.
Les communications peuvent utiliser les objets PDO et SDO.
Note : Des effets inattendus peuvent se produire suite à la modification de la configuration lorsque l'équipement est en mode « Operational ». Par conséquent, les modifications doivent être apportées uniquement en mode « Pre-Operational ».
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Installation et configuration du bus de terrain CANopen
Transmission d'un objet PDO (Process Data Object)
Définition d'un objet PDO
Types d'objets
PDO
Objets PDO
Producers and
Consumers
Mode de transmission d'un PDO
Les objets PDO fournissent une interface de communication avec les données de traitement, permettant le transfert de ces données en temps réel. L'ensemble des objets PDO d'un équipement CANopen décrit les échanges implicites entre l'équipement et ses partenaires de communication sur le réseau.
Ces échanges sont autorisés lorsque l'équipement est en mode « Operational ».
Il existe deux types d'objets PDO : z les objets PDO transmis par l'équipement (Transmit PDO, Tx-PDO ou TPDO) ; z les objets PDO reçus par l'équipement (Receive PDO, Rx-PDO ou RPDO).
Les objets PDO s'appuient sur le modèle « Producer/Consumer ». L'équipement chargé de transmettre le message PDO est appelé « Producer », tandis que celui qui est chargé de le recevoir est appelé « Consumer ».
Par conséquent, l'écriture d'une sortie dans le module maître TWDNCO1M génère l'envoi d'un TPDO associé au maître, contenant la valeur de la sortie à mettre à jour.
Dans ce cas, le maître correspond au PDO « Producer » et l'équipement esclave au
« Consumer ».
Par opposition, une entrée est mise à jour par le biais de la transmission d'un objet RPDO par le module maître, qui correspond alors au « Consumer ».
Outre le transfert des données, il est également possible de configurer le type d'échange de chaque objet PDO.
Les objets PDO peuvent être échangés par le module maître TWDNCO1M avec le mode de transmission suivant :
Type de mode Nom de mode Numéro de mode
254 ou 255 Asynchrone Change of state
Change of state producer consumer(s)
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Installation et configuration du bus de terrain CANopen
Change of state
(modes 254 et 255)
Ce mode correspond à la modification de la valeur d'une entrée (contrôle d'événement). Les données sont transmises au bus dès qu'une modification est apportée. La fonction de contrôle d'événement optimise l'utilisation de la bande passante du bus, car seules les données modifiées sont transmises, et non la totalité de l'image. Il est alors possible d'obtenir un temps de réponse relativement court (lorsque la valeur d'une entrée est modifiée, il n'est pas nécessaire d'attendre la prochaine requête de communication du maître).
Lors de la sélection d'une transmission PDO de type « Change of state », plusieurs
événements peuvent se produire simultanément, retardant la transmission du PDO vers le bus en raison de sa faible priorité. Evitez les situations dans lesquelles la modification continuelle d'une entrée avec un PDO de priorité élevée risque de bloquer le bus (« babbling idiot » en anglais).
Note : Il est conseillé de choisir la transmission PDO avec modules d'entrée analogique uniquement si le mode Delta (objet 6426H) ou le temps d'inhibition
(objets entre 1800H et 1804H, sous-index 3) sont configurés de manière à éviter les surcharges de bus.
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Installation et configuration du bus de terrain CANopen
Accès aux données à l'aide d'échanges explicites (SDO)
Qu'est-ce qu'un objet SDO ?
Les objets SDO (Service Data Objects) permettent d'accéder aux données d'un
équipement à l'aide de requêtes explicites.
Le service SDO est disponible lorsque l'état de l'équipement est « Operational » ou
« Pre-Operational ».
Types d'objets
SDO
Modèle client/ serveur
Il existe deux types d'objets SDO : z z les objets pouvant être lus (objets de type « Download SDO ») ; les objets pouvant être écrits (objets de type « Upload SDO »).
Le protocole SDO repose sur un modèle « client/serveur ».
Pour un objet de type « Download SDO »
Le client transmet une requête indiquant l'objet à lire.
Le serveur renvoie les données contenues dans cet objet.
Pour un objet de type « Upload SDO »
Le client envoie une requête indiquant l'objet à écrire et la valeur souhaitée.
Une fois l'objet mis à jour, le serveur renvoie un message de confirmation.
Pour un objet SDO non traité
Dans un cas comme dans l'autre, si un objet SDO n'a pas pu être traité, le serveur renvoie un code d'erreur (abort code).
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Installation et configuration du bus de terrain CANopen
Node Guarding et Life Guarding
Définition de la notion Life-Time
Le paramètre « Life-Time » est calculé comme suit :
Life-Time = Guard Time x Life Time Factor
L'objet 100CH comprend le paramètre « Guard Time », exprimé en millisecondes.
L'objet 100DH comprend le paramètre « Life Time Factor ».
Activation de la surveillance
Si l'un de ces deux paramètres est défini sur « 0 » (valeur par défaut), le module de surveillance n'est pas utilisé (la fonction « Life Guarding » est désactivée).
Pour l'activer, vous devez au moins indiquer la valeur 1 dans l'objet 100DH et spécifier une durée en millisecondes dans l'objet 100CH.
Garantie d'opérations fiables
Pour garantir la fiabilité des opérations, il est conseillé de définir le paramètre « Life time factor » sur 2.
Dans le cas contraire, lorsque le module maître subit un retard (par exemple en raison du traitement des messages dont le niveau de priorité est le plus élevé ou d'un traitement interne lié au « Node Guarding »), son état devient « Pre-
Operational » sans qu'aucune erreur ne soit générée.
Importance de la surveillance
Ces deux mécanismes de surveillance sont particulièrement importants pour le système CANopen, étant donné que les équipements fonctionnent généralement dans un mode avec contrôle des événements.
Surveillance de l'esclave
La surveillance est effectuée de la façon suivante :
Phase Description
1 Le maître définit l'option « Remote Frames » (remote transmit requests) sur
« Guarding COB-IDs » pour les esclaves à surveiller.
2
3
Les esclaves concernés répondent en envoyant le message « Guarding ». Celui-ci contient le « Status Code » de l'esclave et le « Toggle Bit » dont la valeur doit changer entre deux réponses consécutives.
Le maître compare les informations « Status » et « Toggle Bit ».
Si elles ne correspondent pas à ce que le maître NMT attendait ou si aucune réponse n'est reçue, le maître considère qu'une erreur s'est produite au niveau de l'esclave.
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Installation et configuration du bus de terrain CANopen
Surveillance du maître
Si des messages de type « Guarding » sont uniquement requis de façon cyclique, l'esclave peut détecter un dysfonctionnement du maître.
Si l'esclave ne reçoit pas de requête du maître dans l'intervalle « Life Time » imparti
(erreur de type « Guarding »), il considère qu'un dysfonctionnement du maître s'est produit (mécanisme de surveillance « Watchdog »).
Dans ce cas, les sorties correspondantes passent à l'état d'erreur et l'esclave revient en mode « Pre-Operational ».
Note : La requête « Remote » du maître obtient une réponse, même si aucune valeur n'a été saisie pour les paramètres « Guard Time » et « Life Time Factor ».
La surveillance de la durée n'est activée que lorsque les valeurs de ces deux paramètres sont supérieures à 0. En général, les valeurs du paramètre « Guard
Time » sont comprises entre 250 millisecondes et 2 secondes.
Protocole
« Guarding »
La valeur du paramètre « Toggle Bit » (t) envoyée dans le premier message
« Guarding » est « 0 ».
Ensuite, le bit change (« toggles ») dans les messages de surveillance suivants, ce qui permet de savoir si un message a été perdu.
L'en-tête du bus indique l'état du réseau (s) dans les sept bits restants :
Etat du réseau
Stopped
Pre-operational
Operational
Réponse
0x04 ou 0x84
0x7F ou 0xFF
0x05 ou 0x85
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Installation et configuration du bus de terrain CANopen
Gestion du bus interne
Basculement du bus interne vers l'état « Stop »
Le bus interne passe automatiquement de l'état « Stop » à l'état « Run » lorsque le module de communication passe de l'état « Pre-operational » à « Operational ».
Lorsque le bus interne passe à l'état « Stop », toutes les sorties du module d'expansion sont définies sur zéro.
L'état des sorties du module de communication reste inchangé.
Configuration des modules d’expansion
Le bus interne est utilisé pour mettre à jour la configuration des paramètres du module d'expansion TOR et analogiques.
Les paramètres sont envoyés au module de communication lorsque l'état du bus est « Stop ».
Ces nouveaux paramètres de configuration sont reconnus lorsque le bus passe à l'état « Run ».
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