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CANopen: un evergreen della comunicazione industriale smart

07/08/2019 da HYDAC, pubblicato in Digitalizzazione dell'oleodinamica

CANopen: un evergreen della comunicazione industriale smart

Posted by HYDAC on 07/08/2019

La comunicazione industriale, al fine di risultare sicura ed efficiente, deve garantire il collegamento tra i dispositivi, l’integrità delle informazioni e la velocità di trasmissione.  I principali fattori da considerare nella scelta e nel dimensionamento di una rete di comunicazione industriale possono essere riassunti nei seguenti punti:

  • la capacità d’interconnessione: la rete deve supportare dispositivi differenti, chiamati nodi, ed eventualmente deve avere la possibilità di collegarsi ad altre reti;
  • l’espandibilità, la possibilità di ampliamento del sistema in maniera relativamente semplice e con costo contenuto;
  • le prestazioni, intese come velocità di trasmissione, numero di utenze, distanze di comunicazione supportate;
  • l’affidabilità, considerata come corretto funzionamento del sistema nel suo complesso e capacità nella rete stessa di confinare i guasti sul componente per non portare al collasso il resto del sistema.

    Questi sono tutti temi che hanno come riferimento comune la digitalizzazione dell'impresa, così come dettato dall'Industria 4.0. 
Industria 4.0

Nel processo di comunicazione ci sono due aspetti di fondamentale importanza: la corretta e tempestiva trasmissione e ricezione dell’informazione e la riconoscibilità sotto il profilo sintattico e semantico. Per risolvere questi due problemi di comunicazione sono nate le architetture a strati, sull’indicazione del modello ISO per i sistemi aperti (OSI).

Il Controller Area Network (CAN) è un protocollo di comunicazione seriale in grado di gestire con elevata efficienza sistemi di controllo distribuiti di tipo real-time, con un elevato livello di sicurezza e di integrità dei dati trasmessi.

 

Focus sul CAN in ambito industriale: il CANopen nel modello ISO-OSI

CANopen è un protocollo di comunicazione seriale di tipo “broadcast” che permette il controllo real-time distribuito con un livello di sicurezza molto elevato. È stato introdotto dalla Bosch nei primi anni ‘80 per applicazioni automotive, per consentire la comunicazione fra i dispositivi elettronici montati su autoveicoli, ma si è diffuso ormai in molti settori dell’industria.

Facendo riferimento alla schematizzazione in livelli definita dall’ISO (International Standard Organization) col progetto OSI (Open System Interconnection), si può ritenere che il Bus CAN implementi il Physical Layer ed il Data Link Layer, ovvero i due livelli più bassi della pila. Il livello più alto invece, ossia l’Application Layer, è definibile liberamente, sebbene negli anni la definizione di tale livello abbia raggiunto uno standard che si è imposto come tale, noto appunto come CANopen.

  1. Il Physical Layer deve specificare il mezzo trasmissivo: nel bus CAN deve essere un singolo canale bidirezionale, che può essere di tipo differenziale o a cavo singolo e terra (meno usato del primo). Solitamente si usa un doppino intrecciato, schermato o meno a seconda della rumorosità (elettrica e magnetica) dell’ambiente. I due livelli di segnale utilizzati sul bus sono detti “dominante” e “recessivo”; la corrispondenza fra segnale dominante e recessivo con i livelli logici 0 ed 1 dipende dal tipo di cablaggio.
  2. Il Data Link Layer ha l’importante compito dell’arbitraggio nella competizione per la contesa del canale trasmissivo da parte dei vari nodi CAN che, contemporaneamente, ne richiedono l’utilizzo.
  3. Nell’Application Layer vengono definiti il “Communication Profile” che definisce i servizi (PDOs, SDOs, etc.) per ricevere e trasmettere gli oggetti (variabili, parametri, etc.) sul bus, l’“Object Dictionary” che rappresenta l’interfaccia verso il software applicativo e il “Frameworks” che rappresenta un livello aggiuntivo specifico, ad esempio per dispositivi programmabili come PLC.

 

Comunicazione smart: quali sono i vantaggi introdotti dal CANopen?

La comunicazione nel Bus CAN avviene tramite dispositivi intelligenti, ovvero sensori o attuatori in grado di produrre dati autonomamente per poi immetterli sul Bus. Tipicamente un nodo intelligente ha un suo processore con una sua memoria, in grado di gestire ed elaborare autonomamente i dati. I singoli microcontrollori sono provvisti di RAM, EEPROM, convertitore A/D e di un interfacciamento con i dispositivi esterni. Oggi questa tecnologia è economicamente alla portata di tutti.

Infine, in merito ai vantaggi tecnologici introdotti dal protocollo CANopen, possiamo annoverare:

  • tempi di risposta rigidi, specifica fondamentale nel controllo di processo, permettendo la connessione di un elevato numero di nodi CAN nel rispetto di stringenti vincoli temporali;
  • semplicità e flessibilità del cablaggio, poiché i nodi CAN non hanno un indirizzo che li identifichi e possono quindi essere aggiunti o rimossi senza dover riorganizzare  il sistema o una sua parte;
  • alta immunità ai disturbi, potendo continuare la comunicazione anche in condizioni estreme, come l’interruzione di uno dei due fili o il cortocircuito di uno di essi con massa o con l’alimentazione;
  • elevata affidabilità mediante la rilevazione ed il confinamento degli errori, per cui ciascun nodo è in grado di rilevare il proprio malfunzionamento e di autoescludersi dal Bus se l’errore è permanente;
  • maturità dello standard, grazie alla larga diffusione del protocollo CAN che in questi venti anni ha determinato un’ampia disponibilità di chip ricetrasmettitori, di microcontrollori che integrano porte CAN, di tool di sviluppo, oltre che una consistente diminuzione del costo di questi sistemi.

In conclusione, il protocollo CANopen è uno standard industriale ormai maturo, che viene utilizzato per le sue caratteristiche di sicurezza ed efficienza, nonché per tutti i vantaggi che permette di conseguire.

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