книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

му каналу в сельскохозяйственных и лесоперерабатывающих маши-

нах, ISO/TC173 /SC1/WG7 – стандарт ISO/CD 717617 прикладного уровня для систем управления инвалидными колясками (группа

M3S) и группа изучения ISO/TC184/SC5 – Application Framework for CAN-based Network («Структура прикладного уровня для сетей, основанных на CAN для промавтоматики»). Технический комитет ИСО/ТК184 «Системы промышленной автоматизации и интеграция» (подкомит ПК5 «Архитектура, системы связи и интегрированные среды») разработалновый стандартISO 15745, утвержденныйивРоссии.

Стандарты CAN совместимы с другими стандартами передачи данных:

♦ISО 15745-1:2003 (ГОСТ Р ИСО 15745-1–2010). Системы промышленной автоматизации и интеграция. Прикладная интеграционная среда открытых систем. Часть 1. Общее эталонное описание

(Industrial automation and systems integration. Open sуstems application integration framework. Раrt 1: General reference description). – М.: Стан-

дартинформ, 2014;

♦ISO 15745-2:2003 (ГОСТ Р ИСО 15745-2–2010). Системы промышленной автоматизации и интеграция. Прикладная интегрированная среда открытых систем. Часть 2. Эталонное описание систем управления на основе стандарта ИСО 11898. – М.: Стандартин-

форм, 2013;

♦ISO 15745-3:2003 (ГОСТ Р ИСО 15745-2–2010). Системы про-

мышленной автоматизации и интеграция. Прикладная интегрированная среда открытых систем. Часть 3. Эталонное описание систем управлениянаосновестандартаМЭК61158. – М.: Стандартинформ, 2013;

♦ISO 15745-4 (ГОСТ Р ИСО 15745-2–2010). Системы промыш-

ленной автоматизации и интеграция. Прикладная интегрированная среда открытых систем. Часть 4. Эталонное описание систем управлениянаосновестандартаEthernet. – М.: Стандартинформ, 2013;

♦ГОСТ Р ИСО 15765-4–2014. Транспорт дорожный. Передача диагностических сообщений по локальной сети контроллера (DoCAN). Часть 4. Требования к системам, связанным с выбросами.

331

Американское общество SAE много лет сосредоточено на проектировании собственной мультиплексной шины связи для автомобилестроения, как определено в SAE J1850. Стандартный CAN для автомобильных приложений ранее был применен только для грузовиков и прицепов. Сейчас ведутся работы по поддержке стандартного CAN-протокола (ISO 11898) для других приложений в автомобилях разных классов и типов.

SAE J1939 Recommended Practice for a Serial Control and Communications Vehicle Network (Практические рекомендации J1939

для последовательного управления и связи в сетях движущегося транспорта: J1939/01 – грузовики и автобусы; J1939/02 – строительная и сельскохозяйственная техника) – это основной документ, включающий общее описание, таблицу распределения адресов, содержимое данных и т.п.

Протокол J1939 определяет все семь уровней эталонной модели ISO/OSI (J1939/1x – Документация по физическому уровню):

♦/11 – 250 кбит/с, экранированная витая пара (STP);

♦/12 – витая четверка и активные терминаторы шины;

♦/13 – сопряжение с внешним диагностическим оборудо-

ванием;

♦/15 – упрощенный – 250 кбит/с, неэкранированная витая пара (UTP);

♦J1939/21 – канальный уровень;

♦J1939/31 – сетевой уровень для грузовиков и автобусов. Прикладной 7-й уровень определяет следующие профили:

♦J1939/71 – прикладной уровень транспортного средства;

♦J1939/72 – виртуальный терминал (DIN 9684);

♦J1939/73 – прикладной уровень – диагностика;

♦J1939/81 – управление сетью.

SAE J2284 High Speed CAN (HSC) for Passenger Vehicle Applications («Высокоскоростной CAN для легкового пассажирского транспорта») определяет физический и канальный уровни для протокола CAN и основан на ISO 11898. Документ J2284 будет все-

332

гда совместим с ISO 11898 на 100 %, но развивается с опережением, поэтому обратная совместимость не гарантируется.

Документ SAE J2411 Single Wire CAN (SWC) Physical Layer Specification («Спецификация физического уровня для однопроводного CAN») инициирован General Motors как переход от шины связи GM Class 2 к CAN-шине. GM Class 2 – однопроводная шина связи, J2411 описывает спецификацию для протокола CAN на такую же шину. Он будет гарантировать, что везде, где удобно использовать однопроводный J1850, можно будет поддерживать определенные им стратегии электропроводки, даже если протокол канального уровня передачи данных изменен на CAN.

OSEK/VDX – проект мультиплексной сети для автомобилестроения, поддерживаемый главным образом немецкими и французскими производителями автомобилей и их поставщиками. Цель проекта – принятие открытого промышленного стандарта для распределенных электронных блоков управления ECU (Electronic Control Unit) в движущемся транспорте.

Стандарт OSEK/VDX (сейчас действует версия 2.0) комплексно определяет операционную систему реального времени OSEK-OS,

язык описания интерфейсов OSEK-OIL (OSEK/VDX Implementation Language), спецификацию сервиса связи OSEK-COM (OSEK/VDX Communication) и задач управления сетью OSEK-NM (OSEK/VDX Network Management).

Сотрудничество OSEK/VDX с ISO, вероятно, приведет к созданию наиболее универсального стандарта на базе CAN для автомобильных приложений.

Отметим и другие стандарты:

♦МЭК 61158 (все части). Передача цифровых данных для измерения и управления. Полевая шина для систем автоматического регулирования и управления технологическими процессами (IEC 61158 (all parts). Digital Data Communications for Measurement and contiol – Fieldbus for Use in Industrial Control Sуstеms);

♦МЭК 61784-1:2003. Цифровые передачи данных для измерения и управления. Часть 1. Профильные наборы для непрерывно-

333

го и раздельного производства полевых шин для систем автоматического регулирования и управления технологическими процессами

(IEC 61784-1:2003. Digital Data Communications for Measurement and Control. Part 1: Profile Sets for Continuous and Discrete Manufacturing Relative to Fieldbus Usе in Industrial Control Systems);

♦МЭК 62026-3:2000. Устройства распределительные комплектные низковольтные. Интерфейсы между контроллером и прибо-

ром (CDls). Часть 3. DeviceNet TM (Low-Voltage Switchgear and Controlgear – Controller-Device Interfaces (CDls). Part 3: DeviceNet TM);

♦EH 50325-4:2002. Подсистема промышленной коммуникации на основе ISO 11898 (CAN) для интерфейсов «контроллер – при-

бор». Часть 4. CANopen (Industrial Communications Subsystem Based on ISО 11898 (CAN) for Contiolier-Device Interfaces. Part 4: CANopen);

♦ISO 14230-4 KWP. Keyword Protocol 2000 – диагностический протокол, использующий серийную линию;

♦ISO 15765-4 САN – диагностический протокол по CAN-шине

(Keyword 2000 наCANbus);

♦ISO 15765-2 (называемый ISO-TP) – стандарт управления потоками и обработки сообщений размером не более 8 байт.

OBD-стандарт диагностики является обязательным для всех легковых автомобилей и легких грузовиков, проданных в Соединенных Штатах с 1996 года. Как и EOBD-стандарт, является обязательным для всех бензиновых автомобилей, продаваемых в Европейском Союзе с 2001 года и всех дизельных автомобилей с 2004 года.

С2008 года производители автомобилей должны использовать протокол OBDII, указанный в ISO 15765, также известный как диагно-

стика на CAN. Спецификация определяет две скорости, которые могут быть использованы для бортовой диагностики: 250 и 500 кГц. К диагностике изначально причастны и протоколы SAE J1850 PWM, SAE J1850 VPW, ISO 9141-2.

Россия присоединилась к стандарту. Вышел ГОСТ Р ИСО 15765-4–2014 «Транспорт дорожный. Передача диагностических сообщений по локальной сети контроллера (DoCAN)».

334

Стандарт устанавливает требования к шинам передачи данных CAN, в которых один или более контроллеров совместимы с бортовой диагностикой OBD или WWH-OBD. Рассматриваемая сеть предполагает использование внешнего диагностического оборудования для проведения поиска неисправностей и соответствующего ремонта. Требования к шинам передачи данных CAN транспортного средства и внешнего диагностического оборудования ос-

новываются на стандартах ISO 15765-2, 11898-1 и 11898-2.

Все больше на основе САN-шины разрабатываются протоколы прикладного уровня. В конце главы будут кратко рассмотрены наиболее распространенные протоколы CAL/CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet и SDS (Smart Distributed System). Для применения в аэро-

космической области все большее признание получает прикладной протокол ARINC 825. В США разрабатываются протоколы NMEA 2000 и СDA 101.

Американская Национальная ассоциация морской электрони-

ки NMEA (National Marine Electronics Association) в 1998 году нача-

ла разработку основанного на CAN нового стандарта мультиплексной шины для морских приложений (военные корабли, подводные лодки, торговые суда). Для обеспечения высоконадежной связи множества различных приборов, узлов, модулей, сенсоров и актуаторов посредством недорогой кабельной среды передачи рабочая группа NMEA в сотрудничестве с ISO, IEC и Международной морской организацией IMO (International Maritime Organization) разрабатывает стандартNMEA 2000, основанныйнастандартеSAE J1939.

Проект NMEA 2000 использует все достоинства CAN-техноло- гии, работает на однопроводной шине связи и более чем в 20 раз превосходит по производительности действующий ныне стандарт NMEA 0183. Ассоциация CiA организовала группу изучения по использованию CANopen в морских приложениях (SGCAN in Maritime Electronics).

Ранее военные ведомства США разрабатывали свои собственные стандарты без привлечения фирм и специалистов, занимающихся промышленной автоматизацией. Быстрое и эффективное развитие

335

передовых технологий (в том числе и CAN) заставляет правительства искать новые подходы для совместной работы с невоенными организациями, заимствовать их идеи и привлекать новых специалистов для реализации этих идей (например, проект COTS).

Министерство обороны США интенсивно развивает проект архитектуры сети, которая используется в дистанционно управляемых движущихся объектах на земле, море и в воздухе. В рамках этого проекта разработана спецификация CDA 101 (Common Digital Architecture), которая использует протокол CAN. Протокол CDA 101, на-

зываемый Standard for Communication Between Network Target Vehicle Devices (Стандарт для связи сетевых приборов движущегося объекта), может использоваться в различных типах таких объектов (от маленьких резиновых лодок до больших судов, от самолетных моделей до полноразмерных реактивных самолетов и ракет), а также для любого движущегося транспорта на земле.

Стандарт CDA 101 базируется на ISO 11898, протоколе CAN Kingdom и некоторых частях NMEA 2000. CDA 101 определен в виде семейства документов, главный из которых – CDA 101/01 – определяет общую концепцию сети (подобно SAE J1939). Физический и канальный уровни CDA 101 соответствуют ISO 11898. Документ CDA 101/11 определяет сообщения системы на сетевом уровне и, по существу, является протоколом CAN Kingdom. CDA 101/12 описывает перечень и значения величин параметров, а также методы представления данных и в большей части основывается на

NMEA 2000. Документы CDA 101/41 и CDA 101/42 определяют подсистемы, общие для всех движущихся объектов. CDA 101/31-35 определяет сообщения для соответствующих типов объектов (по-

добно CiA DS-40x).

Стандарт CDA 101 и его модификации (все на CAN-техно- логии) в скором будущем очень сильно потеснят, если не заменят, MIL-STD-1553, ARINC 429 и им подобные.

В будущем большинство работ по стандартизации будет сосредоточено на высокоуровневых протоколах, основанных на CAN. Будет также предложен ряд новых спецификаций для физического

336

уровня. Помимо высокоскоростных и низкоскоростных спецификаций физического уровня, определенных в ISO 11898-2 и 11898-3, разрабатывается несколько других стандартов физического уровня для автомобильных и неавтомобильных приложений (подобно ISO 11992

и SAE J1939) и др.

Отдельно поднимается вопрос о создании отказоустойчивого однопроводного CAN-протокола.

7.4. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СAN-ШИНЫ

CANbus – этопоследовательнаяшинасо скоростью до1 Мбит/с, механизм работы которой описывается моделью децентрализованного контроля за доступом к шине. Ее основа – шина с типом доступа Collision Resolution (CR, по другому обозначению – СМ), кото-

рый, в отличие от Collision Detect (CD) сетей (CD – это Ethernet),

детерминированно (приоритетно) обеспечивает доступ для передачи сообщений, что особенно ценно для промышленных сетей управления (Fieldbus). Передача ведется кадрами, которые принимаются всеми узлами сети.

Сообщения данных, передаваемые из любого узла по САN-ши- не, могут содержать от 1 до 8 байт. Возможна передача более продолжительных данных с применением фрагментации.

Системы на основе CANbus достаточно легко конфигурируются и обладают средствами централизованной диагностики.

ТехническиехарактеристикиCAN-шиныприведенывтабл. 7.1.

337

338

Рецессивные и доминантные биты. Для абстрагирования от среды передачи спецификация CAN избегает описывать двоичные значения как 0 и 1. Вместо этого применяются термины «рецессивный» и «доминантный». При этом подразумевается, что при передаче одним узлом сети рецессивного бита, а другим – доминантного будет принят доминантный бит. Например, при реализации физического уровня на радиоканале отсутствие сигнала означает рецессивный бит, а его наличие – доминантный, тогда как в типичной реализации проводной сети рецессив бывает при нали-

чии сигнала, а доминант, соответственно, при его отсутствии. Стандарт сети требует от физического уровня фактически единственного условия: чтобы доминантный бит мог подавить рецессивный, но не наоборот. Например, в оптическом волокне доминантному биту должен соответствовать свет, а рецессивному – темнота. В электрическом проводе может быть так: рецессивное состояние – высокое напряжение на линии (от источника с большим внутренним сопротивлением), доминантное – низкое напряжение (один из узлов сети замыкает линию на «землю»). Если линия находится в рецессивном состоянии, перевести ее в доминантное может любой узел сети (включив свет в оптоволокне или закоротив высокое напряжение). Наоборот – нельзя (включить темноту нельзя).

Основные достоинства CANbus:

♦каждое сообщение имеет определенный приоритет;

♦существует гарантированное время ожидания;

♦гибкость конфигурации;

♦групповой прием с временной синхронизацией;

♦система непротиворечивости данных;

♦неразрушающий арбитраж доступа к шине;

♦multimaster;

♦обнаружение ошибок и сигнализация о них;

♦автоматическая ретрансляция разрушенных сообщений;

♦различие между временными ошибками и постоянными отказами узлов, автономное отключение дефектных узлов.

339

Сообщения. Информация по шине посылается в фиксированном формате сообщений (различной, но фиксированной длины для каждого узла). Когда шина свободна, любой узел может начать передачу нового сообщения.

Информационная маршрутизация. В CAN нет информации относительно конфигурации сети (например, адреса узла). Это имеет несколько важных следствий.

Гибкость системы: узел может быть добавлен в CAN-сеть без изменений в программном или аппаратном обеспечении какоголибо узла в сети.

Маршрутизация сообщений: содержание сообщения определяется идентификатором. Идентификатор не указывает адреса сообщения, а описывает значение данных так, чтобы все узлы сети были способны решить фильтрацией сообщений, нужны им эти данные или нет.

Любой узел сети CAN посылает сообщение всем системам, подсоединенным к шине, таким как приборная доска или подсистема определения температуры бензина в автомобиле, а уже получатели решают, относится ли данное сообщение к ним. Для этого в CAN имеется аппаратная реализация фильтрации сообщений.

Передача группе: как следует из фильтрации сообщений, любое число узлов может одновременно получать и реагировать на одно и то же сообщение.

Непротиворечивость данных: внутри сети CAN гарантирова-

но, что сообщение принято всеми узлами или ни одним узлом.

Скорость передачи информации: скорость передачи информа-

ции в CAN-сети может быть различной для каждой сети. Однако в каждойсетискоростьпередачиинформациификсирована.

Приоритеты. Идентификатор и RTR-бит определяют статический приоритет сообщения в течение доступа к шине.

Удаленный запрос данных. Посылая кадр удаленного запроса данных, узел может потребовать данные от другого узла. Кадры данных и удаленного запроса данных должны иметь одинаковый идентификатор.

340