Standardisierte CANopen-Schnittstelle für Netzgeräte

CiA entwickelt digitale Schnittstelle zur Überwachung und Steuerung von Netzteilen

30.06.2008 | Autor / Redakteur: Holger Zeltwanger* / Thomas Kuther

Beim ATLAS-Experiment am CERN zur Beobachtung spektakulärer Zusammenstöße von Protonenpaaren bei einer Gesamtenergie von 14 TeV werden Stromversorgungen eingesetzt, die sich über die CANopen-Schnittstelle überwachen und programmieren lassen Bild: CERN
Beim ATLAS-Experiment am CERN zur Beobachtung spektakulärer Zusammenstöße von Protonenpaaren bei einer Gesamtenergie von 14 TeV werden Stromversorgungen eingesetzt, die sich über die CANopen-Schnittstelle überwachen und programmieren lassen Bild: CERN

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In vielen Applikationen wie dem ATLAS-Experiment am CERN sind Stromversorgungen im Eisatz, die über eine Schnittstelle überwacht und programmiert werden müssen. Aber nur eine standardisierte Schnittstelle wie CANopen ermöglicht flexible und herstellerunabhängige Anwendungen.

Alle Stromversorgungen brauchen elektronisch gesteuerte Systeme. Am Markt werden getaktete und längsgeregelte Netzteile in unterschiedlichsten Ausführungen angeboten: AC/AC-, DC/AC-, AC/DC- und DC/DC-Wandler mit einem oder mehreren Ausgängen. Die Geräte sind spannungs-, strom- oder leistungsgeregelt, manche programmierbar. Schon seit langem verfügen Netzgeräte über eine digitale Schnittstelle über die sie überwacht, konfiguriert und programmiert werden können.

Weit verbreitet ist das Parallelbussystem GPIB (General Purpose Instrumentation Bus), auch als HP-IB (Hewlett-Packard Interface Bus) bekannt und international genormt (IEC 625). Funktional kompatibel ist die US-Norm IEEE 488, die sich jedoch im Stecker unterscheidet. Der 8-Bit-Parallelbus benötigt allerdings Steckverbinder, die sehr viel Platz beanspruchen und sich für einige Anwendungen nicht eignen.

Standardisierte Schnittstelle für Stromversorgungen statt individueller Lösungen

Prinzipieller Aufbau eines Netzteils
Prinzipieller Aufbau eines Netzteils

Deshalb haben sich einige Hersteller von Netzgeräten für eine serielle Kommunikationsschnittstelle entschieden. Leider hat jeder eine eigene Lösung entwickelt. Mehrere Firmen, die das international genormte Controller Area Network (ISO 11898-1/2) für die Überwachung und Steuerung ihrer Netzgeräte verwenden, haben unter der Schirmherrschaft der internationalen Anwender- und Herstellervereinigung CAN in Automation (CiA) eine standarisierte Schnittstelle für Stromversorgungen entwickelt. Die CAN-Schnittstelle verwendet das von CiA entwickelte Anwendungsprotokoll CANopen (CiA 301), welches international genormt ist (EN 50325-4).

Das entwickelte CANopen-Geräteprofil CiA 453 spezifiziert die Konfigurationsparameter, die Prozessdaten und die Diagnoseinformationen. Für den Anwender ist es dabei gleichgültig, welche Art von Stromversorgung er einsetzt. Gleiche Parameter, Daten und Informationen sind immer unter der gleichen Adresse erreichbar. Die Steuerung, die Netzteile überwacht oder steuert, kann zum großen Teil die Software wieder verwenden, auch wenn es sich um eine andere Anwendung handelt. Dies spart nicht nur Zeit und Kosten, sondern reduziert auch die Fehlerrate, da man auf bewährte Programme zurückgreifen kann.

Daten und Parameter sind über eine eindeutige 24-Bit-Adresse erreichbar

CANopen spezifiziert nicht nur die Kommunikationsdienste und -protokolle, sondern auch ein Objektverzeichnis. Das Objektverzeichnis ist eine Liste aller Daten und Parameter, die über das CAN-Netzwerk gelesen oder geschrieben werden können. Die einzelnen Daten und Parameter sind über eine eindeutige 24-Bit-Adresse erreichbar. Die Adresse ist logisch in einen 16-Bit-Index und einen 8-Bit-Subindex aufgeteilt, sodass sich neben Variablen auch Arrays und Records beschreiben lassen.

Ein Array oder ein Record besteht aus bis zu 254 Elementen sowie einem Eintrag, der den höchsten verwendeten Subindex referenziert. Neben den Parametern zur Beschreibung der CAN-Kommunikation enthält das Objektverzeichnis auch sämtlich profilspezifischen Daten und Parameter.

Alle relevanten Daten und Parameter sind im Geräteprofil gespeichert

Das Geräteprofil für Netzgeräte verwendet den Adressbereich 0x6000 bis 0x67FE. In ihm sind sowohl die Daten und Parameter des Einganges sowie von bis zu acht Ausgängen abgelegt. Dabei befinden sich die allgemeinen Geräteinformationen im Bereich 0x6000 bis 0x60FF, die Daten für die Eingangsspannung im Bereich 0x6100 bis 0x61FF und die Daten für die Ausgangsspannungen im Bereich 0x6200 bis 0x62FF.

Verfügt ein Gerät über mehr als acht Ausgänge, dann kann man bis acht Instanzen des Geräteprofils für Netzteile im Objektverzeichnis unterbringen (Objekte 0x6800 bis 0x9FFF). Selbstverständlich kann man auch ein anderes Geräteprofil parallel zum CiA 453 implementieren – beispielsweise CiA 401, das Profil für generische Ein-/Ausgabe-Module.

Im Fehlerfall sendet das Netzgerät einen Notruf mit Details zur Fehlersuche

Statusmaschine des Eingangs beziehungsweise des Ausgangs
Statusmaschine des Eingangs beziehungsweise des Ausgangs

Das Geräteprofil für Netzteile beschreibt für den Eingang und jeden Ausgang unabhängige, einfache Statusmaschinen. Es sind drei Zustände spezifiziert:

  • Disabled: Der Eingang bzw. Ausgang ist abgeschaltet.
  • Enabled: Der Eingang bzw. Ausgang ist eingeschaltet.
  • Fault: Der Eingang bzw. Ausgang ist abgeschaltet.

Um vom Zustand Fault in den Zustand Disabled zu wechseln, muss der Fehler quittiert werden. Beim Übergang in den Zustand Fault sendet das Gerät eine Emergency-Nachricht, in der die Ursache des Fehlers im Detail bekannt gegeben wird.

Grenzwerte lassen sich individuell anpassen

Zwei der vier möglichen Grenzwerte (für Spannung, Strom, Leistung, Frequenz und Temperatur) sind konfigurierbar
Zwei der vier möglichen Grenzwerte (für Spannung, Strom, Leistung, Frequenz und Temperatur) sind konfigurierbar

Im Geräteprofil sind zwei Threshold-Parameter für verschiedene elektrische Größen (Spannung, Strom, Leistung und Frequenz) beschrieben. Sie können so konfiguriert werden, dass sie als positive und negative Fehlerwerte benutzbar sind. Sie können aber auch für einen positiven Warnwert und einen positiven Fehlerwert oder für einen negativen Warnwert und einen negativen Fehlerwert verwendet werden. Damit kann der Geräteanwender die Grenzwerte an die jeweiligen Anforderungen der Anwendung anpassen. Bei über- bzw. unterschreiten des Fehlerwertes, geht das Gerät in den Zustand Fault, schaltet den Eingang oder den Ausgang ab, und sendet eine entsprechende Emergency-Nachricht.

Beim Über- oder Unterschreiten der Threshold-Parameter wird die konfigurierte Aktion erst nach der eingestellten Verzögerungszeit ausgeführt. Man gibt sozusagen dem aus dem Ruder geratenen Wert noch eine letzte Chance sich wieder in den erlaubten Bereich zu begeben.

Vordefinierte Prozessdatenobjekte übertragen Informationen

Es sind einige Prozessdatenobjekte (PDOs) vordefiniert. PDOs sind nicht segmentierbare Informationen mit einer maximalen Länge von 8 Byte. Sie werden unbestätigt in einer CAN-Nachricht versendet, wobei der CAN-Identifier und die Übertragungsart vorgegeben sind. Im ersten Empfangs-PDO wird das aus zwei Teilen bestehende Kommando (Ein/Ausschalten und Fehlerquittierung) für den ersten Ausgang übertragen. In den zweiten bis vierten Empfangs-PDO befinden sich die Sollwerte für Spannung, Strom und Leistung. Das erste Sende-PDO enthält die allgemeinen Statusinformationen des Netzteiles einschließlich der Sammelfehlermeldungen. Die drei weiteren vordefinierten Sende-PDOs stellen die aktuellen Werte für Spannung, Strom und Leistung des ersten Ausgangs zur Verfügung.

Zum Schreiben eines Parameters sind nur zwei CAN-Nachrichten nötig

Die verschiedenen Parameter wie Grenzwerte oder Verzögerungszeiten einschließlich der abzuarbeitenden Sequenzen werden mithilfe von Servicedatenobjekten (SDO) über das CAN-Netzwerk eingestellt. Jedes CANopen-Gerät besitzt dazu einen SDO-Server. Der zugehörige SDO-Client, der sich in der Steuerung oder einem Softwarewerkzeug untergebracht ist, ergreift die Initiative und schreibt per SDO in das Objektverzeichnis des Netzteils. Die Stromversorgung bestätigt ebenfalls über das CAN-Netzwerk den Empfang der Daten.

SDOs erlauben einen segmentierten Datentransfer, d.h., es können Daten beliebiger Länge in das Objektverzeichnis geschrieben werden (z. B. Programm-Download). Da aber im Geräteprofil für Netzgeräte sämtliche Parameter maximal 4 Byte lang sind, benötigt man keine Datensegmentierung. Es sind also nur zwei CAN-Nachrichten erforderlich, um einen Parameter zu schreiben. Es werden auch immer die gleichen CAN-Identifier verwendet. Die Unterscheidung, um welchen Parameter es sich handelt, erfolgt im 3-Byte-Multiplexer, der die eindeutige 24-Bit-Adresse des Eintrages in das Objektverzeichnis enthält.

CiA 453 eignet sich für einfache und komplexe Netzteile

Das CANopen-Geräteprofil CiA 453 eignet sich für einfache Geräte, die nur überwacht werden sollen ebenso wie für programmierbare Geräte, die beispielsweise in komplexen Experimenten der Hochenergiephysik eingesetzt werden. Ein Beispiel dafür ist das im großen Bild gezeigte ATLAS-Experiment am CERN zur Beobachtung spektakulärer Zusammenstöße von Protonenpaaren bei einer Gesamtenergie von 14 TeV.

ATLAS ist der größte je gebaute Detektor der Teilchenphysik. Die Entwicklung von programmierbaren Netzgeräten mit hoher Systemdynamik hat in den letzten Jahren neue Anwendungen in Verfahrenstechnik, der Prüftechnik und der Laborautomation ermöglicht. Dazu zählen: Simulation und Substitution von DC-Quellen wie Batterien und Brennstoffzellen; Einspeisung von Burn-in- und Test-Systemen, Plasma-Lasten (z.B. für Oberflächen-Technologien), Radar-Modulatoren (z. B. Klystron oder Magnetron), Pulslasern oder Entmagnetisiersystemen. Allerdings sind die meisten Geräte nicht einfach in bestehende vernetzte Automatisierungslösungen integrierbar.

Standardisierte Schnittstelle für Netzteile

Mit dem CANopen-Profil CiA 453 gibt es nun eine standardisierte digitale Schnittstelle zur Überwachung und Steuerung von Netzteilen. PC-basierende CANopen-Steuerungen werden von mehreren Herstellern angeboten. Eine erste Übersicht über CANopen-Geräte ist auf der CiA-Webseite (siehe Link) vorhanden, die auch als CD-Version (CANopen Product Guide) kostenlos erhältlich ist.

Mit kleinen Steckverbindern lässt sich viel Platz sparen

Da es sich bei CAN um ein serielles Netzwerk mit drei Leitungen (CAN-H, CAN_L und GND) handelt, kann man kleine Steckverbinder verwenden, die sich auch für 19“-Karten eignen. In der Empfehlung CiA 303-1 sind mehrere Stecker samt einer standardisierten Anschlussbelegung aufgeführt. Sie ist kostenlos von der CiA-Webseite anforderbar. Ebenso ist das CANopen-Anwendungsprotokoll (CiA 301) als PDF-Datei verfügbar. Das Geräteprofil für Netzteile ist derzeit nur für Mitglieder zugänglich. Erst nach praktischer Erprobung wird es auch Nichtmitgliedern zur Verfügung gestellt.

*Holger Zeltwanger ist Managing Director der Anwender- und Herstellervereinigung CAN in Automation (CiA).

 

Die Organisation CAN in Automation (CiA)

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