Deset let činnosti CiA – deset let rozvoje sběrnice CAN

Deset let činnosti CiA – deset let rozvoje sběrnice CAN

Na přelomu prvního a druhého čtvrtletí letošního roku uplynulo deset let od vzniku mezinárodního sdružení uživatelů a výrobců komponent sběrnice CAN – CAN in Automation, známého především pod zkratkou CiA. Cílem činnosti této neziskové organizace, sídlící v německém Erlangenu, jejímiž členy je 393 společností (stav k 1. 1. 2002), je celosvětová podpora šíření znalostí o mezinárodně standardizované komunikační sběrnice CAN (Controller Area Network, ISO 11898) Spolu s osvětovou činností CiA podporuje vývoj protokolů vyšších vrstev (CAL, CAN Kingdom, CANopen a DeviceNet) a další zdokonalování základního komunikačního protokolu CAN.

K organizaci vzdělávacích a školicích akcí i mezinárodních konferencí a k vydávání publikací se vztahem k CAN (standardy CiA, CAN Newsletter a katalogy produktů) byla posléze, jako dceřiná společnost neziskové CiA, založena CiA Limited. Zvláštní výroční vydání časopisu CAN Newsletter lze např. od CiA Ltd. obdržet na požádání zdarma (headquarters@can-cia.org, fax 0049/9131-69086-79).

Ponechme protentokrát stranou technickou stránku sběrnice CAN (základní informace přináší např. [2]) a podívejme se, jak zásadně k jejímu úspěchu přispěla CiA. V současném světě – na první pohled zcela zaplněném automatizačními giganty – může jít o příběh i inspirativní.

Cesta z chaosu
V současnosti už málokdo vzpomene na zmatek, který panoval v oblasti průmyslových sítí s čipy CAN před deseti lety. Systém sériové sběrnice CAN, vyvinutý společností Robert Bosh GmbH v roce 1986 pro použití v automobilech, se osvědčil a pracoval dobře v konkrétních naprojektovaných aplikacích. Někteří vizionáři však šli dále. Uvědomili si totiž, že jednoduchost, velká rychlost, deterministické chování a nízká cena CAN jsou přesně tím, co potřebují pro řízení strojů. Bohužel však neměli téměř nic, s čím by mohli pracovat. Čipy a nějaké útržky softwaru pro CAN sice existovaly, ale nebyly navzájem kompatibilní. Nebyl zde vůbec žádný standard, dokonce ani na úrovni fyzického rozhraní.

Nyní, po deseti letech, je CAN pravděpodobně nejčastěji používanou sběrnicí ve strojích a strojních zařízeních. Podle některých pramenů je v Evropě – která nyní spotřebovává asi 74 % vyrobených čipů CAN (Asie 15 %, Amerika 10 %) – vestavěno ve strojích a zařízeních v továrních provozech pravděpodobně více sítí CAN než sítí všech ostatních typů dohromady!

Jak k tomu došlo? Nenechme se mýlit a nehledejme za tímto úspěchem úsilí žádného z velkých dodavatelů průmyslové automatizace, ani jejich konsorcia. Zásluhy o sběrnici CAN není možné připsat jednotlivé osobě nebo společnosti. Přehlédnout ovšem v žádném případě nelze těžko docenitelný osobní přínos Holgera Zeltwangera, původně odborného novináře a od jejího vzniku do dnešních dnů vedoucího představitele a hlavní „motor“ CiA. Ten na začátku 90. let minulého století, znepokojen chybějícími standardy pro CAN, zorganizoval několik setkání se zainteresovanými firmami, a protože při nich byl jediným účastníkem bez jakéhokoliv obchodního zájmu, stal se generálním sekretářem neziskového sdružení nazvaného CAN in Automation (CiA). Uvést sběrnici CAN do života bez širokého finančního zázemí a marketingového úsilí bylo možné zejména proto, že aktéři velkého marketingového klání v oblasti průmyslových sběrnic, probíhajícího valnou část 90. let, nepokládali CAN za seriózního soupeře. A asociace uživatelů a popř. výrobců založená soukromou osobou? Ta jednoduše nezapadala do jejich představy potenciálního nepřítele. CiA byla tudíž ušetřena jakýchkoliv útoků a mohla poměrně nerušeně vyvíjet své protokoly vyšších vrstev podle modelu ISO/OSI. Po poněkud rozpačitém akademickém mezidobí v podobě CAN Application Layer byl uveden úspěšný protokol CANopen, vyvinutý v rámci evropského projektu Esprit. Paralelně byly v USA pro CAN vyvinuty protokoly DeviceNet a SDS (Smart Distributed System), také podporované CiA a mezinárodně standardizované podobně jako CANopen (EN 50325). Zatímco protokol SDS z trhu téměř zmizel, DeviceNet se běžně používá a sdružení uživatelů sběrnice DeviceNet (ODVA) je kolektivním členem CiA, která zajišťuje prodej specifikací DeviceNet v Evropě.

Dynamický rozvoj systému CAN
Pozoruhodná dynamika rozvoje sběrnice CAN a jejích aplikací za posledních deset let je dobře patrná na vývoji počtu členů CiA (obr. 1 – asi polovina členů sídlí v Německu a většinou jde o malé a střední firmy) i na počtu prodaných uzlů různých typů (popř. odhadu prodeje – viz obr. 2).

K dispozici je současně několik variant vyšších protokolů CAN, což je pro znalého uživatele spíše výhodou. Zjednodušeně řečeno je např. již zmíněná sběrnice DeviceNet optimalizována pro použití při automatizaci výrobních provozů, zatímco protokol CANopen směřuje spíše do oblasti sériově vyráběných strojů. Pro speciální aplikace jsou určeny protokoly CAN Kingdom a CAL. V USA jsou navíc k dispozici uživatelské profily standardizující nejen komunikaci, ale i aplikace. Jako příklad lze uvést především J1939, US standard pro komunikační systémy vozidel určených pro pohyb mimo zpevněné komunikace postavený na bázi CAN. K dispozici jsou také mezinárodní standardy pro tahače nákladů (ISO 11992) a pro zemědělské a lesnické stroje (ISO 11783). CANopen přitom není označením jen samotného standardizovaného protokolu aplikační vrstvy, ale také rodiny specifikací profilů zařízení, rozhraní a aplikací obecně použitelných na čistě aplikační úrovni. Navíc členové CiA vyvinuli profily specifických aplikací např. pro informační systém pro cestující, nákladní automobily a tkalcovské stavy. Ve vývoji jsou profily pro lékařské přístroje a řídicí systémy výtahů. Nezávisle na CiA vznikly profily protokolu CANopen pro vysokozdvižné vozíky, tiskařské stroje, nákladní železniční vagony a elektronické platební systémy.

CAN v konkurenci ostatních sběrnic
Na základě každoročních marketingových studií předpokládá CiA další růst obratu v obchodu s řídicími obvody pro CAN (obr. 2). Pro jejich implementaci do svých osobních vozů se nyní např. rozhodli američtí a dálněvýchodní výrobci automobilů. Navíc se předpokládá, že kromě automatizace průmyslových provozů a řízení strojů a zařízení najde sběrnice CAN uplatnění i v jiných oblastech.

Co se týče konkurence mezi sběrnicemi, sběrnice CAN je použitelná ve všech aplikacích, ve kterých mají navzájem komunikovat více než dvě zařízení na bázi mikropočítačů. Z tohoto důvodu je okruh jejích konkurentů v oblasti průmyslové automatizace poměrně široký. Z evropských lze za všechny jmenovat Profibus (automatizace továrních provozů) a francouzskou Vehicle Area Network (automobilový průmysl), z amerických sběrnici J 1850. V oblasti vestavných aplikací pro stroje a zařízení jsou seriózními konkurenty CAN sběrnice AS-I (automatizace strojů a průmyslových provozů) a EIB (automatizace budov). Dále se v [1] předpokládá budoucí růst významu rozhraní Firewire. Obecně CiA doporučuje volit složitější a dražší řešení komunikace, teprve není-li sběrnice CAN schopna výkonové požadavky aplikace splnit. Jinak řečeno, vývojoví pracovníci by se měli nejprve pokusit najít řešení se sběrnicí CAN a na dražší komunikační systémy se zaměřit teprve tehdy, když s CAN neuspějí.

Síť Ethernet není CiA považována za skutečnou konkurenci sběrnice CAN, a to především pro omezenou schopnost práce v reálném čase a malé možnosti spolupráce s osmibitovými procesory. Na Ethernet pohlíží spíše jako na doplněk k sítím na bázi sběrnice CAN, který umožňuje vložit dílčí komunikační okruhy CAN do komplexnějších komunikačních systémů, včetně připojení k internetu. Protokoly DeviceNet a EtherNet/IP dokonce mohou použít stejné profily zařízení, tj. dovolují bez jakýchkoliv konverzí přenášet data od snímačů ve strojích až do informačních systémů podniku a opačně.

Nové aplikační oblasti systému CAN
Nyní zkoumají možnosti implementace původem průmyslové sběrnice CAN výrobci domácích spotřebičů. V nejbližší budoucnosti ji lze očekávat např. v profesionálních kávovarech, moderních pračkách a myčkách nádobí. V některých odvětvích průmyslu navíc není sběrnice CAN používána jen vedoucími firmami, ale je víceméně akceptována i jako průmyslový standard. V této souvislosti lze zmínit např. ovládání výtahů, elektronické dveřní systémy, námořní, a dokonce i letecké a kosmické aplikace. Mnohé z těchto vestavných aplikací čekaly na stabilní a standardizovaný protokol vyšší vrstvy, který je nyní v podobě CANopen k dispozici.

(sk)