CAN Bus para ascensores

Se dan detalles de este importante sistema de transmisión de datos, desde cero.

El bus Controller Area Network (CAN) es uno de los varios métodos de comunicación electrónica de bus serie que ha encontrado popularidad en los últimos años en la tecnología de ascensores. Su éxito sobresaliente en esta y otras aplicaciones similares se debe a su confiabilidad y bajo costo, con un número reducido de cables en los cables móviles y en toda la instalación. Hay menos terminaciones y mayor inmunidad al ruido electrónico.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Después de leer este artículo, debería haber aprendido:
♦ Razones del gran éxito del bus CAN
♦ Diferencias entre buses seriales y paralelos
♦ Por qué el bus CAN funciona bien en instalaciones de ascensores
♦ Diferencias entre las subcapas LLC y MAC
♦ Por qué los reflejos de datos son dañinos

A modo de antecedentes, este artículo revisará algunas definiciones y rastreará cómo se desarrolló por primera vez el bus CAN como una innovación automotriz. Pero, primero, ¿qué es un autobús? Al igual que el nombre de un vehículo grande utilizado en el transporte público, la palabra se deriva del latín "ómnibus", que significa "para todos".

Para un electricista, "bus" denota una barra o tira de metal, frecuentemente de sección transversal rectangular, que conduce la electricidad en la distribución de energía eléctrica. Por lo general, una gran cantidad de electricidad se conduce a distancias relativamente cortas, a menudo dentro de una caja de aparamenta. En los sistemas informáticos y de comunicación (que es lo que estamos tratando aquí), "bus" tiene un significado diferente, aunque relacionado. En lugar de un solo conductor, es el sistema completo el que transmite datos. Es el camino entre circuitos integrados u otros dispositivos en una placa de circuito impreso, entre dispositivos en placas adyacentes, entre computadoras en una red de área local o entre piezas de equipos eléctricos en diferentes ubicaciones. Un bus incluye el cable con uno o más (a veces muchos) conductores y el hardware en cada extremo, además de software y documentación y protocolos escritos. Por lo tanto, un bus de datos no es solo un conductor metálico como en el trabajo eléctrico, sino un subsistema completo, incluido su fundamento teórico.

En las primeras transmisiones de datos, el medio dominante era el bus paralelo, pero ha sido reemplazado en gran medida por el bus serie, una categoría amplia que incluye I2C, SPI, RS232, LIN, FlexRay, audio, USB y MIL-STD-1553.

El bus paralelo es anterior a las tecnologías de bus serie. El primero es más fácil de entender y más sencillo de solucionar y reparar, pero mucho menos eficiente, y dado que se requieren mucho más cableado y muchas más terminaciones, la instalación inicial es más costosa. La transmisión de datos en serie hace uso de algunos conceptos complejos de multiplexación, pero dado que se resuelve en circuitos de dos cables (en su mayor parte), gran parte del trabajo es simple plug-and-play.

Un bus paralelo tiene varios conductores separados que transmiten datos simultáneamente, mientras que en un bus serial, los bits de datos se transmiten secuencialmente, uno a la vez, aunque muy rápidamente. Esto parecería sugerir que un bus paralelo podría transmitir datos más rápido que un bus serial, pero este no es el caso debido a ciertas ineficiencias en la transmisión de datos en paralelo. Por un lado, no es factible que un bus paralelo mantenga las altas velocidades de reloj presentes en un bus serial. Un bus paralelo normalmente tiene conductores separados para la señal del reloj, la transmisión de datos, la recepción de datos, las señales de protocolo de enlace y otros. La velocidad de transmisión general está limitada por el más lento de estos canales. Además, debido a los múltiples conductores, existe un mayor potencial de diafonía y pérdida capacitiva en paralelo e inductiva en serie, además de una falta de coincidencia de impedancia característica que da como resultado reflejos de señal y errores de datos. El cableado paralelo también está más sujeto a daños físicos y hay más terminaciones de las que preocuparse.

La comunicación paralela todavía se utiliza dentro de los circuitos integrados, la producción industrial, la instrumentación científica y los dispositivos de memoria de acceso aleatorio. Sin embargo, el paso a la comunicación en serie ha continuado a buen ritmo y sin duda será la ola del futuro.

Las redes informáticas han migrado a la comunicación en serie, que, por necesidad, se utiliza para cualquier tipo de transmisión de datos de larga distancia, porque el costo y las pérdidas inherentes al cableado paralelo multiconductor de larga distancia son prohibitivos.

Contrariamente a esta impresión, desde que ha proliferado la tecnología en serie, han surgido numerosas variantes, cada una con una topología, una capa física y un protocolo operativo distintivos. Algunos transmiten datos en secuencias con tramas, un mecanismo de arbitraje para evitar colisiones de datos y una arquitectura maestro / esclavo. Se puede utilizar un sistema de direcciones para la recepción selectiva, o se pueden transmitir datos para que todos (los nodos) los escuchen. La transmisión puede ser unidireccional o dúplex completo.

Como era de esperar, los fabricantes de ascensores han reconocido los beneficios de la transmisión en serie y la idoneidad única del bus CAN. Robert Bosch GmbH, el gran fabricante de equipos electrónicos automotrices y productos relacionados ubicado cerca de Stuttgart, Alemania, comenzó a trabajar en el bus CAN en 1983. La idea era reemplazar el arnés de cableado automotriz del viejo mundo con comunicación serial-bus que uniría los muchos la introducción de subsistemas en automóviles y camiones nuevos. Esta nueva tecnología, por supuesto, requeriría microchips. En 1987, los semiconductores de Intel y Philips comenzaron a cubrir la necesidad, luego, en 1988, BMW presentó su Serie 8, que incorporaba un sistema eléctrico multiplex de bus CAN.

Bosch continuó especificando los detalles del bus CAN, lo último en CAN 2.0 (1991). La parte A especifica un identificador de 11 bits y se considera el formato estándar, mientras que la parte B, el formato extendido, emplea un identificador de 29 bits. Estas dos partes están etiquetadas como "CAN 2.0A" y "CAN 2.0B". Bosch distribuye los estándares de forma gratuita, además de las especificaciones y los documentos técnicos relacionados.

Un actor clave en este campo ha sido la Organización para la Estandarización (ISO), que publicó ISO 11898 en 1993. La Parte 1 de esta norma describe la capa de enlace de datos y la Parte 2 cubre la capa física para CAN de alta velocidad. Posteriormente, ISO publicó ISO 11898-3, que pertenece a la capa física de lo que se conoció como bus CAN tolerante a fallas de baja velocidad.

El uso del bus CAN se extendió mucho más allá de su aplicación inicial en automóviles a maquinaria industrial y agrícola, sistemas médicos, navegación náutica y control de sistemas de ascensores. Hay varios tipos de tecnología, todos con controladores integrados de bajo costo:

• El bus CAN de alta velocidad incorpora señalización diferencial, lo que lo hace relativamente inmune al ruido. Suele funcionar a 0.5-1.0 Mbps. Se requieren dos cables, ambos aislados de tierra.
• El bus CAN de baja velocidad es menos costoso de implementar y se utiliza en aplicaciones menos críticas, como radio de automóviles y control de puertas. Debido a la frecuencia más baja, no se requiere señalización diferencial, porque la inmunidad al ruido es un problema menor. Solo se utiliza un cable, y el chasis del vehículo sirve como retorno a tierra.
• El bus CAN tolerante a fallos es una implementación híbrida. Es esencialmente un bus CAN de alta velocidad en el que se elimina uno de los cables. Es muy utilizado en automóviles para controlar los airbags.
• CAN FD (con "FD" que significa "velocidad de datos flexible") es una tecnología emergente que se espera que permita mensajes más largos con menos demoras.

A pesar de que su desarrollo fue exclusivamente para arneses automotrices, en una década, el uso del bus CAN se había expandido a numerosas áreas: aviónica, control de plantas y fábricas, dispositivos médicos y muchas otras.

En cuanto a la tecnología de ascensores, el bus CAN es una excelente opción. Una instalación de grupo (como en un gran rascacielos) consta de varios coches que se desplazan verticalmente en ejes separados. A través del milagro de los cables móviles, se puede llevar una cantidad modesta de energía eléctrica, más una cantidad adecuada de buses de datos en serie, a los automóviles en movimiento.

En cuanto al sistema eléctrico que es tan básico para la instalación de un grupo de ascensores, el más destacado y fundamental es la energía, que se origina en la empresa de servicios eléctricos. En realidad, se trata de una red eléctrica formada por numerosos generadores en red, ya sea conectados a turbinas individuales o, cada vez más, a paneles solares. Este complejo sistema de distribución inyecta billones de electrones a través de la entrada de servicio del edificio y a través de numerosos circuitos derivados protegidos contra sobrecorriente hasta el punto de uso.

En una instalación de grupo de ascensores, la electricidad se utiliza de dos formas. En primer lugar, alimenta los motores que hacen el trabajo pesado y, a menudo, proporcionan frenado regenerativo, además de encender las luces, el calor resistivo, el aire acondicionado evaporativo, las funciones de las puertas y similares. Todo esto puede considerarse el dominio analógico. La otra forma en que se utiliza la electricidad, el dominio digital, tiene que ver con la creación, procesamiento y visualización de información. Estos dos modos operativos son igualmente importantes y, de hecho, esenciales en la funcionalidad del ascensor.

Los profesionales de ascensores, incluidos los trabajadores de diseño e instalación y el personal de mantenimiento, trabajan en estos dos modos, a menudo en combinación. Para crear una buena instalación de ascensores, es necesario que estas personas tengan un conocimiento profundo de ambos mundos. El flujo de energía a través de un variador de frecuencia (VFD) hacia el motor es sencillo y fácil de entender, incluso si, debido a los altos niveles de corriente y voltaje, existen desafíos y peligros potenciales que deben enfrentarse.

Por el contrario, el dominio digital implica una curva de aprendizaje más pronunciada. Cuando la instalación de un ascensor funciona de manera intermitente o no funciona, y cuando se han eliminado los problemas de suministro de energía, VFD, transmisión de energía, motor y carga, el siguiente paso es mirar el extremo digital, que consiste en la transmisión y recepción de datos. Como se indicó anteriormente, el bus CAN juega un papel importante cuando se trata de transmisión digital, y esto seguirá siendo cierto en el futuro previsible.

La conectividad del bus CAN, al igual que otros tipos de bus serie, consta de una capa física (que incluye codificación de bits, temporización, sincronización y tipos de conectores y cables) y una capa de enlace de datos, que consta de control de enlace lógico (LLC) y acceso al medio. subcapas de control (MAC). La subcapa LLC permite la transmisión de información desde el principio hasta el destino. Esto incluye la transferencia de datos y las solicitudes de datos remotos, el filtrado de mensajes como parte de la aceptación de mensajes recibidos y la gestión de la recuperación (es decir, notificación de sobrecarga).

Un enfoque principal de la especificación del protocolo CAN es la subcapa MAC, que es para una categoría muy grande: encuadre de mensajes, arbitraje de medios de comunicación, gestión de acuse de recibo, detección de errores y señalización. Si se detecta alguna falla permanente concebible, se deben monitorear los estados de error y limitar las operaciones del nodo afectado, y esta tarea la realiza un controlador. El estándar original de Bosch no cubría todos los aspectos de la capa física. Los elementos excluidos incluían tipos de cables y conectores, y rangos de voltaje y corriente aceptables. En cambio, el estándar original se centró en la codificación de bits, la temporización y la sincronización.

El tipo de señal que es una característica dominante en el bus CAN se conoce como codificación de bits sin retorno a cero (NRZ). Esto es importante porque implica un número mínimo de transiciones. Los estados medios que se establecen son dominantes, que se equipara arbitrariamente a cero, y recesivos, que es uno. Esto puede parecer atrasado, pero como el estándar y la implementación son consistentes, no es un problema.

Todos los nodos están sincronizados en los bordes de bits y, en consecuencia, todos los nodos están de acuerdo con respecto al valor del bit transmitido actualmente. Para que esto ocurra de forma continua, cada nodo debe mantener una forma de sincronización que alinee la tasa de bits en el receptor con la de los bits transmitidos. Para hacer esto, los nodos se sincronizan de acuerdo con los bordes de transición. La sincronización se vería comprometida por una secuencia larga, lo que provocaría una deriva del reloj de bits del nodo. Para evitar este resultado, se emplea el relleno de bits (también conocido como relleno de bits). La idea aquí es que se inserte un bit en la secuencia después de cualquier ejecución de cinco bits idénticos (00000 o 11111). El relleno de bits se inicia en el transmisor y se elimina en el receptor antes del procesamiento del contenido de la trama, lo que mantiene una sincronización precisa.

La sincronización de bits, que es necesaria para el protocolo de arbitraje y la gestión eficiente de los datos, se realiza inicialmente en la recepción del bit de inicio que acompaña a cada transmisión asíncrona. Luego, para que los mensajes se reciban correctamente, es necesaria una resincronización continua. La temporización de los bits está condicionada por otros requisitos especificados en el protocolo. Por ejemplo, para mejorar el arbitraje de bus y el reconocimiento de mensajes y la señalización de errores, los nodos pueden cambiar el estado de los bits de recesivo a dominante. Cuando esto sucede, otro requisito es que todos los demás nodos de la red estén informados del cambio durante la transmisión de bits. El tiempo de bits debe ser suficiente para que el tránsito de bits realice el viaje de ida y vuelta del remitente al receptor y viceversa.

Un retardo de propagación debe ser suficiente para la transmisión de la señal, además de cualquier retardo de la señal que se produzca en los transmisores y receptores. El retraso total depende de la distancia entre los nodos que estén más alejados.

Los diseñadores de dispositivos programan los controladores CAN mediante registros. Es necesario determinar la cantidad de retardo de propagación, y esto determina la longitud máxima del bus a una velocidad de datos determinada o la velocidad de datos a una longitud de bus determinada. La capa física está sujeta a restricciones que resultan del requisito de que todos los nodos permanezcan sincronizados a nivel de bits en el momento de la transmisión.

Los diseñadores de bus CAN deben evitar absolutamente los reflejos de datos. Tienen dos causas principales: falta de coincidencia de impedancia entre la entrada o salida y el cable, y longitudes de rampas largas y de baja impedancia. Por lo general, estos son problemas de diseño, por lo que una vez que un sistema está en funcionamiento, no debería haber ningún problema, a menos que un cable se pellizque o se dañe, o una terminación se afloje u oxide. La CAN de alta velocidad es la más crítica a este respecto.

Las resistencias de terminación se utilizan para lograr la adaptación de impedancia. ISO 11898 especifica un cable de 120 ohmios, por lo que se utilizan resistencias de 120 ohmios en las terminaciones. Cuando hay varios dispositivos ubicados a lo largo del cable, solo aquellos en los extremos de la línea requieren resistencias de terminación. En CAN de baja velocidad, todos los dispositivos de red requieren resistencias de terminación para cada línea de datos. Algunos fabricantes los integran en el hardware, por lo que es importante consultar la documentación de instalación.

En el protocolo CAN, hay cuatro tramas posibles. La trama de datos contiene datos que se envían a uno o más receptores. El marco contiene una solicitud de información en relación con un marco de datos que tiene el mismo identificador. Se envía una trama de error cuando uno de los nodos de la red detecta un error. Una trama de sobrecarga se utiliza para solicitar tiempo adicional, si es necesario, antes de reanudar la transmisión de tramas de datos o tramas remotas.

Las tramas de datos envían información a los receptores que, a diferencia de otros tipos de buses seriales, no se identifican mediante direcciones discretas. En cambio, los nodos receptores especifican los mensajes que recibirán de acuerdo con la información que contienen codificada en el identificador de la trama. Los mensajes CAN pueden tener dos tipos alternativos de identificadores. Las tramas estándar tienen campos de identificación de 11 bits. Las tramas extendidas tienen campos de identificación de 29 bits. Ambos pueden ser transmitidos en un solo bus por el mismo o por diferentes nodos. Los árbitros pueden diferenciar entre estos tipos de tramas.

El estado recesivo de un bus inactivo es interrumpido por el inicio de una trama con un solo bit dominante. Luego, el campo de identificador define la prioridad de arbitraje para el mensaje y el contenido de datos que comprende el flujo de mensajes. También hay otros campos: el campo de control contiene información relacionada con el tipo de mensaje. El contenido de los datos está en el campo de datos. La suma de comprobación verifica la veracidad de los bits del mensaje. Se reconoce la recepción. A esto le sigue el delimitador final y el espacio inactivo o los bits entre tramas que denotan la separación entre tramas.

El propósito de una trama remota es solicitar información que tenga un identificador específico de un nodo remoto. Una trama remota está estructurada a la manera de una trama de datos. El identificador del mensaje solicitado se indica en el campo de identificador. La longitud de los datos del mensaje solicitado se indica en el campo DLC. En el campo de arbitraje, el bit RTR es recesivo.

En el área extremadamente crítica de la operación de ascensores, donde la seguridad humana es siempre la mayor preocupación, los errores no se pueden tolerar. El bus CAN está diseñado para una transmisión de datos confiable, y para que esto pueda tener lugar, el protocolo ha sido diseñado para la detección de errores, la señalización y el autodiagnóstico y las medidas para el confinamiento de fallas, cuyo propósito es evitar que los nodos defectuosos contaminen toda la red. .

Los estándares CAN no toman nota de la fibra óptica como medio en la red, pero se ha utilizado con gran éxito. En esta configuración, por definición, la luz denota dominante y la oscuridad es recesiva. Dado que las señales ópticas se acoplan directamente a los medios, deben proporcionarse dos líneas: una para la transmisión y la otra para la recepción. Además, para permitir la monitorización de bits, las dos líneas deben estar acopladas externamente.

La fibra óptica tiene las ventajas habituales de la inmunidad a la fuerza electromotriz, y sus propiedades no incendiarias son una ventaja en áreas donde pueden estar presentes gases explosivos o líquidos o polvos inflamables. Sin embargo, el artículo 770 del Código Eléctrico Nacional contiene mandatos para una instalación de fibra óptica, y el cumplimiento es esencial para obtener la luz verde de los inspectores del sitio y garantizar una instalación segura a largo plazo.

Ya sea por fibra óptica o eléctrica, el arbitraje CAN se basa a la vez en prioridad y no tiene preferencia. Esto significa que un mensaje que se transmite no puede ser anulado por un mensaje de mayor prioridad como en algunos otros protocolos de bus. En el bus CAN, los canales están cableados de acuerdo con la “lógica Y” que conecta todos los nodos. Las fases de contención y transmisión se alternan para adquirir acceso a los medios. Si no se utiliza un medio compartido, un nodo puede iniciar la transmisión. Los nodos que tienen mensajes para ser transmitidos transmitirán el identificador en las ranuras de arbitraje. La lógica AND resuelve las colisiones, y cualquier nodo que lea sus bits como sin cambios es el ganador y procede a transmitir el resto de su mensaje, mientras que los otros nodos escuchan y esperan una apertura.

En el negocio de los ascensores, la seguridad en lo que respecta a la transmisión eléctrica y de datos está ganando protagonismo como tema central de las discusiones entre los profesionales de la industria. Al reconocer la importancia de la tendencia, CANopen Lift, la red estandarizada para ascensores y ascensores, está trabajando hacia la creación de una comunidad mundial de fabricantes de ascensores y subconjuntos con el objetivo de compartir información en este campo que cambia rápidamente. En esta área diversa, la transmisión de conocimientos y experiencia es una empresa de alta prioridad, y en este campo aún en evolución, las comunicaciones entre los participantes son más importantes que en cualquier otro momento del pasado.

Preguntas de refuerzo del aprendizaje

♦ ¿Por qué se necesitaba el bus CAN en la industria automotriz?
♦ ¿Qué es un bus serial?
♦ ¿Por qué se utilizan resistencias de terminación en instalaciones de bus CAN?
♦ ¿Cómo se indican los estados recesivo y dominante en el bus CAN?
♦ ¿Cuáles son las ventajas de la fibra óptica en una instalación de bus CAN?