Guide technique CANopen : Configuration et dépannage

Introduction au protocole CANopen

CANopen est un des protocole de référence pour les communications industrielles. Sa structure technique permet l’intégration des équipements industriels sur un réseau :

• Capteurs et actionneurs
• Contrôleurs et automates
• Interfaces homme-machine
• Modules d’entrées/sorties

Ce guide technique détaille les aspects essentiels de CANopen pour les professionnels de l’automatisme industrielle :

• Architecture protocolaire complète
• Méthodologie de configuration réseau
• Paramétrage avancé des équipements
• Optimisation des performances système
• Diagnostic et maintenance préventive

Fondamentaux du Protocole CANopen

Le protocole CANopen, développé dans les années 1990 par le groupe CiA (CAN in Automation), constitue le standard de référence pour les communications industrielles.

Architecture et principes de base CANopen

L’architecture technique CANopen s’articule autour de trois éléments fondamentaux :

• La pile protocolaire CANopen dédiée aux communications réseau
• Le logiciel applicatif gérant les fonctionnalités système
• Le dictionnaire d’objets assurant l’interface entre ces composants

Le dictionnaire d’objets constitue l’élément central du système. Sa structure d’adresse unique de 24 bits se décompose en index 16 bits et sous-index 8 bits. Cette organisation hiérarchique permet l’accès structuré aux paramètres de configuration et données process.

Couches de communication

L’implémentation CANopen couvre les cinq couches supérieures OSI, le protocole CAN gérant les deux couches basses :

 

Topologie de câblage

La mise en place de la bonne topologie de câblage est très important pour tout réseau CANopen. L’architecture physique du bus CAN s’appuie sur une connexion linéaire, avec des résistances de 120 Ω installées à chaque extrémité afin d’éviter les réflexions et réduire les perturbations électromagnétiques. Les dérivations (“stub lengths”) doivent rester aussi courtes que possible pour garantir une qualité de signal optimale, surtout à des débits élevés.

Voici les points essentiels à considérer pour une topologie CANopen fiable :

• Connectique
  • Connecteurs Sub-D9 ou M12 couramment utilisés.
  • Blindage robuste pour limiter les interférences dans les environnements industriels.
• Terminaisons
  • Résistances de 120 Ω à chaque extrémité physique du bus.
  • Aucune autre résistance de terminaison ne doit être insérée en parallèle pour éviter toute dégradation du signal.
• Longueurs de câble
  • Longueurs maximales dépendantes du débit (ci-dessous).
  • Réduction stricte des dérivations pour limiter les pertes.
• Débit vs. Distance
  • Des débits de 1 Mbit/s exigent une longueur de bus restreinte (≈25 m).
  • À 125 kbit/s, le bus peut s’étendre jusqu’à 500 m.

 Source : https://agilicom.fr/tutoriels/canopen

Cette architecture en bus linéaire, combinée à une terminaison soignée et un câblage de haute qualité, permet d’atteindre une fiabilité de communication élevée et un temps de réponse stable. De plus, l’utilisation de câbles blindés et l’éloignement des sources de perturbations (moteurs haute puissance, onduleurs, etc.) renforcent la robustesse globale du réseau.

Avantages pour l’automatisation industrielle

CANopen présente des caractéristiques techniques essentielles pour l’automatisation :

• Flexibilité : Configuration possible post-installation
• Interopérabilité : Communication native multi-constructeurs
• Standardisation : Profils d’équipements normalisés

Le protocole supporte trois architectures de communication distinctes :

1. Maître/Esclave : Contrôle hiérarchique centralisé
2. Client/Serveur : Échanges de données point à point
3. Producteur/Consommateur : Distribution d’informations broadcast

CANopen démontre une efficacité particulière sur les réseaux compacts privilégiant simplicité et optimisation des coûts. Son utilisation s’étend à de multiples secteurs : robotique, équipements médicaux, systèmes automobiles.

Configuration d’un Réseau CANopen

La mise en œuvre d’un réseau CANopen exige une compréhension approfondie des éléments structurels fondamentaux.

Paramétrage des nœuds CANopen

La configuration technique de chaque équipement réseau requiert des paramètres spécifiques :

 

Dictionnaire d’objets

Le dictionnaire d’objets constitue l’élément central de paramétrage. Sa structure hiérarchique comprend :

• Index 16 bits : identification principale de l’objet
• Sous-index 8 bits : accès aux sous-composants

Cette organisation permet le stockage structuré des données de configuration et de process, accessibles via des mécanismes spécifiques.

Services SDO et PDO

Les Services Data Objects (SDO) offrent un accès direct aux entrées du dictionnaire :

• Lecture des configurations
• Modification des paramètres système
• Configuration des équipements réseau

Les Process Data Objects (PDO) gèrent les échanges temps réel :

• TPDO : transmission des données
• RPDO : réception des données

Caractéristiques techniques des PDO :

• Capacité de transport jusqu’à 8 octets par trame
• Modes de transmission multiples :
  • Événementiel
  • Cyclique temporisé
  • Sur demande
  • Synchronisé

Plages d’index dédiées au paramétrage PDO :

• RPDO : 1400h-15FFh
• TPDO : 1800h-19FFh

Communication et Échange de Données en CANopen

Les spécifications techniques CANopen définissent plusieurs modes de transmission adaptés aux exigences industrielles.

Modes de transmission CANopen

Trois modes de transmission PDO caractérisent le protocole :

Le paramètre temps d’inhibition permet la régulation du trafic réseau. Cette valeur établit l’intervalle minimal entre transmissions PDO successives.

Synchronisation

Le mécanisme SYNC assure la coordination précise des échanges. Le producteur SYNC émet périodiquement des trames de synchronisation sur le réseau.

Fonctionnement séquentiel du compteur SYNC :

• Initialisation à la valeur 1
• Incrémentation séquentielle
• Réinitialisation selon paramétrage maximal

Gestion des erreurs

Deux protocoles techniques assurent la surveillance réseau :

1. Protocole Heartbeat :
   • Émission cyclique des états équipements
   • Configuration temporelle via index 1017h
   • Détection rapide des défauts communication
2. Messages d’urgence (EMCY) :
   • Notification des défauts critiques
   • Transmission haute priorité
   • Codification standardisée des erreurs

Le protocole Node Guarding, bien qu’existant, n’est plus préconisé pour les installations modernes. Le protocole Heartbeat présente une fiabilité supérieure avec une charge réseau optimisée.

Configuration optimale de la détection d’erreurs :

• Temps producteur Heartbeat : objet 1017H (millisecondes)
• Temps consommateur : objet 1016H Le dépassement du délai configuré déclenche automatiquement une notification d’erreur système.

Cycle de vie des nœuds CANopen

L’évolution d’un nœud dans un réseau CANopen repose sur une séquence d’états standardisés permettant de réguler son initialisation, sa configuration, puis son fonctionnement en production. Chaque changement d’état s’effectue selon des conditions précises (boot-up, commande, défaut, etc.) afin de garantir la synchronisation et la fiabilité du réseau.

Les quatre états fondamentaux définis par le protocole CANopen sont :

État	Description
Initialisation	Préparation matérielle et logicielle : mise sous tension, vérification du firmware, configuration de base.
Pre-Operational	État transitoire permettant la configuration via SDO. Les PDO ne sont pas actifs, évitant tout échange de données critiques pendant le paramétrage.
Operational	État nominal activant la transmission PDO en temps réel. Les échanges de données process sont disponibles et le nœud participe pleinement au fonctionnement du système.
Stopped	État de maintenance ou de mise hors service. Les échanges de données process sont interrompus et seul le protocole Heartbeat (ou Node Guarding) reste actif.

Voici les principales transitions rencontrées dans le cycle de vie d’un nœud :

• Boot-up : passage de l’état Initialisation à Pre-Operational, signalé par un message “Boot-up” sur le réseau.
• Commande d’exploitation : envoi d’une commande spécifique par le maître (ou gestionnaire du réseau) pour passer en Operational.
• Interruption de service : basculement en Stopped si une opération de maintenance ou un incident critique est détecté.
• Redémarrage : retour éventuel en Initialisation, suivi d’un nouveau cycle complet (ex. remise sous tension ou reset du périphérique).

Diagnostic et Maintenance CANopen

La fiabilité d’un réseau CANopen nécessite des outils de diagnostic précis et une méthodologie de maintenance structurée.

Outils de diagnostic

Les équipements spécialisés CANopen permettent une analyse approfondie du réseau. Caractéristiques techniques des principaux outils :

Ces instruments effectuent des mesures précises des paramètres réseau, notamment la résistance terminale et la charge bus.

Dépannage courant

Procédure technique de diagnostic initial :

1. Mesure de résistance CAN_H/CAN_L : plage acceptable 50Ω – 70Ω
2. Vérification des niveaux de tension :
   • CAN_H : 2.5V – 3.0V référencé à la masse
   • CAN_L : 2.0V – 2.5V référencé à la masse

Une tension hors spécification (<2.0V ou >3.0V) indique généralement une défaillance d’émetteur-récepteur.

Maintenance préventive

Le système CANopen intègre des fonctionnalités avancées de maintenance prédictive :

• Monitoring continu des paramètres système
• Détection anticipée des dysfonctionnements
• Analyse comportementale prédictive

La configuration des messages EMCY, stockés dans l’objet 1003h, permet une détection immédiate des anomalies via des codes d’erreur normalisés.

Protocole de maintenance préventive :

1. Surveillance permanente de la charge réseau
2. Archivage systématique des événements
3. Évaluation des temps de réponse nodaux
4. Contrôle périodique des alimentations

Cette méthodologie optimise la disponibilité système et minimise les interruptions de production. L’analyse des données collectées permet une planification précise des interventions techniques.

Optimisation des Performances

L’optimisation d’un réseau CANopen exige une méthodologie technique rigoureuse. Les paramètres suivants déterminent l’efficacité opérationnelle du système.

Bonnes pratiques

Les techniques d’optimisation éprouvées comprennent :

• L’implémentation du filtrage matériel et des tampons hardware pour l’élimination des files d’attente logicielles
• La configuration PDO en mode SYNC pour les applications temps-critique
• L’optimisation de l’exécution ProcessStack() par sélection des tâches critiques

Le mode PDO sélectionné influence significativement les performances système. Le mode cyclique avec détection d’état (COS) s’avère optimal pour les applications à contraintes temporelles modérées.

Amélioration du temps de réponse

Optimisations techniques pour la réduction des temps de réponse :

L’optimisation du mode SYNC permet d’atteindre des temps de réponse inférieurs à 1 milliseconde. La modification de la routine d’interruption CAN optimise le traitement des fonctions SYNC.

Gestion de la charge réseau

La charge bus, exprimée en pourcentage du temps de transmission, nécessite une optimisation structurée :

1. Agrégation des messages pour réduction overhead
2. Paramétrage précis des temps d’inhibition
3. Sélection du mode transmission selon contraintes applicatives

L’implémentation du mécanisme d’agrégation réduit la charge réseau d’environ 10%. Le temps d’inhibition optimal pour les variables rapides (driveStat, motionStat) est fixé à 20ms.

Paramètres critiques à surveiller :

• Fréquence actualisation données
• Latence nodale
• Utilisation bande passante

Pour les applications haute performance, le temps d’événement PDO optimal est de 15ms. L’ajustement du temps d’inhibition permet d’éviter la saturation tout en maintenant la réactivité système.

L’optimisation des performances requiert un équilibre précis entre vitesse de transmission et fiabilité opérationnelle. La configuration doit s’adapter aux spécifications applicatives tout en assurant une surveillance continue des paramètres réseau.

Check-list de vérification pour un réseau CANopen

Une approche méthodique pour vérifier chaque composant d’un réseau CANopen permet de réduire significativement les risques de défaillances. Le tableau suivant recense les points clés de contrôle avant la mise en service :

Critère	Action	Objectif
Terminaisons (résistances)	– Contrôler la présence de 120 Ω à chaque extrémité du bus – Vérifier l’absence de toute autre résistance en parallèle	Obtenir un bus stable, sans réflexions ni perturbations
Node IDs uniques	– Vérifier la valeur de chaque identifiant nœud (1 à 127) – Valider l’absence de doublon	Éviter les conflits d’adressage et collisions
Câblage et connectique	– Inspecter l’intégrité du câble et du blindage – Contrôler les connecteurs (Sub-D9, M12) et la continuité	Assurer la fiabilité physique des liaisons
Alimentation et masse	– Vérifier les tensions d’alimentation – S’assurer de la mise à la terre correcte et de l’absence de boucle de masse	Minimiser les interférences et dysfonctionnements
Longueur et débits	– Mesurer la longueur totale du bus – Comparer la vitesse de transmission au tableau des distances maximales	Maintenir la qualité du signal et la stabilité des échanges
Paramétrage SDO/PDO	– Contrôler la configuration du dictionnaire d’objets – Vérifier l’activation et l’adressage des PDO	Garantir l’adéquation des échanges process et la cohérence du réseau
Heartbeat / Node Guarding	– Régler la période du Heartbeat (1017h) – S’assurer de la bonne réception des signaux de vie	Détecter rapidement les nœuds défaillants ou inactifs
Diagnostic initial	– Mesurer la résistance CAN_H/CAN_L (≈50 Ω à 70 Ω) – Vérifier les tensions sur CAN_H et CAN_L	Identifier toute anomalie matérielle ou court-circuit
Messages d’urgence (EMCY)	– Paramétrer l’objet 1003h pour la gestion des erreurs – Tester l’envoi/réception d’un message d’urgence	Repérer rapidement les défaillances critiques

 

Conclusion

En validant chaque critère, tu t’assures d’une configuration solide et d’un fonctionnement fiable, depuis les fondements électriques jusqu’au paramétrage logique du protocole.

• Configuration du dictionnaire d’objets selon spécifications
• Paramétrage SDO/PDO adapté aux contraintes applicatives
• Déploiement des protocoles de maintenance prédictive
• Optimisation des paramètres de performance réseau

Les techniques d’optimisation présentées, notamment le filtrage hardware et la synchronisation SYNC, permettent d’atteindre des performances temporelles inférieures à la milliseconde. Le monitoring continu de la charge bus et l’ajustement dynamique des temps d’inhibition assurent la stabilité opérationnelle du système.

L’efficacité d’une implémentation CANopen repose sur l’équilibre précis entre performances temporelles et fiabilité système. Les paramètres de configuration doivent s’adapter aux spécifications techniques de l’installation tout en maintenant une surveillance constante des indicateurs critiques.