CAN、CANopenの基礎と制御技術および応用・事例

CANとCANopenの基礎概念

CAN（Controller Area Network）とは何か

CANは、1980年代にロバート・ボッシュ社によって開発された通信プロトコルです。
このプロトコルは、車両内のECU（Electronic Control Unit）が相互に通信を行うために設計されました。
当時の車両は各機能ごとに独立した配線が必要で、複数の機能の信号を異なるエレクトロニクスが処理し、車両の配線が非常に複雑になっていました。

CANプロトコルはこの問題に対処するために開発されました。
これにより、単一のツイストペアケーブルを介して複数のECUがリアルタイムで相互通信が可能となり、配線の削減と信頼性の向上を実現しました。
CANは、データの優先順位に基づくメッセージの送受信を特長としており、またリアルタイム性の高い通信が可能です。

CANopenとは何か

CANopenは、CANプロトコルの上に構築された通信プロトコルで、主に産業オートメーションや医療機器で利用されています。
CANopenの仕様には、デバイス内の通信、デバイス間通信の標準化、データの表現方法の標準化が含まれています。
これにより、異なるメーカーのデバイスが同一のシステムでスムーズに動作することが可能になります。

CANopenはまた、ノードがどのように自己起動するか、異常が発生した場合のエラーハンドリング、標準化されたデバイスプロファイルの提供など、システム統合を容易にするための機能を提供しています。

制御技術におけるCANとCANopen

リアルタイム性と信頼性の追求

CANはその高いリアルタイム性と信頼性ゆえに、制御技術の分野で広く使用されています。
CANのメッセージを受信したノードは、メッセージ内に優先順位を判別するビットフィールドを持ち、リアルタイム性が必要な重要なメッセージを優先的に処理することができます。
この仕組みは交通信号制御や産業オートメーションの分野において重要な役割を果たしています。

CANopenはさらに、この基本的な通信に構造化されたオブジェクト辞書を追加することにより、より複雑な通信と制御を可能にしています。
デバイス間の通信をより円滑にし、システム全体の信頼性を向上させることができます。

産業オートメーションにおける利点

産業オートメーション分野では、CANopenが標準として広く採用されています。
この理由には、以下の点が挙げられます。

– モジュール性：CANopenは統合の柔軟性を高めるためモジュール性を提供しています。
異なるベンダー製の機器でも、CANopenを通じて容易に統合できます。

– 標準化されたプロファイル：特定の機能に応じたデバイスプロファイルが存在することで、設計と実装の時間を短縮し、互換性を保証しています。

– スケーラビリティ：様々なサイズと複雑さのネットワークに対応可能であり、異なる応用に柔軟に適応できます。

CANとCANopenの応用事例

車載システムにおけるCANの利用

CANは、車載システムで最も一般的なプロトコルです。
具体的には、エンジン制御、トランスミッション制御、ブレーキ制御、エアコンシステムなど、多岐にわたる用途で利用されています。
これにより、車両内の各種システム間でのリアルタイムな相互通信が可能となり、燃費の向上や運転の快適性、安全性が向上しています。

さらに、CANバスのデータを利用した車載診断ツールも発展し、車両の故障静診断やメンテナンスに役立っています。

製造業におけるCANopenの導入

製造業では、CANopenは特に産業機器のネットワークに多く採用されています。
ロボットアームの制御、自動輸送システム、CNC機械、包装機械など多数の応用例があります。
高精度で同期された動作を要求される現場では、CANopenのリアルタイム通信能力が非常に重要です。

たとえば、工場オートメーションの中でロボティクスを含む各種装置が効率的に連携するために、CANopenは最適な通信インフラを提供しています。
このようにして、製品の品質向上と生産性の向上を同時に実現しています。

課題と未来展望

クラウド化、IoTとの統合

現在、製造業や自動車産業ではIoTやクラウド技術との統合が進められています。
CANとCANopenは、こういった新しい技術との統合においても十分に対応可能です。
特に、CANデータをクラウドに送信することで、リアルタイムな状態監視や予知メンテナンスを実現することができます。

セキュリティの強化

一方で、ネットワーク接続の増加に伴い、セキュリティの強化が不可欠です。
特に車両や重要な産業システムにおいては、外部からのアクセスによるリスクが懸念されています。
CANおよびCANopenネットワークのセキュリティ対策を引き続き強化しつつ、新しい技術を取り入れた持続可能なシステムの構築が求められています。

CANとCANopenは通信技術としての役割は今後もますます重要になっていくでしょう。
製造業や自動車産業を安全かつ効率的に運営するために、これらの技術の深い理解と適切な応用が鍵となります。