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DeviceNet 高性能的设备级网络 1 DeviceNet概述 2 WhatisDeviceNet DeviceNet是美国Rockwell公司于1994年提出的一种总线结构的设备级网络 它为简单工业设备 传感器 阀门 开关 电机等 和高端设备 控制器 提供了确定的 可靠的网络连接和通信 目前 DeviceNet技术属 开放DeviceNet厂商协会 ODVA组织 OpenDeviceNetVendorAssociaiton 所有和推广 基于标准的控制器局域网CAN技术 DeviceNet是一种开放式的现场总线 采用了先进的通信概念 具有低成本 高效率 高性能与高可靠性的优点 DeviceNet的优点 互操作性 来自不同厂商的同类设备只要满足DeviceNet认证 就具有互换性和互操作性 通用网络 开放的网络提供了通用的 面向用户的解决方案 降低了用户对于多种设备网络支持的需要 基于一个可靠的标准 基于CAN总线技术 有助于设备网得到更好的应用 确定性和重复性 基于Producer Consumer模式 可提供确定性和可重复性的数据传输 更低的维护成本 可以在不中断其他设备工作的情况下拿掉或者替换某个设备 诊断功能 DeviceNet为用户提供了完整的设备级诊断功能 这在传统的I O上是很难实现的 性价比更高的连线方式 一根电缆能同时提供数据通讯和24VDC现场设备供电 DeviceNet应用 DeviceNet设备 介质和连接器 AC DC驱动器 接近传感器 气动阀 控制器 运动控制 马达控制 I O件 显示设备 条形码设备 网关 协议转换器 其它 DeviceNet网络协议 7 DeviceNet网络模型 DeviceNet在网络模型上将ISO OSI七层网络参考模型简化为三层 应用层 数据链路层和物理层 其中DeviceNet定义了应用层规范和物理层的连接单元接口规范和介质连接和介质规范 而在数据链路层的介质访问控制层和物理层的信令服务规范则直接采用了CAN总线技术 DeviceNet物理层 线性的网络结构 最多可支持64个节点 使用二对双绞线的屏蔽电缆 分别连接信号和电源 可使用干线电缆 支线电缆 可使用密封连接器或开放式连接器 不必切断电源就可以拆 装网络节点 错接线保护 设备内建反接线保护 125kb s 250kb s 500kb s三种可选波特率对应500 100m允许干线长度 电缆包含分离的电源线 同时支持网络供电及自供电设备 高电源容量 每个电源最大可供应16A 同时支持绝缘和非绝缘设备 DeviceNet线缆特性 5根连接导线 一对24VDC电源线 一对CAN通信线及一屏蔽线 粗缆及扁平电缆对于24VDC最大容许电流为8A 但按NEC2级要求粗缆不能超过4A 仅北美地区 细缆对于24VDC的最大容许电流为3A Topology 终端电阻 终端电阻参数 120 121Ohms 1 4Watt或更大 在干线的每个终端的白线及蓝线之间必须安装终端电阻 终端电阻可以是封闭式和开放式的 不要使用碳电阻 推荐使用金属片电阻 DeviceNet物理介质 干线 和 支线 干线是整个网络的主线 支线是干线的分支 用于将设备连接至干线 支线长度最大为20英尺 有四种类型的线缆 粗缆 扁平电缆 细缆及1类分支电缆 粗缆 扁平电缆及1类分支电缆额定电流为8A 在北美 粗缆仅为4A 细缆额定电流为3A 粗缆 扁平电缆及细缆用于干线 1类分支电缆仅用于支线 线缆参数 粗缆 线缆参数 细缆 线缆参数 扁平电缆 连接器 MiniQuickDisconnect18mm MicroQuickDisconnect12mm TerminalStrip StyleConnector Cable 典型封闭式接头 封闭式T型接头 多口封闭式接头 DevicePortMultiportTapmicroquickdisconnectsvariousconfigurations DeviceBoxMultiportTapcordgrip2 4 8grips 开放式接头 Trunk Dropline ZerolengthdropusingPlug10Rconnectorwithprobecablesupport1787 PCABL SealedControlEnclosure OpenStyleDevice OpenStyleDevice OpenStyleDevice OpenStyleDevice 典型系统连接 V V SHLD CAN H CAN L TerminalStrip EarthGround NormalControlEnclosure TrunkLine ScannerPhoenixConnector KFD PCDPhoenixConnector 设备更换 将设备接入系统 设置设备节点地址 数据传输率 或自动设置波特率 组态设备参数 从属设备 SlaveDevices 必须通过电子 Key 生产厂商 设备型号 器件号新的方式 自动设备替换 AutoDeviceReplace ADR 自动设备更换ADR 需要使用RSNetWorxforDeviceNet软件来配置ADR特性 ADR包括两个部分 节点恢复及组态恢复 节点恢复是将更换设备的节点数自动改变成被更换设备的节点数 这一性质要求更换设备的节点数可以通过DeviceNet网络可写 并且其初始节点数为63 组态恢复是使更换设备的组态信息和被更换设备相同 这需要更换设备的组态可以在DeviceNet网络上可写 组态恢复文件将被RSNetWorx保存到连接被更换设备的主扫描器 scanner 中 更换设备的电子密钥必须和被更换设备想匹配 包括firmware版本 55 63 ReplacementDevice OriginalDevice 1747 SDNV4 015orhigher 1756 DNBV3 001orhigher DeviceNet数据帧格式 15位CRC序列是对本帧数据进行计算得到的循环校验码 在接收时通过校验码的校核 可以判定所收到的数据是否正确 ACK位是规约要求的应答位 发送节点在这一位传送一个隐性位 1 电平 要求接收这个帧的节点 在收到这个帧并且在前面的循环校验通过时 在ACK位置发送一个显性位 0 电平 来应答 DeviceNetMAC协议 DeviceNet使用CAN的数据链路层的MAC协议 网络上各节点要通信时 哪个节点有优先权在网上发送数据 几个节点同时在网上发送数据 发生 碰撞 时 谁有权继续发送 各种网络的MAC协议就是负责整个 仲裁 的 以太网采用 碰撞检测载波侦听多路访问 CarrierSensemultipleAccesswithCollisionDetection CSMA CD 仲裁机制 DeviceNet CAN采用 优先级仲裁 机制 非破坏性逐位仲裁载波侦听多路访问 CarrierSenseMultipleAccessWithNondestructiveBit wiseArbitration CSMA NBA Profibus和ControlNet都是令牌传递的总线型控制网络 DeviceNet仲裁机制 DeviceNet每个数据帧前面都有一个11位标识符 用于表明这个数据帧的身份 11位标识符也用于表明这个数据帧的优先级 DeviceNet网络上所有节点都在监听总线 当总线上已有节点在发送时 任何节点必须等待这一帧结束 经过约定的帧间隔 任何节点都可以申请下一帧的发送 但经过11位标识符的仲裁 只有一个节点能赢得仲裁 取得这一帧的发送权 当网络上有其他节点在发送时是不允许打断的 必须等它发送结束才能开始发送信号 但如果有多个节点在等待发送 就会出现多个节点同时开始发送 DeviceNet通过无损的逐位仲裁算法来解决这个问题 DeviceNet仲裁机制 显性位表示逻辑值 0 隐性位表示逻辑值 1 当同时向总线发送显性位和隐性位时 总线上出现的是显性位 0 即显性位优先于隐性位 在仲裁区发送期间 每个节点都监视总线上当前的电平 并与它发送的位电平进行比较 如果值相等 可以发送下一位 如果发送一个隐性位 1 而在总线上检测到一个显性位 0 那么此节点失去仲裁权 立即停止下一位的发送 11位仲裁区值最小的将赢得仲裁权 失去仲裁权的节点可以在当前帧结束后 再次尝试发送 赢得仲裁权的节点继续这一帧的发送 标识符值低的具有较高的优先权 所以通过标识符的分配可以使重要的数据得到优先发送 DeviceNet仲裁机制 0 0 0 1 00000001 xxxx 11 EOF 10110110100 0 Node1Transmits Asseenonthewire 0 0 0 1 00000001 xxxx 01 EOF 10110110100 0 Node2Transmits 0 10110111 Node2losingarbitrationandstopstransmitting Node2stillACKsmessage 01 ArbitrationField Ackfield CAN的出错管理 DeviceNet使用的CAN本身具有下列出错管理功能 1 位错误 发送器将自己的发送电平与总线上的电平相比较 发现两者不一致时判定为位错误 非仲裁区 2 应答错误 发送器在应答间隙没有检测到显性位 应答信号 3 填充错误 当节点检测到6个相同的状态的连续位时 CAN规约采用位填充法发送报文 发送时如果有5个连续相同状态的位 必须填充1个相反状态的位 则检测到填充错误 4 格式错误 如果在必须发送预定值的区内检测到非预定值时 则检测到格式错误 5 CRC错误 当接收节点计算的CRC 循环冗余校验码 与发送器传送的CRC值不一致时 CAN定义了三种出错状态 出错主动 出错被动 总线脱离 并根据表示节点内部运行情况的错误计数器决定节点对错误的反应 尽量减少出错的影响 标识符和信息组 DeviceNet根据实际的应用 使用CAN规约中的11位仲裁区定义它的标识符 这11位标识符对每个报文是唯一的 标识符分为三部分 连接组别使用1 2Bits MACID 表示节点地址 6bits 信息ID 使用3 6bits表示在一个信息组内所用的信息通道 通过11位标识ID将网络上传递的信息报文分成四组 信息组1 信息组2 信息组3和信息组4 根据无损位仲裁算法 信息组1的优先级比信息组2的高 信息组2比信息组3高 信息组3比信息组4高 DeviceNet连接 DeviceNet是基于连接的网络 网络上任何二个节点在开始通讯之前 必须建立连接 DeviceNet使用通信对象模型来描述说明通信过程中各个环节之间的关系 用连接对象表示两个物理节点之间的一个通信关系 在DeviceNet中通过一系列参数和属性对连接对象进行描述 如这个连接使用的标识符 连接标识符CID 即DeviceNet数据帧中的11位标识符 这个连接传送的信息的类型 显式信息或I O信息 数据长度 路径信息的生产方式 信息包传送频率和连接的状态等 DeviceNetInterface DeviceNet协议支持主 从 多主站及对等通讯多种模式 现有的网络主站有 1771平台的1771 SDN扫描器模块 SLC 500平台的1747 SDN模块 ControlLogix平台的1756 DNB模块 PC平台的1784 PCIDS模块及1788 CN2DN网桥 网络主站将控制平台的数据输出到每个从属设备 并将每个从属设备的数据输入到平台 PLC或PC中的用户程序使用平台中的数据在DeviceNet上对设备进行实际的控制操作 主扫描器数据流概述 FromDeviceNet A B C D E DiscreteI OXfer Y Z X OutputImage LadderProcessor InternalInput DataStorage InternalOutput DataStorage Master InputData Device A B C D E Y X Z C D E E C D DataTable X InputImage B A DataTable A 4 X 5 DiscreteI OXfer 轮询和选通方式 DeviceNet协议支持轮询和选通方式的操作和响应 选通操作 响应 选通操作 同时向网络上所有从站广播发送一个8字节的I O消息 每个可能的节点数占用输出数据的1位 8字节消息可看作一个64位的位掩码 设备的节点数作为索引与掩码相比较 以得到设备数据的1位 选通响应 若选通的从设备是输入设备 则这些从设备将发送其输入数据作为响应 轮询和选通方式 轮询操作 响应 轮询操作 直接向单个特定的从站 点对点 发送一个I O消息 主站必须向每个需要轮询的从站进行单独的轮询操作 轮询响应 若轮询到的从设备是输入设备 则将发送其输入数据作为响应 状态改变方式 设备在有事件发生导致状态改变时输入或输出数据 优于主站通过轮询表进行查找对于不连续的应用 状态改变方式更为有效 网络通信量大幅度减少 性能大幅度提高可以用于主 从 对等或多主站环境 PLC I O1 I O2 I O3 2 1 3 周期数据生成方式 设备基于一个用户设定的时间间隔进行数据的输入输出 周期数据生成模式对于变化缓慢的I O数据 模拟量 应用更为有效 减少了网络通信量 网络性能是可重复的可以用在主 从 对等通信及多主站环境中 DeviceNet数据通讯方式概述 StrobeMessage 选通方式下 利用8字节的报文广播 64个二进制位的值对应着网络上64个可能的节点 通过位的标识 指定要求响应的从设备 PollMessage 查询方式下 I O报文直接依次发送到各个从设备 点对点 Change of StateMessage 使用事件触发方式 当设备状态发生改变时才发生通讯 而不是由主设备不断的查询来完成 CyclicMessage 适用于一些模拟设备 可以根据设备的信号发生的速度 灵活设定循环进行数据通讯的时间间隔 这样就可以大大降低对网络的带宽要求 DeviceNet报文 DeviceNet中定义了两类不同的报文 显式报文和I O报文 1 显式报文用于两个设备之间多用途的信息交换 一般用于上载和下载程序 节点的配置 故障情况报告和故障诊断 2 I O信息是工业控制系统最主要的信息 它反映系统实时状态的信息 显式报文 DeviceNet中定义了一组公共服务显式报文 如读取属性 设置属性 打开连接 关闭连接 出错响应 起动 停止 复位等 这类信息因为是多用途的 所以在报文中要标明报文的类型 对应不同类型 报文格式也不同 它是根据报文和预先规定的格式说明其含义的 显式报文是询问 回答式的 显式报文中尚有一类未连接显式报文 专用于连接的建立和撤消 在报文组3 专门留了二个通道 组3信息ID 5未连接显式响应报文组3信息ID 6未连接显式请求报文 I O信息 I O信息的含义是预先约定的 内容比较单纯 由于控制系统实时性要求 I O信息必须快速重复地传送 刷新 因此数据量大 要求格式精简 为了更有效地传送I O信息 DeviceNet定义了多种传送规则 可以根据应用对象信息的特点选用适当的方式 位选通 轮询 状态变化及循环传送 I O信息可以选择应答或无应答传送 一般选择无应答方式以节省时间 可以是点对点或多点传送 分段协议 DeviceNet每帧最大能传送8个字节数据 如果需要传送的数据超过8个字节 可以使用分段传送协议 分成多个帧传送 在使用分段协议时 每个帧有一个字节用于分段协议 表示这个帧是第一分段 0 中间分段 1 最后分段 2 分段应答 3 以及用六个Bit表示分段计数值 指示这是第几个分段 通过分段中协议可以保证数据的分段和正确重组 显式报文的分段格式 DeviceNet设备 44 DeviceNet设备 1770 KFDRS 232PCI F 1305 1336Drives SMP 3SmartMotorProtector SMCDialogPlus Series9000Photoelectric 800TRediSTATION 800EPushbuttonStation PLC 5 xx 1771 SDNScanner 1203DeviceNetInterface 1747 SDNScanner SLC 5 02 5 03 5 04 DeviceLinkI Ow standardsensor 1794 ADNforFlexI O 1791CompactBlockI O 100 DSAAuxiliaryStarter RSNetWorxforDeviceNet 1784 PCDor1784 PCIDSI F ControlLogix 1756 DNBScanner 802TLimitSwitch DeviceNet设备 PanelViews FlexPak3000 GV3000Drives 825SmartMotorManager 1792ArmorBlockMaXumI O DeviceView IMCS Classor1394GMC 150SmartMotorController 160SmartSpeedController 1799EmbeddedI O DodgeEZlinksensorizedbearing 1761 NET DNI 871TMProx1