第5章--DeviceNet现场总线

DeviceNet现场总线DeviceNet是一种基于CAN的通信技术，主要用于构建底层控制网络，在车间及的现场设备(传感器、执行器等)和控制设备(PLC、工控机)间建立连接，避免昂贵和繁琐的硬接线。DeviceNet总线是全球使用最广泛的现场总线之一，在工厂自动化领域有明显优势，能连接到变频器、机器人、PLC等各类工控产品。它最初是由罗克韦尔自动化提出的，现在已广泛应用于美国，并在欧洲、日本和中国市场有明显增长。DeviceNet现场总线1DeviceNet技术基础DeviceNet应用于工业网络的底层，是最接近现场的总线类型。它是一种数字化、多点连接的网络，在控制器和I/O设备之间实现通讯。每一个设备和控制器都是网络上的一个节点。DeviceNet是一种生产者/消费者模式的网络，支持分级通讯和报文优先级，可配置成工作在主从模式或基于对等通讯的分布式控制结构。DeviceNet系统支持使用I/O和显式报文实现配置和控制的单点连接，还具有独特的性能－支持网络供电。这就允许哪些功耗不高的设备可以直接从网络上获取电源，从而减少了接线点和尺寸。在Rockwell提出的三层网络结构中，DeviceNet处于最底层，即设备层。工业控制网络底层节点相对简单，传输数据量小，但节点数量大，要求节点费用低。DeviceNet的作用：低端网络设备的低成本解决方案；低端设备的智能化；主—从以及对等通信的能力。DeviceNet主要用途：1.传送与低端设备关联的面向控制的信息；2.传送与被控系统间接关联的其他信息（如配置参数）。物理介质特性1.主干线—分支线结构；2.最多支持64个节点；3.无需中断网络即可解除节点；4.同时支持网络供电（传感器）及自供电（执行器）设备；5.使用密封式或开放式连接器；6.接线错误保护；7.数据波特率可选125、250、500kbps；8.标准电源插头，电源最大容量可达16A；9.内置式过载保护。通信特性：1.物理信号及MAC使用CAN；2.基于连接概念的协议，要与设备交换信息须先与它连接；3.典型的请求/响应方式，适用于两个设备间多用途的点对点报文传递；4.I/O数据的高效传输；5.为长度大于8字节的报文提供分段服务；6.重复节点地址（MACID）的检测。DeviceNet的主要技术特点网络大小最多64个节点，每个节点可支持无限多的I/O网络长度端—端网络距离随网络传输速度而变化波特率距离125kb/s500m250kb/s250m500kb/s100m网络模型生产者/消费者模型数据包0～8字节总线拓扑结构线性（干线/支线），总线供电总线寻址点对点（或一对多）；多主站和主从；轮询或状态改变（基于事件）系统特性支持设备的热插拔，无需网络断电DeviceNet的通信模式在现场总线领域常用的通信模式有两种：(a)源/目的模式(b)生产者/消费者模式源/目（点对点）通信模式的缺点：1.多个节点间同步动作困难；2.浪费带宽，源节点必须多次发送给不同节点。生产者/消费者模式的特点：1.一个生产者，多个消费者；2.数据更新在多个节点同时发生；3.提供多级优先，适用于实时I/O数据交换。源节点地址目的节点地址数据校验标识符数据校验2DeviceNet通信参考模型DeviceNet的通信参考模型分为3层：物理层、数据链路层和应用层。DeviceNet技术规范定义了应用层、介质访问单元和传输介质。而数据链路层的逻辑链路控制、媒体访问层和物理成规范则直接应用了CAN技术规范，并在CAN技术的基础上，沿用了规范所规定的物理层和数据链路层的一部分。DeviceNet的应用层则定义了传输数据的语法和语义简言之，CAN定义了数据传送方式，而DeviceNet的应用层补充了传送数据的意义。CAN与DeviceNet之间的关系还体现在：CAN中定义了数据帧、远程帧、出错帧和超载帧；DeviceNet使用标准数据帧而不使用远程帧，出错帧和超载帧由CAN控制芯片控制，DeviceNet规范中捕捉定义。由于采用生产者/消费者通信模式，DeviceNet总线上所有报文均带有连接标志符，节点可充分利用CAN控制器的报文过滤功能以节省CPU资源。基于上述原因，DeviceNet智能节点开发方案都是基于CAN技术进行设计。在CAN节点开发的技术上，进行物理层改造、波特率和中段速率设定及应用程设计。3物理层3.1传输介质DeviceNet的物理层规范规定了DeviceNet的总线拓扑结构和网络元件。包括：系统接地、粗缆和细缆混合结构的网络连接、电源分配等。设备网所采用的典型拓扑结构是总线拓扑。采用总线分支连接方式。粗缆多用作主于总线，细缆多用于分支连线。DeviceNet提供3种可供选择的通信速率：125Kbps，250Kbps，500Kbps。在每种通信速率下主干与分支电缆的允许长度见下表。3.2介质访问单元DeviceNet节点连接器CAN/p光电隔离器(可选)收发器MWP调压屏蔽信号线电源线3.3物理层信号DeviceNet的物理层信号规范完全相同。CAN规范定义了两种互补的逻辑电平：显性(Dominant)和隐性(Recessive)，且同时传送显性和隐性位时，总线结果值为显性。4数据链路层DeviceNet的数据链路层基本遵循CAN规范，并通过CAN控制器芯片来实现。5应用层DeviceNet应用层采用通用工业协议(CIP)，详细定义了连接、报文、对象模型和设备描述等方面的内容。5.1连接和报文组DeviceNet是面向连接服务的网络，任意两个节点在开始通信之前必须事先建立连接以提供通信路径，这种连接是逻辑上的关系，在物理上并不实际存在。在DeviceNet中，每个连接由11位的连接标识符(CID,ConnectionID)来标识，该11位的连接标识符包括媒体访问控制标志符(MACID)、报文标识符(MessageID)和报文标识组。源MACID(SourceMACID)是发送节点的地址，组1和组3报文允许在CAN标识区内指定源MACID。目的MACID(DestinationMACID)是接收节点的地址。组2报文允许在CAN标识区内的MACID部分指定源或目的的MACID。报文ID(SourceMACID)用于标识节点的某个报文组中不同报文。每个节点可以使用不同报文ID在一个报文组中建立多重连接。各个报文组的报文ID位数不同，组1为4位(16个信道)，组2位3位(8个信道)，组4为6位(64个信道)。CAN标识符区十六进制范围标识符组1098765432100组1报文ID源MACID000~3FF报文组110MACID组2报文ID400~5FF报文组211组4报文ID源MACID600~7BF报文组311111组4报文ID7C0~5EF报文组41111111--------7F0~7FF无效标识符5.2对象模型对象模型是DeviceNet在CAN技术上添加的特色技术。DeviceNet的对象模型提供了组成和实现其产品功能的属性、服务和行为，可以通过C++中的类直接实现。对象的具体类型如下：(1)标识对象：DeviceNet一般都有一个标识对象。它包含供应商的ID、设备类型、产品代码、版本、状态、序列号、产品名称、相关说明等的属性。标识对象的对象标识符为0X01。(2)报文路由对象：报文路出对象用于向其他对象传送显式报文。一般在DeviceNet网络中它不具有外部可视性。其对象标识符为0X02。(3)设备网对象：DeviceNet的产品一般都有一个设备网对象。它包含下列属性：节点地址或MACID、波特率、总线关闭、总线关闭计数器、单元选择和主机的MACID。设备网对象的对象标识符为0X03。(4)组合对象：DeviceNet产品一般具有一个或多个可选的组合对象。这些对象的主要任务就是将来自不同应用对象的多个属性数据组合成一个能够随单个报文传送的属性。组合对象的对象标识符为0X04。(5)连接对象：DeviceNet产品一般至少包括两个连接对象。每个连接对象代表DeviceNet网络上节点间虚拟连接的一个端点。它所具有的两种连接类型分别称为显式报文连接和I/O报文连接。I/O报文连接只包含数据，所有有关如何处理数据的信息都包含在与该I/O报文相关的连接对象中。连接对象的对象标识符为0X05。(6)参数对象：可设置参数的设备都要用到参数对象。参数对象带有设备的配置参数，提供访问参数的接口。参数对象的属性可以包括数值、量程、文本和相关信息。其对象标识符为0X0F。(7)应用对象：应用对象泛指描述特定行为和功能的一组对象，例如开关量输入输出对象、模拟量输入输出对象等。设备网上的节点若需实现某种特定功能，至少需要建立一个应用对象。DeviceNet对象库中有大量的标准应用对象。DeviceNet对象模型5.3设备通信流程DeviceNet总线上设备(客户机或服务器)在上电初始化后，首先需要进行重复MACID检测，如果重复MACID检测通过，则设备当前状态为在线；如果重复MACID检测未通过，则转至离线状态。进入离线状态后，设备使用未连接显示报文管理与服务器建立显式连接，进行显式报文通信。设备可通过显式连接建立I/O连接，也可通过与定义主/从连接建立I/O连接，通过显式报文配置激活，通过I/O数据交换。1、重复MACIDDeviceNet上的每个物理设备必须分配一个MACID。该过程一般采用手动软硬件配置实现，在同一总线上将两个不同设备配置为相同MACID的情况难以避免。如果同一总线上存在两个MACID相同的节点，必然会有一个节点无法上线，因此要求所有设备上电初始化后必须立即用自身的MACID进行重复MACID检测。2、显式连接显式连接可通过未连接信息管理器(UCMM)建立，是典型的点对点的请求-响应通信方式，只存在于两个设备之间的一般的、多用途的通信途径。显式连接主要用于发送设备间多用途的报文，例如组态数据、控制命令等。连接是一对一的连接，报文接收入必须对接到的报文做出成功或错误的响应。显式报文由一个CID和附带的协议信息组成。上图为显式连接的一个请求响应的应答过程示意图。3、I/O连接I/O连接主要用于传输工业现场设备中实时性要求较高的输入输出数据报文。通过这种这接方式可以进行一对一或一对多的数据传送。它不要求数据接收方对所接到的报文做出应答。下图为节点A与节点B之问实现I/O连接的示意图，这是一个单向连接过程。4、分段/重组协议对于数据长度大于8字节的报文必须采用分段和重组的方法。分段/重组功能由DeviceNet连接对象提供。在设计一个DeviceNet智能节点时，可选择是否支持分段传送及接收，也需要用户考虑。5.4UCMM和预定义主/从连接DeviceNet节点在开机后能够立即寻址的唯一端口是“非连接信息管理器端口”（UCMM端口）和预定义主/从连接组的“Group2非连接显式请求端口”。当通过UCMM端口或者Group2非连接显式请求端口建立一个显式报文连接后，这个连接可用于从一个节点向其它节点传送信息，或建立I/O信息连接。一旦建立了I/O信息连接，就可以在网络设备之间传送I/O数据。通过UCMM端口可以动态的建立显式信息连接。一个支持预定义主/从连接组，并且具有UCMM功能的设备称为Group2服务器。一个Group2服务器可被一个或多个客户机通过一个或多个连接进行寻址。DeviceNet应用层协议功能很强，设备间的连接允许动态配置。但考虑到有些设备根本不需要也没有资源去使用这一强大功能，DeviceNet指定了一套称为预定义主/从连接组的CID，用来简化主/从结构中I/O数据的传送。许多设备要实现的功能在设计时就已经预先决定了（如感受压力、起动电动机等等），因此这些设备将要生产或消费的数据的类型和数量在通电前就已经知道了。这些设备通常提供输入数据或请求输出数据和配置数据。预定义主/从连接组可以满足设备的这些要求。预定义主/