一種基于CAN總線技術的符合全球工業標準的開放型通信網絡。它最早由Allen-Bradley公司支持Devicent公司設計，并已于2000年6月15日正式成為IEC62026國際標準(有關低壓開關設備與控制設備、控制器與電氣設備接口)之一。在2002年12月1日發行的國家標準化管理委員會通報中，公布了DeviceNet現場總線已于2002年10月8日被批準為國家標準，并于2003年4月1日正式開始實施。DeviceNet成為國家標準，為國內開發、生產、銷售、應用DeviceNet現場總線技術的研制單位、生產企業、貿易和用戶提供了技術橋梁。: Y( j1 c& o, r, y0 R+ z1 ]2 F
Devicenet現場總線由于產生和發展的時間較晚，因此它采用了更為先進的通信概念和技術，相對于其他現場總線，具有較大的領先性，突出的高可靠性、實時性和靈活性。DeviceNet是一個開放式的協議，目前有包括Rockwell等300多家自動化設備廠商的產品支持這種協議，DeviceNet在歐美和日本的現場總線市場占有很大的份額，在控制領域得到了廣泛的應用。DeviceNet進入中國時間不長，但是在中國已有許多應用。據RockwellAutomation市場部提供的數據，上海通用汽車有一條DevicetNet的生產線，另外，生產可口可樂的上海申美飲料公司也部分采用了DeviceNet技術。 ２Devicenet總線的特點3 Y& }, d: J- {: ?5 g8 N
DeviceＮet是一種低成本的通信連接。它將工業設備(如:限位開關、光電傳感器、閥組、電動機、起動器、過程傳感器、條形碼讀取器、變頻驅動器、面板顯示器和操作員接口)連接到網絡，從而免去了昂貴的硬接線。ＤeviceＮet是一種簡單的網絡解決方案，在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時，減少了配線和安裝工業自動化設備的成本和時間。DeviceＮet的直接互連性不僅改善了設備間的通信，而且同時提供了相當重要的備級診斷功能，這是通過硬接線Ｉ/Ｏ接口很難實現的。DeviceＮet是一個開放式網絡標準。規范和協議都是開放的，廠商將設備連接到系統時，無需購買硬件、軟件或許可權。
3 d! A) v, _9 B, N, C. C 簡單地說，DeviceＮet可以歸納出以下一些技術特點:, Y; k# f7 m- k# Q; f
(1) 最大64個節點;
. {" @9 i* c1 G$ c( D& n8 K, ~8 O (2) 125kbps～500kbps通訊速率;
' R: z* b* p$ h: I& B! f" n& O (3) 點對點，多主或主/從通信;
1 G1 [4 x S( x (4) 可帶電更換網絡節點，在線修改網絡配置;! p" C* S! V" p, x% n
(5) 采用ＣＡＮ物理層和數據鏈路層規約，使用ＣＡＮ規約芯片，得到國際上主要芯片制造商的支持;" d5 k- M& q- z! j: I H( v
(6) 支持選通、輪詢、循環、狀態變化和應用觸發的數據傳送;
: s* l. I, \0 k. X (7) 低成本、高可靠性的數據網絡;; K, M# g0 B3 Y
(8) 既適合于連接底端工業設備，又能連接像變頻器、操作終端這樣的復雜設備;
5 \" K: I& t' A E8 S2 _8 I (9) 采用無損位仲裁機制實現按優先級發送信息;
* ` P2 u: k! t7 v (10) 具有通訊錯誤分級檢測機制、通訊故障的自動判別和恢復功能。
J( B! |8 l7 _; q S 8 K" C3 |$ G$ M6 X+ V& E& h! i" O
3 Devicenet總線技術介紹
( Z9 O# X; ?4 T a5 |3.1 Devicenet的物理層和物理媒體
, l# h; }. {$ D$ M3 r* G/ f Devicenet物理層協議規范定義了DeviceNet的總線拓撲結構及網絡元件，具體包括系統接地、粗纜和細纜混合結構、網絡端接地和電源分配。DeviceNet所采用的典型拓撲結構是干線－分支方式，如圖1所示。6 }. A$ C9 O& k1 i
圖1 Devicenet現場總線拓撲結構 ) U, A2 J7 T- Y* y
線纜包括:粗纜(多用作干線)和細纜(多用于分支線)。總線的線纜包括24V直流電源線和信號線兩組雙絞線以及信號屏蔽線。在設備連接方式上，可靈活選用開放式和密封式的連接器。網絡采取分布式供電方式，支持冗余結構。總線支持有源和無源設備，對于有源設備提供專門設計的帶有光隔離的收發器。
! }5 y( p' i! X1 Z3 E- S0 {" n" K% p; V5 R
3.2 Devicenet與CAN% x4 s5 n, n" G/ g8 o
Devicenet總線協議是在CAN總線的基礎上建立起來的。DeviceNet的數據鏈路層完全遵循CAN規范的定義，并通過CAN控制器芯片實現。CAN定義了四種幀格式，分別為數據幀、遠程幀、出錯幀和超載幀，在DeviceNet上傳輸數據采用的是數據幀格式，遠程幀格式在DeviceNet中沒有被使用，超載幀和出錯幀則被用于意外情況的處理。數據幀格式如圖2所示:
8 z& d# c: D, r圖2 Devicenet的數據幀格式 & j$ `7 W! c& B; {& ^) ?: q) c
CAN規范定義總線數值為兩個互補邏輯數值之一:“顯性”(邏輯0)和“隱性”(邏輯l)。任何發送設備都可以驅動總線為“顯性’:當“顯性”和“隱性”位同時發送時，最后總線數值將為“顯性”。僅當總線空閑或“隱性”位期間，發送“隱性”狀態。0 \* \* G8 @( {$ I9 V# F
在總線空閑時每個節點都可嘗試發送，但如果多于兩個的節點同時開始發送，發送權的競爭需要通過11位標識符的逐位仲裁來解決。Devicenet采用載波偵聽非破壞性逐位仲裁機制(CSMA/NBA)的方法解決總線訪問沖突問題。網絡上每個節點擁有一個唯一的11位標識符，這個標識符的值決定了總線沖突仲裁時節點優先級的高低。11位標識符數值最小的節點擁有最高的優先級，作為獲勝的一方，可不受影響地繼續傳輸數據，所以這種碰撞和仲裁并未造成數據幀的損壞，即不會浪費通信資源。同時可以看到，由于標識符數值低的節點具有較高的優先權，所以通過標識符的分配可以使重要的數據得到優先發送。
5 h$ \0 q: Y& c( @( _5 m Devicenet在CAN總線的基礎上又增加了面向對象、基于連接的現代通信技術理念，并開發了應用層。其應用層規定了CAN數據幀的使用方式、節點重復地址檢測機制、對象模型及設備的標準化。5 Q6 l: `3 f% ^ B" [3 _; w$ a
1 [. k: y) Y* B1 ?5 [$ G5 o3.3 Devicenet網絡通信模型: B2 @7 V, G$ J/ x6 {6 p# V
在現場總線中有兩種常用的通信模式，一種是傳統的源/目標(Source/Destination)即點對點模式，另外一種是新型的生產/消費者(Producer/Customer)模式。. A, W- Q6 T( [/ X5 U0 w4 c# j
以前的通信模式使用點對點的方式進行通信，在報文中含有特定的源/目標地址信息，如圖3(a)所示。對于每個節點來說，數據在不同時刻到達，實現不同節點之間的同步是非常困難的，當信息目的地不同時，源節點必須多次發送數據給不同的目標節點，從而造成了帶寬的損失。: ]. j+ _8 a6 k% P& c% q7 g
而Devicenet中采用了全新的生產者/消費者網絡模型，其典型的報文結構如圖3(b)所示。. v2 C! z+ v1 l) u' A
圖3 現場總線通信模式 4 F2 H$ @% ]3 q4 K) a/ d" n" F
在生產者/消費者模型中，報文按其內容來標識，如果某個節點要接收一個報文，僅僅需識別與此報文相關的特定的標識符(即11位標識符，連接ID)，每個報文不再需要源地址和目的地址。因為報文是按內容進行標識的，數據源只需將報文發送一次，許多需用此報文的節點通過在網上同時識別這個標識符，可同時從同一生產者取用(消費)此報文，有效地提高了網絡帶寬的利用率，并且消費者節點之間可實現精確的同步，適合于實時交換數據。其它的設備加入網絡后并不增加網絡負載，因為它們同樣可以消費這些相同的報文。當節點發送多個報文時，對每個報文使用不同的標識符。
O. O q: w2 _. s/ M9 }( t/ `) j' c8 o! B
3.4 Devicenet的報文
2 d6 q n F$ C8 {+ |9 l Devicenet中定義了兩類不同的報文:顯式報文和I/O報文。
2 M: _. Z% e1 H7 l (1) 顯式報文(Explicit Message)
# f, w* t- p# @1 h3 K 顯式報文用于兩個設備之間多用途的信息交換，是典型的請求-響應通信方式，一般用于節點的配置、故障情況報告和故障診斷。Devicenet中定義了一組公共服務顯式報文，如讀取屬性、設置屬性、打開連接、關閉連接、出錯響應、起動、停止、復位等。這類信息因為是多用途的，所以在報文中要標明報文的類型，對應不同類型，報文格式也不同。它是根據報文和預先規定的格式說明其含義的。顯式報文通常使用優先級低的連接標識符，并且該報文的相關信息直接包含在報文數據幀的數據場中，包括要執行的服務和相關對象的屬性及地址。
0 G, a, ]' Q' `4 h2 w (2) I/O報文(I/O Message)
) \( b. `. q. B, A( ~# H$ l I/O報文適用于實時性要求較高和面向控制的數據，I/O報文對傳送的可靠性，送達時間的確定性及可重復性有很高的要求。I/O報文通常使用優先級高的連接標識符，通過點或多點連接進行信息交換。I/O報文數據幀中的數據場不包含任何與協議相關的位，僅僅是實時的I/O數據。只有當I/O報文過長，需要分段形成I/O報文片段時，數據場中才有1個字節供報文段協議使用。; Z1 p0 _) y) }) ?/ Y& K
3.5 Devicenet中連接的概念
$ K. C7 t9 o n8 ]8 |( \# B, ^$ y Devicenet網絡中，連接是一個重要概念。節點設備之間欲進行通信，必須先建立連接。DeviceNet網絡中的任何一個設備欲和其它設備通信時，亦須先建立連接。當設備不想和已建立連接的某個設備通信時，它可通過發送釋放連接或刪除連接服務來斷開連接。如果在某個特定的連接上長時間沒有進行通信，這個通信將自動斷開以釋放資源。
* E0 O6 v" D% H8 U5 d0 Q 在Devicenet網絡中，每個連接用連接標識符來標識，它使用CAN規范中的11位仲裁區來定義。連接標識符包括設備媒體訪問控制標識符 (MAC ID)和信息標識符(Message ID)。其中，MAC ID可通過硬件設定，也可通過軟件來配置。標識符分為四組，如附表所示。
* b+ S; B" j, B# z& F# _' W 附表 Devicenet 連接標識符
5 b: U) u: T$ ]" i2 p, f3 O0 B3 v z: U& d
0 t: A* h. m: L& [5 a 這四種信息組優先級不同，其中信息組1優先級最高，通常用于發送設備的I/O報文，信息組4優先級最低，用于設備離線時的通信。傳送信息時可據此選擇相應的信息組。
& U5 u' y4 a9 i0 x- F* c; R7 |
h- x( R8 b. I3.6 Devicenet數據通信方式6 l8 l: }- d0 ^! y
Devicenet支持多種數據通信方式，如位選通(Bit-Strobe)、輪詢(Poll)、狀態改變COS (Change of State)和循環(Cyclic)等。
. }4 t% S, M$ X) i/ w' c 位選通方式下，利用8字節的廣播報文，64個二進制位的值對應著網絡上64個可能的節點，通過位的標識，指定要求響應的從設備。輪詢方式下，I/O報文直接依次發送到各個從設備(點對點)。循環方式適用于一些模擬設備，可以根據設備信號發生的快慢，靈活設定循環進行通信的時間間隔，這樣就可以大大降低對網絡帶寬的要求。狀態改變方式用于離散的設備，使用事件觸發方式，當設備狀態發生改變時才發生通信，而不是由主設備不斷的查詢來完成。
' ^4 K, s7 B( n3 K& a0 l k 多種可選的數據交換形式，均可由用戶自由地指定。通過選擇合理的數據通信方式，可以明顯地提高網絡利用率。4 `8 l0 Z1 J" X8 t9 y% ~1 ?& F+ a; P# S
+ }+ V. t+ t$ D Q: A$ N3.7 預定義的主/從連接組
: `* R. A7 r, k$ X Z# z2 _. H' g) ? Devicenet提供了一個功能很強的應用層協議，允許動態配置設備間的連接。而在實際使用中，許多對象的應用情況往往很簡單，常用的主/從連接方式足以滿足要求。為此DeviceNet定義了一個預定義主/從連接組和僅限組2的從站，以降低從站的成本和簡化設備的配置。
2 o- p4 W. R7 i" ^ 預定義主/從連接組用于主/從連接式通信，并預先定義好各報文組內一些通信道的功能。在使用前，主站需要通過主/從連接組分配請求服務和從站的應答來明確主從關系，并通過分配選擇的設置明確所采用的報文傳送機制(位選通、輪詢、狀態改變、循環、顯式)。而對于不具有未連接信息管理(UCMM)能力的從站，稱為僅限組2從站，它沒有能力接收通常的未連接顯式報文，只能通過預定義主/從連接組內預留的未連接顯式請求報文(組2，報文ID=6)和從站的顯式/未連接響應報文(組2，報文ID=3)來實現預定義主/從連接的分配或刪除。
0 N" j& ~3 \& L1 r5 n$ W( v
8 \' T! i; B1 q2 Z/ Z- a x3.8 Devicenet的對象模型2 J# k) T9 A1 o5 O3 n# s
Devicenet對象模型如圖4所示，它提供了組織和實現DeviceNet產品的組件屬性、服務和行為的簡便模板，它為每個屬性提供了由4個數字組成的尋址方案，它們分別是MAC ID、對象類標識符、實例編號和屬性編號。這四級地址與顯式報文連接相結合，將數據從DeviceNet網絡上的一點傳送到另一點。
( ?& e. t) L: L0 {+ s4 V( R圖4 Devicenet對象模型
# Z A$ C" b" Z Devicenet為了對各個對象及其中的類、實例、屬性等進行尋址，提供了以下幾種尋址標識符:+ A4 M/ @# ?7 g9 T; s1 f
(1) 質訪問控制標識符(MAC ID):對Devicenet網段上的各個節點進行標識。0 `4 Z5 g' x5 a1 k) R. [
(2) 類標識符(Class ID):對Devicenet網段上的各個類進行標識。# K, K1 d r$ Q. U" e7 z
(3) 實例標識符(Instance ID):對同一個類中的各個實例進行標識。4 e8 e# q ?; W% V+ F; E+ ~& {. y5 @8 Z4 F
(4) 屬性標識符(Attribute):對同一對象中的各個屬性進行標識。
! K: H1 U/ u5 g0 R' \! ]1 G3 _3 e" M9 v& X8 w" D4 u
3.9 Devicenet設備描述$ E# n" D' p2 ^, t( O
為實現不同制造商生產的同類設備的互換性、互操作性和功能的一致性，Devicenet對直接連接到網絡上的每類設備都定義了設備描述。設備描述是從網絡角度對設備內部結構的說明，凡是符合同一設備描述的設備均具有同樣的功能，生產或消費同樣的I/O數據，包含相同的可配置數據。設備描述說明設備使用哪些DeviceNet對象庫中的對象、哪些制造商特定的對象以及關于設備特性的信息。設備描述的另一個要素是對設備的網絡上交換的I/O數據的說明，包括I/O數據格式及其在設備內所代表的意義。除此之外，設備描述還包括設備可配置參數的定義和訪問這些參數的公共接口。
2 l# a& l7 Q8 i5 C! o( | O Devicenet協議規范還允許廠商提供電子數據表EDS(Electronic DataSheet)，以文件的形式記錄設備的一些具體的操作參數等信息，便于在配置設備時使用。這樣，來自第三方的DeviceNet產品就可以方便地連接到DeviceNet上。
+ _5 r' g+ Z. X7 E Devicenet通過由ODVA成員參加的特別興趣小組(SIG)發展它的設備描述。目前已完成了諸如交流驅動器、直流驅動器、接觸器、通用離散用I/O、HMI、接近開關、限位開關、軟驅動器、起動器、位置控制器、流量計等設備的描述。ODVA的SIG還在不斷工作，增加設備描述的種類，以期使設備描述覆蓋更多的產品范圍，為用戶帶來更多的方便。
3 v+ v: r M( u3 G" r+ I! q# P3 u4 應用舉例 B2 `5 I; P1 s( B( X
一汽集團根據發展規劃設計的基于Devicenet現場總線的一汽-大眾BORAA4總裝生產線控制系統，包含12條DeviceNet網絡、200多個節點，總線長度達3000m，總體技術達到了國際先進水平，三年來的系統運行實踐表明了:該系統功能強大、安全可靠、操作靈活，為一汽-大眾公司創造了明顯的經濟效益，并大大提高了生產效率、自動化生產水平和管理水平，使得公司在激烈的市場競爭中處于領先地位。 |
發表于 2009-3-10 14:27:33
QQ好友和群
QQ空間
