DeviceNet規(guī)范概述及組網(wǎng)——DeviceNet通信及設(shè)備類型

1 引言

DeviceNet是基于CAN總線技術(shù)的符合全球工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開放型通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線具有布線簡單、典型的總線型結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定可靠、實時、抗干擾能力強、傳輸距離遠、布線成本低等特點，廣泛應(yīng)用于自動化儀表、工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場、數(shù)控機床等系統(tǒng)中，被認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。雖然DeviceNet是工業(yè)控制的設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)，而它采用了先進的通信概念和技術(shù)，通過一根電纜將工業(yè)設(shè)備接成網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中不僅有低端的工業(yè)設(shè)備，還有像變頻器、HMI這樣復(fù)雜的設(shè)備，這樣降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少了設(shè)備通信的電纜硬件接線，并提高系統(tǒng)可靠性，降低安裝、維護成本，是分布式控制系統(tǒng)的理想解決方案。

2 DeviceNet規(guī)范簡介

DeviceNet規(guī)范定義了一個網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，以便組成工業(yè)控制系統(tǒng)使各個設(shè)備之間可以進行數(shù)據(jù)通信。DeviceNet規(guī)范除了提供ISO模型的應(yīng)用層定義之外，還定義了部分物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。規(guī)范中對DeviceNet節(jié)點的物理連接也作了規(guī)定，連接器、電纜類型、長度以及與通信相關(guān)的指示器、開關(guān)、相關(guān)的室內(nèi)銘牌都作了詳細規(guī)定。

DeviceNet是建立在CAN協(xié)議基礎(chǔ)之上，沿用了CAN協(xié)議所規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，并補充了不同的報文格式、總線訪問仲裁規(guī)則及故障檢測和隔離方法。DeviceNet的功能和特點如圖1所示。

DeviceNet的應(yīng)用層協(xié)議則采用的是通用工業(yè)協(xié)議(CIP)。CIP是一個在高層面上嚴(yán)格面向?qū)ο蟮膮f(xié)議。每個CIP對象具有屬性(數(shù)據(jù))、服務(wù)(命令)、連接和行為(屬性值與服務(wù)間的關(guān)系)，其主要功能有兩個:一是面向連接的通信；二是標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)應(yīng)用對象。下文詳細介紹通信部分。

CIP通信最重要的特點是它用不同的方式傳輸不同類型的報文，根據(jù)報文質(zhì)量要求將需要發(fā)送的報文分為顯式報文和隱式報文。

CIP另一個重要特點是基于連接進行通信的。因此DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上任意兩個節(jié)點通信之前必須建立起連接，且連接可以動態(tài)建立和撤銷。請注意這里的“連接”是邏輯上的關(guān)系，而非物理層的連接。

DeviceNet支持兩種類型的連接:顯式報文連接和I/O連接。

顯式報文連接是點對點的連接方式，報文接收方必須對接到的報文做出相應(yīng)的響應(yīng)，通常這類報文對時間要求不高，主要用于上傳/下載程序、修改設(shè)備參數(shù)、趨勢分析和診斷等。

I/O連接則用于傳送實時性要求較高的I/O報文，可以一對一、一對多地傳送數(shù)據(jù)。DeviceNet支持多種I/O數(shù)據(jù)觸發(fā)方式，如位選通(Bit strobe)、輪詢(Poll)、狀態(tài)改變(COS)/循環(huán)(Cyclic)等。

位選通:利用8字節(jié)的廣播報文，每一位分別對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)上64個節(jié)點，指定要求響應(yīng)的從節(jié)點，響應(yīng)報文最大為8字節(jié)。

輪詢:這種觸發(fā)方式適用于絕大多數(shù)設(shè)備，相比位選通的少量I/O數(shù)據(jù)，輪詢命令可傳送任意數(shù)量的數(shù)據(jù)。輪詢命令依次發(fā)送到各從站設(shè)備，從站接收到命令后做出應(yīng)答。

狀態(tài)改變:此方式多用于離散的設(shè)備，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變時，使用事件觸發(fā)方式發(fā)生通信，而不是依靠主設(shè)備不斷查詢。為了防止設(shè)備掉線，增加了心跳報文，定時獲取設(shè)備運行狀態(tài)。

循環(huán):循環(huán)方式適用于一些模擬設(shè)備，可以根據(jù)設(shè)備信號發(fā)生的速度，靈活地設(shè)定循環(huán)通信的時間間隔，可以降低不必要的網(wǎng)絡(luò)流量，在模擬量輸入發(fā)生變化的時間內(nèi)即可。每臺設(shè)備中，循環(huán)和狀態(tài)改變是互斥的，同一時刻只能使用一種連接方式。

下面通過圖2介紹DeviceNet網(wǎng)絡(luò)中兩臺設(shè)備建立通信的一般流程。

DeviceNet設(shè)備在進行信息交換前，首先要通過重復(fù)的MAC ID檢測，如果通過MAC ID檢測，則設(shè)備轉(zhuǎn)為在線狀態(tài)；否則為離線。然后通過未連接顯示報文建立顯式報文連接，主從站通過顯式報文進行各種配置和信息交換。最后，建立I/O連接，并通過I/O連接進行數(shù)據(jù)收發(fā)。不同的主站模塊建立I/O連接的流程有所差別，這里強調(diào)的是DeviceNet網(wǎng)絡(luò)是基于連接的一種網(wǎng)絡(luò)。

3 DeviceNet設(shè)備及組網(wǎng)

DeviceNet網(wǎng)絡(luò)是一種設(shè)備級的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，它的拓撲結(jié)構(gòu)是比較自由的，典型拓撲結(jié)構(gòu)是主干-分支方式，如圖3所示。

在實際應(yīng)用中，Devicenet網(wǎng)絡(luò)基本上都采用主/從連接通信方式，因此網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備也有主從之分。

(1)主站設(shè)備

簡單來說，DeviceNet主站(掃描器)是集中管理I/O數(shù)據(jù)的設(shè)備。目前有兩種形式的主站，一種是可編程控制器(PLC)中的一個單元，它的內(nèi)部集成了DeviceNet的主站功能，這種主站使用最為普遍。另一種是主站PC使用一個集成DeviceNet的主站功能PCI或USB接口卡，并通過PCI/USB總線與PC的CPU交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對從站的管理和控制。

現(xiàn)代控制系統(tǒng)中由上位機提供的人機界面也是必不可少的，DeviceNet主站無論采用PLC單元模塊或PCI/USB接口卡，對外都具有開放的通信接口，可以適用于市面上絕大多數(shù)的組態(tài)、監(jiān)控軟件。

廣州致遠電子有限公司日前推出了人機界面(HMI)主站設(shè)備，PCI和USB兩種類型接口的DeviceNet主站卡，分別是PCI-5010-D和USBCAN-E-D。它們可以使PC機快速連接到DeviceNet網(wǎng)絡(luò)，在最短時間內(nèi)實現(xiàn)可視化、參數(shù)化的網(wǎng)絡(luò)分析及控制。主站卡不僅提供了免費ZOPC服務(wù)器接口，可直接運行于常用的組態(tài)軟件(組態(tài)王、MCGS、Intouch等)，而且還提供了標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口(API)、DeviceNet掃描模塊動態(tài)鏈接庫、配套的程序示例等。

(2)從站設(shè)備

如圖3所示，從站設(shè)備有馬達驅(qū)動器、I/O設(shè)備、傳感器、按鈕組、HMI等等。通常，從站設(shè)備的控制比較簡單，大多數(shù)都采用輪詢方式工作。為了方便用戶快速設(shè)計出符合DeviceNet規(guī)范的從站設(shè)備，廣州致遠電子有限公司推出了一款嵌入式DeviceNet從站模塊——XGate-DVN10。它適用于各種干擾強、實時性要求高的工業(yè)場合，具有小巧的體積和靈活的應(yīng)用方式，可以非常方便地嵌入到用戶的設(shè)備中。

4 小結(jié)

使用DeviceNet總線產(chǎn)品構(gòu)成系統(tǒng)是非常方便的，只要產(chǎn)品符合DeviceNet規(guī)范，就可以方便地接入系統(tǒng)。如果你只提供從站設(shè)備，那么可以自由選用不同廠商的從站、主站、上位機軟件，可以方便地配置連接構(gòu)成穩(wěn)定、健碩的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)，這就是開放式現(xiàn)場總線的優(yōu)點。目前DeviceNet已經(jīng)是中國國家標(biāo)準(zhǔn)，其一致性測試中國測試中心也已經(jīng)成立，為國內(nèi)開發(fā)、生產(chǎn)、銷售、應(yīng)用DeviceNet現(xiàn)場總線設(shè)備提供了橋梁。

廣州致遠電子有限公司提供各種接口的DeviceNet接口卡、DeviceNet終端設(shè)備(包括數(shù)據(jù)采集，電機控制等)、DeviceNet分析儀、網(wǎng)關(guān)及網(wǎng)橋、OPC服務(wù)器以及基于DeviceNet協(xié)議的整套組網(wǎng)方案及應(yīng)用開發(fā)。

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