INSTRUKCJA LABORATORYJNA

(PSK, KSR, SP, IP)

Sieć przemysłowa DeviceNet ™

Rew. 1.1

I

NSTYTUT

I

NFORMATYKI

Z

ESPÓŁ

P

RZEMYSŁOWYCH

Z

ASTOSOWAŃ

I

NFORMATYKI

G

LIWICE

2007

Sieć DeviceNet ™

Laboratorium PSK, KSR, SP, IP

Spis treści

1. Wstęp.................................................................................................................................................... 3
2. Charakterystyka sieci DeviceNet.......................................................................................................... 4

2.1 DeviceNet w modelu OSI ........................................................................................................... 4
2.2 Warstwa fizyczna.........................................................................................................................5
2.3 Warstwa łącza danych..................................................................................................................6

3. Komunikaty w sieci DeviceNet.............................................................................................................7

3.1 Komunikaty typu polled...............................................................................................................7
3.2 Komunikaty typu strobed.............................................................................................................7
3.3 Komunikaty typu cyclic............................................................................................................... 8
3.4 Komunikaty typu COS................................................................................................................. 9

4. DeviceNet na platformie sprzętowej VersaMax................................................................................. 10
5. Literatura............................................................................................................................................. 12

2

Instrukcja nie stanowi materiału komercyjnego i służy wyłącznie do prowadzenia
zajęć dydaktycznych. Wykorzystywanie instrukcji do celów komercyjnych stanowi
naruszenie prawa.
Informacje zawarte w instrukcji mogą ulec zmianie wraz z rozwojem opisywanych
zagadnień. Materiał opracowany na podstawie literatury tematycznej, prac
studenckich oraz materiałów ogólnie dostępnych.

Sieć DeviceNet ™

Laboratorium PSK, KSR, SP, IP

1. Wstęp

Protokół komunikacyjny DeviceNet został opracowany przez firmę Allen-Bradley (obecnie

Rockwell Automation). Bazuje on na specyfikacji sieci CAN 2.0A, z której została zaczerpnięta
warstwa fizyczna oraz warstwa łącza danych.

DeviceNet jest dedykowany do łączenia w strukturę sieciową kontrolerów przemysłowych

(sterowników swobodnie programowalnych PLC) z urządzeniami wejścia/wyjścia (zdalnymi stacjami
wejść/wyjść cyfrowych, analogowych), które stanowią interfejs pomiędzy systemem a obiektem
sterowania. Możliwość zasilania urządzeń sieciowych bezpośrednio magistrali komunikacyjnej
upraszcza w znaczący sposób budowę systemu rozproszonego. Dzięki temu proste urządzenia, jak
sensory o nie dużym poborze prądu (maksymalnie 8 lub 16A dla wszystkich abonentów sieci
w zależności od zastosowanego okablowania), nie wymagają dodatkowego źródła zasilania.

Sieć DeviceNet jest bardzo popularnym standardem regulowanym przez organizację ODVA –

„Open DeviceNet Vendors Association”). Urządzenia z obsługą sieci DeviceNet produkuje ponad 700
firm na całym świecie. Na popularność standardu istotny wpływ ma jego „otwartość”.

3

Sieć DeviceNet ™

Laboratorium PSK, KSR, SP, IP

2. Charakterystyka sieci DeviceNet

Sieć DeviceNet jest siecią dedykowaną do łączenia kontrolerów przemysłowych takich, jak

sterowniki swobodnie programowalne PLC z odległymi urządzeniami stanowiącymi interfejs
pomiędzy systemem a obiektem sterowania. Urządzeniami takimi mogą być zdalne stacje wejść/wyjść
wyposażone w moduły wejść/wyjść cyfrowych i analogowych. Mogą to być także pojedyncze czujniki
podłączone bezpośrednio do magistrali komunikacyjnej sieci DeviceNet i dostarczające binarnej
informacji o obiekcie, jak również urządzenia wykonawcze pozwalające na realizację sterowania
obiektem.

Przy użyciu sieci DeviceNet może być realizowana komunikacja „peer to peer”, multimaster

oraz master-slave. Sieć ta jest siecią typu Producent-Konsument. W tego typu sieciach występują
urządzenia będące „producentami” wartości zmiennych transmitowanych z użyciem magistrali
komunikacyjnej (na przykład położenie zaworu, przepływ itp.) oraz „konsumentami” tych wartości.
Każda zmienna musi mieć dokładnie jednego producenta oraz może mieć wielu konsumentów. Do
magistrali tej sieci może być podłączonych do 64 abonentów.

W sieci DeviceNet wyróżnia się ponadto co najmniej jednego abonenta często nazywanego

masterem sieci. Abonent ten jest odpowiedzialny za nadzorowanie procesem wymiany informacji
poprzez odpowiednie odpytywanie pozostałych abonentów sieci i odsługiwanie żądań komunikacji
przez nich wysyłanych.

Magistralę komunikacyjną sieci DeviceNet stanowią dwie skręcone pary w ekranie. Jedna z par

przewodów jest wykorzystywana do komunikacji pomiędzy urządzeniami. Druga para stanowi źródło
zasilania abonentów sieci. Maksymalna długość magistrali komunikacyjnej jest uzależniona od
częstotliwości jej pracy i wynosi do:

1. 500m przy prędkości transmisji 125kb/s.
2. 250m przy prędkości transmisji 250kb/s.
3. 125m przy prędkości transmisji 500kb/s.
Na magistrali komunikacyjnej mogą występować odgałęzienia. Maksymalna długość

pojedynczego odgałęzienia wynosi 6m. Suma długości wszystkich odgałęzień jest uzależniona od
częstotliwości pracy magistrali i wynosi 156, 8 oraz 39m dla odpowiednio 125, 250 oraz 500kb/s.
Przykład topologii sieci DeviceNet przedstawia Rys. 1.

Rys. 1 Przykład topologii sieci DeviceNet [3]

Niezwykle istotne w przypadku magistrali sieci DeviceNet jest umieszczenie na jej końcach

odpowiednich rezystorów terminujących (121 Ohm, 1% ¼ W). Bez ich zastosowania nie będzie
możliwa poprawne komunikacja pomiędzy urządzeniami sieci.

2.1 DeviceNet w modelu OSI

Standard ISO7498 definiuje model komunikacji znany pod nazwą OSI (ang. „Open Systems

Interconnection”). Model ten, zwany „otwartym standardem komunikacji”, opisuje w jaki sposób
powinna przebiegać komunikacja pomiędzy urządzeniami w dowolnej sieci.

4

Sieć DeviceNet ™

Laboratorium PSK, KSR, SP, IP

Rys. 2 Warstwy modelu OSI

Model OSI obejmuje siedem niezależnych warstw (Rys. 2) stosu protokołu sieciowego. Każda z

warstw jest odizolowana od pozostałych i może komunikować się pionowo tylko i wyłącznie poprzez
określony interfejs. Nie jest określona fizyczna budowa poszczególnych warstw, a jedynie sposób ich
współpracy. Takie podejście do problemu sprawia, że każda warstwa może być implementowana
przez producenta na swój sposób, a urządzenia sieciowe od różnych dostawców będą poprawnie
współpracować.

Bardzo rzadko zdarza się, aby sieć spełniała założenia modelu OSI, z podziałem na siedem

oddzielnych warstw. Specyfikacja DeviceNet jest oparta o dwie najniższe warstwy CAN (ISO11898)
oraz precyzuje dodatkowo warstwę aplikacji.

2.2 Warstwa fizyczna

Warstwa fizyczna definiuje fizyczne i elektryczne parametry magistrali i sprzętu, który zamienia

wartości bitów poszczególnych ramek na odpowiadające im sygnały elektryczne i odwrotnie. Warstwa
fizyczna jest implementowana zawsze w sprzęcie. Pozostałe warstwy modelu OSI (Rys. 2) mogą być
implementowane albo w sprzęcie albo programowo.

W standardzie CAN, na którym opiera się sieć DeviceNet, przyjętym sposobem kodowania

bitów jest NRZ (ang. „Non Return to Zero”) oznaczający, iż wartości konkretnego bitu odpowiada
stała wartość na magistrali trwająca przez całe okno czasowe (Rys. 3).

Rys. 3 Porównanie reprezentacji bitów w kodzie NRZ z kodowaniem Manchaster [1]

Przesyłanie sygnałów (reprezentacji bitów) po magistrali następuje w sposób synchroniczny, co

pozwala na lepszą wydajność, lecz wymaga użycia wyrafinowanej metody synchronizacji. Poza tym,
ze względu na użyty algorytm rozstrzygania dostępu do magistrali komunikacyjnej, jedno okno
czasowe musi być na tyle duże, aby pozwoliło na wystawienie bitu na linię, przesłanie go do
najbardziej oddalonego węzła i jego powrót do węzła początkowego. Między innymi z tego powodu
istnieje duża zależność pomiędzy długością magistrali a prędkością transmisji.

5

Sieć DeviceNet ™

Laboratorium PSK, KSR, SP, IP

2.3 Warstwa łącza danych

Warstwa łącza danych to jedyna warstwa, która rozpoznaje i „rozumie” format wiadomości

zwanych ramkami. Ta warstwa buduje ramki przekazywane do warstwy fizycznej i dekoduje
wiadomości odbierane z warstwy fizycznej.

Rys. 4 Format ramki CAN [2]

CAN bazuje na mechanizmie komunikacji zorientowanym na przesyłaniu komunikatów.

Zamiast stacji numeruje się wiadomości. Każda ramka ma swój unikatowy identyfikator (ang.
„Identifier”) (Rys. 4), który definiuje zawartość oraz priorytet wiadomości.

W sieci CAN kilku abonentów może rozpocząć nadawanie w tym samym czasie. Aby nie

dopuścić do powstania przekłamań (kolizji) zastosowano arbitraż oparty na „iloczynie na drucie”.
Dowolny abonent może wprowadzić magistralę w stan niski – stan logicznego „0”. Magistrala
komunikacyjna może natomiast zostać wprowadzona przez danego abonenta w stan wysoki (logiczna
„1”) wtedy i tylko wtedy, gdy żaden inny abonent sieci nie wymusza na niej stanu niskiego „0”. Jeśli
zatem dwa lub więcej urządzeń stara się wysyłać jednocześnie dane na magistralę, to pierwsze które
wyśle „jedynkę”, podczas gdy inne będą wysyłać „zero”, utraci kontrolę nad stanem łącza (Rys. 5).
Każde urządzeń podczas nadawania prowadzi jednocześnie nasłuch magistrali. W chwili stwierdzenia
rozbieżności pomiędzy wartościami nadawanymi a nasłuchiwanymi, abonent zaprzestaje dalszej
transmisji.

Rys. 5 Rozwiązywanie kolizji na magistrali CAN [1, 6]

Do realizacji tego arbitrażu służy pole identyfikatora ramki oraz RTR (ang. „Remote

Transmission Request”) tworzące razem pole arbitrażu (ang. „Arbitration Field”). Bit RTR służy do
rozróżnienia trybu „wysyłanie danych” (ang. „data frame”) od „żądania danych” (ang. „request
frame”).

W dalszej części ramki sieci CAN znajduje się pole kontrolne określające między innymi

długość pola danych, które może mieć od 0 do 8 bajtów. W przypadku konieczności przesyłania
większej ilości danych konieczna jest ich fragmentacja.

Poprawność przesyłanych ramek sprawdzana jest z użyciem 15-to bitowej sumy kontrolnej

CRC. W ramce znajduje się ponadto pole ACK (ang. „Acknowledge Field”) pozwalające odbiornikom
na wystawienie bitu potwierdzenia odebrania wiadomości.

6

Sieć DeviceNet ™

Laboratorium PSK, KSR, SP, IP

3. Komunikaty w sieci DeviceNet

Jak już zostało powiedziane komunikacja w sieci DeviceNet opiera się na transmisji

komunikatów. Komunikaty te dzielą się na dwie grupy: komunikaty explicit, oraz komunikaty implicit
(ang. „Explicit Messages” oraz „Implicit Messages”). Komunikaty explicit są komunikatami typu
zapytanie-odpowiedź i służą do przesyłania informacji dotyczących konfiguracji poszczególnych
abonentów sieci bądź też danych nie krytycznych czasowo. Nie wszystkie urządzenia obsługują ten
typ komunikatów.

Komunikaty implicit – nazywane często komunikatami I/O, wykorzystywane są do komunikacji

w czasie rzeczywistym. Komunikaty I/O mogą być przesyłane w jednym z 4 trybów przez co można
wyróżnić 4 typy komunikatów:

•

komunikaty typu polled,

•

komunikaty typu strobed (strobowane),

•

komunikaty typu cyclic (cykliczne),

•

komunikaty typu COS (ang. „Change of State”)

W zależności od zastosowanych urządzeń sprzętowych jest możliwa komunikacja z danym

abonentem sieci w jednym lub większej liczbie trybów. I tak na przykład część informacji danego
abonenta może być odczytywana komunikatami typu cyclic, a pozostała część komunikatami typu
polled Należy zaznaczyć, iż nie wszystkie urządzenia sieci DeviceNet obsługują wszystkie 4 typy
komunikatów.

W kolejnych podrozdziałach zostały opisane poszczególne typy komunikatów I/O.

3.1 Komunikaty typu polled

Podczas realizacji komunikacji z wykorzystanie komunikatów typu polled, master sieci

DeviceNet automatycznie wysyła do danego abonenta sieci komunikat zawierający dane wyjściowe,
których ten abonent jest konsumentem. W odpowiedzi abonent wysyła komunikat z danymi
wejściowymi, których jest on producentem (Rys. 6). Do komunikacji z jednym abonentem w tym
trybie jest zatem konieczne wysłanie dwóch komunikatów.

Rys. 6 Komunikacja w trybie polled [4]

Master realizuję komunikację w trybie polled najszybciej, jak to jest tylko możliwe. Niemniej

ten sposób komunikacji jest najmniej efektywny czasowo.

3.2 Komunikaty typu strobed

Podczas realizacji komunikacji w trybie strobowanym master wysyła pojedynczy komunikat z

żądaniem transmisji wszystkich danych produkowanych przez poszczególnych abonentów. W

7

Sieć DeviceNet ™

Laboratorium PSK, KSR, SP, IP

odpowiedzi na to żądanie wszyscy abonenci z określonym trybem komunikacji jako strobed kolejno
transmitują całość produkowanych danych (danych wejściowych) (Rys. 7). Wysyłanie wspomnianego
żądania jest wykonywane z częstotliwością określoną podczas konfiguracji modułu mastera sieci
DeviceNet.

Rys. 7 Komunikacja w trybie strobed [4]

Komunikaty typu strobed mogą być bardziej efektywne niż komunikaty typu polled ze względu

na to, iż master sieci DeviceNet wysyła żądanie transmisji produkowanych przez poszczególnych
danych jednokrotnie. Ten sposób komunikacji jest używany przede wszystkim w przypadku
abonentów będących jedynie producentami zmiennych, czyli abonentów dostarczających danych
wejściowych do systemu sterowania i nie korzystających z żadnych danych wyjściowych.

3.3 Komunikaty typu cyclic

Komunikacja z wykorzystaniem komunikatów cyklicznych jest podobna do komunikacji typu

polled. W przypadku komunikatów cyklicznym jest możliwe jednak zdefiniowanie częstotliwości ich
wysyłania. Poszczególni abonenci sieci DeviceNet mogą być zatem odpytywanie z różnym interwałem
(Rys. 8).

Rys. 8 Komunikacja w trybie cyclic [4]

8

Sieć DeviceNet ™

Laboratorium PSK, KSR, SP, IP

Ten typ komunikatów może być wykorzystywany na przykład podczas odczytu danych z wejść

analogowych. Wartości wejść analogowych „produkowane” przez poszczególnych abonentów sieci
mogą być odczytywane z różną częstotliwością nie obciążając zbędnie sieci komunikacyjnej.

3.4 Komunikaty typu COS

Komunikacja COS (ang. „Change of State”) jest aktywowana tylko wtedy, gdy abonent (slave)

wyśle informację do mastera sieci DeviceNet o tym, iż stan wejść tego abonenta uległ zmianie. W
odpowiedzi na tą informację master rozpoczyna wysyła do abonenta stan wyjść i w odpowiedzi
otrzymuje aktualny stan wejść abonenta (Rys. 9).

9

Sieć DeviceNet ™

Laboratorium PSK, KSR, SP, IP

4. DeviceNet na platformie sprzętowej VersaMax

W ramach platformy sprzętowej VersaMax firmy GE Fanuc są dostępne dwa modułu służące do

budowy systemów rozproszonych w wykorzystaniem sieci DeviceNet:

•

Moduł komunikacyjny sieci DeviceNet NCM (ang. „Network Control Module”,
typ: IC200BEM103),

•

Moduł interfejsu sieciowego DeviceNet NIU (ang. „Network Interface Unit”,
typ: IC200DBI001).

Moduł interfejsu sieciowego DeviceNet NIU pozwala na budowę zdalnych stacji wejść/wyjść.

Do modułu tego można podłączać moduły wejść/wyjść podobnie jak są one podłączane do modułu
jednostki centralnej sterownika swobodnie programowalnego. Co ważne moduły wejść/wyjść
w zdalnej stacji sieci DeviceNet działają ze swoją domyślną konfiguracją. Jedynymi parametrami
koniecznymi do konfiguracji w module NIU są adres sieciowy DeviceNet oraz prędkość transmisji.
Parametry te są ustawiane za pomocą pokręteł znajdujących się na przedniej części obudowy.
Maksymalna liczba bajtów danych, które mogą być transmitowane z wykorzystanie modułu NIU to
128 bajtów danych wejściowych oraz 128 bajtów danych wyjściowych.

Moduł komunikacyjny sieci DeviceNet jest modułem rozszerzeń jednostki centralnej

sterownika PLC. Może on pracować jako master, slave bądź jednocześnie master i slave sieci
DeviceNet. Za jego pośrednictwem jest możliwa wymiana 248 bitów dyskretnych wejść i wyjść oraz
255 analogowych wejść i wyjść. Pojedynczy moduł master może komunikować się maksymalne z 40
abonentami typu slave.

W celu realizacji komunikacja za pośrednictwem modułu NCM konieczna jest inicjalizacja

portu komunikacyjnego z wykorzystaniem bloku funkcyjnego COMM_REQ. Przy wywołaniu tego
bloku funkcyjnego należy wskazać pierwszy rejestr sterownika zawierający blok parametrów złożony
z bloku polecenia COMM_REQ oraz bloku danych COMM_REQ. W boku polecenia COMM_REQ
znajduje się szereg rejestrów definiujących długość bloku danych oraz adres do rejestru sterownika,
w którym będzie zapisany status wykonania bloku funkcyjego COMM_REQ (Tab. 1).

Tab. 1 Rejestry bloku polecenia COMM_REQ [3]

Blok danych COMM_REQ musi znajdować się w kolejnych rejestrach pamięci sterownika PLC

zaraz po bloku polecenia COMM_REQ. W bloku danych określa się konfigurację sieci DevicNet, na
którą składa się między innymi adres mastera sieci DeviceNet, prędkość transmisji oraz wielkości
określające ilość danych obsługiwanych przez poszczególnych abonentów typu slave (Tab 2.)

10

Sieć DeviceNet ™

Laboratorium PSK, KSR, SP, IP

Tab. 2 Rejestry bloku danych COMM_REQ [3]

Więcej informacji na temat polecenia COMM_REQ można znaleźć w pomocy programu

Proficy Machine Edition (lub Cimplicity Machine Edition). Dodatkowe informacje na temat
inicjalizacji portu komunikacyjnego sieci DeviceNet znajdują się w [3].

11

Sieć DeviceNet ™

Laboratorium PSK, KSR, SP, IP

5. Literatura

[1] Marcin Gudyka: „Opracować moduł akwizycji danych czasu rzeczywistego dla sieci CAN i

systemu oparacyjnego QNX”, praca dyplomowa

[2] „DeviceNet™ - CIP on CAN Technology”, Open DeviceNet Vendors Association
[3] „VersaMax System – DeviceNet Communications Modules”, GE Fanuc Automation, nr

dokumentu: gfk1533

[4] „DeviceNt Modules for PACSystems RX3i and Series 90-30”, GE Fanuc Automation, nr

dokumentu: gfk2196a

[5] Strona internetowa: www.odva.org
[6] Strona internetowa: www.can-cia.org

12

Sieć DeviceNet ™

Laboratorium PSK, KSR, SP, IP

Notatki

...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................................................

13

Tytuł:

Sieć DeviceNet

Temat:

Opis ogólny

Utworzono:

01/03/2007 09:47:00 JS

Wydrukowano:

2007/3/1 03:33:00 PM

Nazwa pliku:

Instrukcja - DeviceNet_v1.odt
16135/2163/13

Wersja:

1