DeviceNet总线技术综述--中国自动化网文库中心

一种基于CAN总线技术的符合全球工业标准的开放型通信网络。它最早由Allen-Bradley公司支持Devicent公司设计，并已于2000年6月15日正式成为IEC62026国际标准(有关低压开关设备与控制设备、控制器与电气设备接口)之一。在2002年12月1日发行的国家标准化管理委员会通报中，公布了DeviceNet现场总线已于2002年10月8日被批准为国家标准，并于2003年4月1日正式开始实施。DeviceNet成为国家标准，为国内开发、生产、销售、应用DeviceNet现场总线技术的研制单位、生产企业、贸易和用户提供了技术桥梁。
Devicenet现场总线由于产生和发展的时间较晚，因此它采用了更为先进的通信概念和技术，相对于其他现场总线，具有较大的领先性，突出的高可靠性、实时性和灵活性。DeviceNet是一个开放式的协议，目前有包括Rockwell等300多家自动化设备厂商的产品支持这种协议，DeviceNet在欧美和日本的现场总线市场占有很大的份额，在控制领域得到了广泛的应用。DeviceNet进入中国时间不长，但是在中国已有许多应用。据Rockwell Automation市场部提供的数据，上海通用汽车有一条DevicetNet的生产线，另外，生产可口可乐的上海申美饮料公司也部分采用了DeviceNet技术。
２Devicenet总线的特点
DeviceＮet是一种低成本的通信连接。它将工业设备(如:限位开关、光电传感器、阀组、电动机、起动器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动器、面板显示器和操作员接口)连接到网络，从而免去了昂贵的硬接线。ＤeviceＮet是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。Device Ｎet的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的备级诊断功能，这是通过硬接线Ｉ/Ｏ接口很难实现的。DeviceＮet是一个开放式网络标准。规范和协议都是开放的，厂商将设备连接到系统时，无需购买硬件、软件或许可权。
简单地说，DeviceＮet可以归纳出以下一些技术特点:
(1) 最大64个节点;
(2) 125kbps～500kbps通讯速率;
(3) 点对点，多主或主/从通信;
(4) 可带电更换网络节点，在线修改网络配置;
(5) 采用ＣＡＮ物理层和数据链路层规约，使用ＣＡＮ规约芯片，得到国际上主要芯片制造商的支持;
(6) 支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送;
(7) 低成本、高可靠性的数据网络;
(8) 既适合于连接底端工业设备，又能连接像变频器、操作终端这样的复杂设备;
(9) 采用无损位仲裁机制实现按优先级发送信息;
(10) 具有通讯错误分级检测机制、通讯故障的自动判别和恢复功能。
3 Devicenet总线技术介绍
3.1 Devicenet的物理层和物理媒体
Devicenet物理层协议规范定义了DeviceNet的总线拓扑结构及网络元件，具体包括系统接地、粗缆和细缆混合结构、网络端接地和电源分配。DeviceNet所采用的典型拓扑结构是干线－分支方式，如图1所示。

图1 Devicenet现场总线拓扑结构
线缆包括:粗缆(多用作干线)和细缆(多用于分支线)。总线的线缆包括24V直流电源线和信号线两组双绞线以及信号屏蔽线。在设备连接方式上，可灵活选用开放式和密封式的连接器。网络采取分布式供电方式，支持冗余结构。总线支持有源和无源设备，对于有源设备提供专门设计的带有光隔离的收发器。
3.2 Devicenet与CAN
Devicenet总线协议是在CAN总线的基础上建立起来的。DeviceNet的数据链路层完全遵循CAN规范的定义，并通过CAN控制器芯片实现。CAN定义了四种帧格式，分别为数据帧、远程帧、出错帧和超载帧，在DeviceNet上传输数据采用的是数据帧格式，远程帧格式在DeviceNet中没有被使用，超载帧和出错帧则被用于意外情况的处理。数据帧格式如图2所示:

图2 Devicenet的数据帧格式
CAN规范定义总线数值为两个互补逻辑数值之一:“显性”(逻辑0)和“隐性”(逻辑l)。任何发送设备都可以驱动总线为“显性’:当“显性”和“隐性”位同时发送时，最后总线数值将为“显性”。仅当总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态。
在总线空闲时每个节点都可尝试发送，但如果多于两个的节点同时开始发送，发送权的竞争需要通过11位标识符的逐位仲裁来解决。Devicenet采用载波侦听非破坏性逐位仲裁机制(CSMA/NBA)的方法解决总线访问冲突问题。网络上每个节点拥有一个唯一的11位标识符，这个标识符的值决定了总线冲突仲裁时节点优先级的高低。11位标识符数值最小的节点拥有最高的优先级，作为获胜的一方，可不受影响地继续传输数据，所以这种碰撞和仲裁并未造成数据帧的损坏，即不会浪费通信资源。同时可以看到，由于标识符数值低的节点具有较高的优先权，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在CAN总线的基础上又增加了面向对象、基于连接的现代通信技术理念，并开发了应用层。其应用层规定了CAN数据帧的使用方式、节点重复地址检测机制、对象模型及设备的标准化。
3.3 Devicenet网络通信模型
在现场总线中有两种常用的通信模式，一种是传统的源/目标(Source/Destination)即点对点模式，另外一种是新型的生产/消费者(Producer/Customer)模式。
以前的通信模式使用点对点的方式进行通信，在报文中含有特定的源/目标地址信息，如图3(a)所示。对于每个节点来说，数据在不同时刻到达，实现不同节点之间的同步是非常困难的，当信息目的地不同时，源节点必须多次发送数据给不同的目标节点，从而造成了带宽的损失。
而Devicenet中采用了全新的生产者/消费者网络模型，其典型的报文结构如图3(b)所示。

图3 现场总线通信模式
在生产者/消费者模型中，报文按其内容来标识，如果某个节点要接收一个报文，仅仅需识别与此报文相关的特定的标识符(即11位标识符，连接ID)，每个报文不再需要源地址和目的地址。因为报文是按内容进行标识的，数据源只需将报文发送一次，许多需用此报文的节点通过在网上同时识别这个标识符，可同时从同一生产者取用(消费)此报文，有效地提高了网络带宽的利用率，并且消费者节点之间可实现精确的同步，适合于实时交换数据。其它的设备加入网络后并不增加网络负载，因为它们同样可以消费这些相同的报文。当节点发送多个报文时，对每个报文使用不同的标识符。
3.4 Devicenet的报文
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(Explicit Message)
显式报文用于两个设备之间多用途的信息交换，是典型的请求-响应通信方式，一般用于节点的配置、故障情况报告和故障诊断。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。显式报文通常使用优先级低的连接标识符，并且该报文的相关信息直接包含在报文数据帧的数据场中，包括要执行的服务和相关对象的属性及地址。
(2) I/O报文(I/O Message)
I/O报文适用于实时性要求较高和面向控制的数据，I/O报文对传送的可靠性，送达时间的确定性及可重复性有很高的要求。I/O报文通常使用优先级高的连接标识符，通过点或多点连接进行信息交换。I/O报文数据帧中的数据场不包含任何与协议相关的位，仅仅是实时的I/O数据。只有当I/O报文过长，需要分段形成I/O报文片段时，数据场中才有1个字节供报文段协议使用。
3.5 Devicenet中连接的概念
Devicenet网络中，连接是一个重要概念。节点设备之间欲进行通信，必须先建立连接。DeviceNet网络中的任何一个设备欲和其它设备通信时，亦须先建立连接。当设备不想和已建立连接的某个设备通信时，它可通过发送释放连接或删除连接服务来断开连接。如果在某个特定的连接上长时间没有进行通信，这个通信将自动断开以释放资源。
在Devicenet网络中，每个连接用连接标识符来标识，它使用CAN规范中的11位仲裁区来定义。连接标识符包括设备媒体访问控制标识符 (MAC ID)和信息标识符(Message ID)。其中，MAC ID可通过硬件设定，也可通过软件来配置。标识符分为四组，如附表所示。
附表 Devicenet 连接标识符

这四种信息组优先级不同，其中信息组1优先级最高，通常用于发送设备的I/O报文，信息组4优先级最低，用于设备离线时的通信。传送信息时可据此选择相应的信息组。
3.6 Devicenet数据通信方式
Devicenet支持多种数据通信方式，如位选通(Bit-Strobe)、轮询(Poll)、状态改变COS (Change of State)和循环(Cyclic)等。
位选通方式下，利用8字节的广播报文，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。轮询方式下，I/O报文直接依次发送到各个从设备(点对点)。循环方式适用于一些模拟设备，可以根据设备信号发生的快慢，灵活设定循环进行通信的时间间隔，这样就可以大大降低对网络带宽的要求。状态改变方式用于离散的设备，使用事件触发方式，当设备状态发生改变时才发生通信，而不是由主设备不断的查询来完成。
多种可选的数据交换形式，均可由用户自由地指定。通过选择合理的数据通信方式，可以明显地提高网络利用率。
3.7 预定义的主/从连接组
Devicenet提供了一个功能很强的应用层协议，允许动态配置设备间的连接。而在实际使用中，许多对象的应用情况往往很简单，常用的主/从连接方式足以满足要求。为此DeviceNet定义了一个预定义主/从连接组和仅限组2的从站，以降低从站的成本和简化设备的配置。
预定义主/从连接组用于主/从连接式通信，并预先定义好各报文组内一些通信道的功能。在使用前，主站需要通过主/从连接组分配请求服务和从站的应答来明确主从关系，并通过分配选择的设置明确所采用的报文传送机制(位选通、轮询、状态改变、循环、显式)。而对于不具有未连接信息管理(UCMM)能力的从站，称为仅限组2从站，它没有能力接收通常的未连接显式报文，只能通过预定义主/从连接组内预留的未连接显式请求报文(组2，报文ID=6)和从站的显式/未连接响应报文(组2，报文ID=3 )来实现预定义主/从连接的分配或删除。
3.8 Devicenet的对象模型
Devicenet对象模型如图4所示，它提供了组织和实现DeviceNet产品的组件属性、服务和行为的简便模板，它为每个属性提供了由4个数字组成的寻址方案，它们分别是MAC ID、对象类标识符、实例编号和属性编号。这四级地址与显式报文连接相结合，将数据从DeviceNet网络上的一点传送到另一点。

图4 Devicenet对象模型
Devicenet为了对各个对象及其中的类、实例、属性等进行寻址，提供了以下几种寻址标识符:
(1) 质访问控制标识符(MAC ID):对Devicenet网段上的各个节点进行标识。
(2) 类标识符(Class ID):对Devicenet网段上的各个类进行标识。
(3) 实例标识符(Instance ID):对同一个类中的各个实例进行标识。
(4) 属性标识符(Attribute):对同一对象中的各个属性进行标识。
3.9 Devicenet设备描述
为实现不同制造商生产的同类设备的互换性、互操作性和功能的一致性，Devicenet对直接连接到网络上的每类设备都定义了设备描述。设备描述是从网络角度对设备内部结构的说明，凡是符合同一设备描述的设备均具有同样的功能，生产或消费同样的I/O数据，包含相同的可配置数据。设备描述说明设备使用哪些DeviceNet对象库中的对象、哪些制造商特定的对象以及关于设备特性的信息。设备描述的另一个要素是对设备的网络上交换的I/O数据的说明，包括I/O 数据格式及其在设备内所代表的意义。除此之外，设备描述还包括设备可配置参数的定义和访问这些参数的公共接口。
Devicenet协议规范还允许厂商提供电子数据表EDS(Electronic Data Sheet)，以文件的形式记录设备的一些具体的操作参数等信息，便于在配置设备时使用。这样，来自第三方的DeviceNet产品就可以方便地连接到DeviceNet上。
Devicenet通过由ODVA成员参加的特别兴趣小组(SIG)发展它的设备描述。目前已完成了诸如交流驱动器、直流驱动器、接触器、通用离散用I/O、HMI、接近开关、限位开关、软驱动器、起动器、位置控制器、流量计等设备的描述。ODVA的SIG还在不断工作，增加设备描述的种类，以期使设备描述覆盖更多的产品范围，为用户带来更多的方便。
4 应用举例
一汽集团根据发展规划设计的基于Devicenet现场总线的一汽-大众BORA A4总装生产线控制系统，包含12条DeviceNet网络、200多个节点，总线长度达3000m，总体技术达到了国际先进水平，三年来的系统运行实践表明了:该系统功能强大、安全可靠、操作灵活，为一汽-大众公司创造了明显的经济效益，并大大提高了生产效率、自动化生产水平和管理水平，使得公司在激烈的市场竞争中处于领先地位。