DeviceNet je digitální, vícesběrnicová síť, která primárně slouží jako komunikační síť mezi průmyslovými řídícími systémy (PLC, PAC, Embedded PC) a ostatní I/O zařízení. Každé připojené zařízení v síti lze označovat jako jeden uzel (node) a komunikační hierarchie je postavena na OSI modelu (Open Systems Interconnection model). DeviceNet komunikace pracuje na ojedinělém principu poskytovatel/příjemce, což umožňuje podporu mnoha komunikačních hierarchií a širokou priorizaci komunikace a přenosu dat mezi zařízeními. Síť může být nakonfigurována pro komunikaci stylem Master-Slave nebo jako distribuovaná řídící architektura komunikující přímým stylem peer-to-peer. Výhodou je pak možnost napájení jednotek přímo po sběrnici. Komunikační standard DeviceNet pro svůj účel využívá standard CAN (Controller Area Network) na úrovni 2. vrstvy (linkové) OSI modelu a standard CIP™ (Common Industrial Protocol) pro 5. a vyšší vrstvy OSI modelu.

DeviceNet sběrnice byla již počátku navržena jako stabilní síť s vysokým výkonem a spolehlivostí pro průmyslové aplikace. Již od počátku je DeviceNet otevřený standard zaštiťovaný sdružením ODVA, která spojuje firmy (přes 700), které se na dalším vývoji podílí, a které implementovali DeviceNet do svých výrobků. Navíc výrobky a zařízení touto organizací označené jako DeviceNet CONFORMANCE TESTED® products, které mají certifikát "official Declaration of Conformity from ODVA" a splňují 100% všechny parametry sběrnice. Jsou tedy plně kompatibilní s jinými, takto označenými výrobky, využívající DeviceNet.

ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKA

Charakteristické rysy standardní konfigurace lze shrnout do následujících bodů:

• Přenos dat s volitelnou rychlostí 125, 250 nebo 500 kb/s.
• Volitelná maximální velikost sítě (end-to-end network distance ) v rozsahu 100 až 500 m.
• Volba zda galvanicky oddělené nebo neoddělené fyzické rozhraní.
• Možnost napájení jednotek po sběrnici.
• Datové pakety s volitelnou délkou 0 až 8 bajtů.
• Protokol pro vytváření rámců z větších bloků dat.
• Řízení komunikace Multi-Master a Master-Slave nebo peer-to-peer s možností Multi-Cast přenosu.
• Využití standardu CAN na 2. vrstvě OSI modelu.
• Použití standardu CIP na 5. a vyšších vrstvách.

STRUKTURA KOMUNIKACE dle OSI modelu

Samotný model komunikace je založen na RM-OSI modelu (Open Systems Interconnection Reference
Model) z důvodu uplatnění více komunikačních standardů.

Tab. 1. OSI-Model průmyslové sběrnice DeviceNet

Fyzická vrstva

DeviceNet využívá sběrnicovou topologii zde označovanou jako trunk-line/drop-line topology, tzn. topologie s páteřovým vedením a odbočkami (viz obr 1). Jako médium se využívá oddělených zkroucených párů vodičů (twisted pair busses) a to pro přenos dat i případně napájení připojených jednotek. Páteřní vedení (Trunk Line) je na obou koncích zakončeno terminály definovanými rezistory 121 Ohms, 1%, 1/4W. Samotné fyzické vodiče mohou být "silné" (thick - vnější průměr 12.2 mm), "slabé" (thin - vnější průměr 6.9 mm) nebo plochý kabel s rozměry 19.3 mm x 5.3 mm.

Z hlediska propojování jsou definovány následující zkroucené páry:

• červený a černý pro napájení 24V DC
• modrý a bílý pro přenos signálu

Na obrázku 2. je příklad definovaných konektorů pro fyzickou vrstvu sběrnice DeviceNet. Mohou to být šroubovací svorkovnice, pevně připevněné dráty nebo dva typy rozpojitelných konektorů.

Linková vrstva

Linková vrstva sběrnice DeviceNet je převážně definována specifikací standardu CAN a i použitím tzv. CAN Controller chipů v hardwarové realizaci DeviceNet rozhraní zařízení. Tím jsou podle CAN specifikovány i logické úrovně signálu na tzv. dominantní úroveň (dominant level ) reprezentující log.0 a trvalá neaktivní úroveň (recessive level) reprezentující log. 1. Každý vysílač budí sběrnici do dominantního stavu a sběrnice se trvale nachází v neaktivní úrovni, když žádný vysílač, resp. jednotka, nevysílá. CAN specifikace definuje 4 rámce, ale pouze datového rámce (obrázek 3.) se využívá ve specifikaci DeviceNet pro přenos dat.

CAN je síť s přístupem typu CSA (Carrier Sense Access), kdy může libovolná jednotka začít vysílat, když je na sběrnici klid (tj. nepřenáší se žádná data). To umožňuje deklarovanou možnost komunikace peer-to-peer (point-to-point). V případě, že se rozhodne více jednotek vysílat ve stejnou dobu, existuje zde bitově orientovaný rozhodovací algoritmus (bitwise arbitration mechanism), který vyřeší konflikt bez ztráty dat. Všechny jednotky na síti jsou synchronizovány hranou Start of Frame bitu. K usnadnění řízení priority přístupu na sběrnici se využívá tzv. Arbitration Field (Rozhodovací pole). Každé vysílající zařízení zároveň přijímá co vysílá a kontroluje si tak shodu dat na sběrnici s daty, které vysílá. To zamezuje současnému vysílání více zařízení najednou. Rozhodnutí, které zařízení bude vysílat dříve, se provede na základě 11bitového identifikátoru v Arbitration Field (obr. 4.). To zařízení, které má nejnižší číslo identifikátoru, může vysílat nejdříve. CAN také specifikuje 29bitový indentifikátor, který však DeviceNet nevyužívá.

Řídící pole (Control Field) obsahuje dva pevné bity a 4bitové pole. Číslo 0 až 8 v tomto poli udává počet bajtů v datovém poli (Data Field na obrázku 3.). Následuje pole kontrolního součtu CRC Sequence. Log. 1 v poli Ack Slot udává, zda mezi zdrojem a příjemcem leží alespoň jeden přijímač.

Síťová a Transportní vrstva

DeviceNet požaduje nejprve navázání a sestavení spojení se zařízením, s kterým bude komunikovat. Proto slouží jedna z funkcí "Unconnected Message Manager (UCMM)" a "Group 2 Unconnected Port". Obě provádí prakticky tu samou činnost, tzn. zakládají komunikaci mezi uzly (Explicit Messaging Connection) nebo tzv. přídavnou I/O komunikaci (additional I/O Connections) pro přenos I/O dat mezi zařízeními. Zde všechny DeviceNet I/O zprávy využívají 11bitový CAN identifikátor na obrázku 4. Vše ostatní ve zprávách jsou již jen data.

Identifikátor definuje propojovací číslo (Connection ID), které unikátně definuje propojení a komunikaci typu poskytovatel/příjemce (producer/consumer). Zde primárně nerozhoduje adresa cíle, ale naopak adresa zdroje. Tento identifikátor je rozdělen na 4 skupiny, které definují skupinu zpráv (Message Group - viz obr. 4.). První tři definující skupinu a obsahují dvě pole. Jedno je 6bitové pole obsahující adresu zdroje (MAC ID) a druhé (4 bity) obsahuje tzv. číslo skupiny zprávy (Group Message ID). Kombinací obou vznikne propojovací ID (Connection ID). Zprávy skupiny 1 a 3 (Message Group 1 and 3) jsou určeny k distribuci mezi více zařízení v síti, a proto první v pořadí je číslo skupiny zprávy. Při současném přístupu na sběrnici více zpráv 1 a 3 pak rozhoduje adresa vysílajícího zařízení (MAC ID). Zprávy skupiny 2 (Group Message 2) mají vyšší prioritu než zprávy 3 a 4 a jsou určeny ke komunikaci a přenosu dat peer-to-peer (uzel-uzel). Proto zde hlavně rozhoduje MAC adresa zařízení vysílajícího nebo přijímacího. Komunikující zařízení může být libovolně Klient nebo Server nebo oboje. Typický klient komunikuje prostřednictvím žádostí poskytovatele a odpovědi příjemce. Naopak server hlavně využívá žádostí příjemce a odpovědí poskytovatele, ale DeviceNet umožňuje různé variace tohoto modelu. Například některé komunikace klient/server mohou využívat jen zprávy příjemce. Tyto propojení bývají obvykle cílem tzv. cyklických zpráv (Cyclic messages) nebo zpráv změny stavu (Change-of-State messages). To jsou multicast zprávy pro více nebo všechny jednotky/uzly.

Vyšší vrstvy OSI + Aplikační vrstva

Pro tyto vrstvy OSI modelu se využívá Common Industrial Protocol, zkráceně CIP (viz. obrázek 5.). CIP je striktně objektově orientovaný protokol, kde každý objekt se skládá z atributů (data), služeb (příkazy) a chování (reakce na události). Dále jsou definovány dva rozdílné obecné typy objektů: komunikační objekty (communication objects) a aplikačně-specifické objekty (application-specific objects). Navíc může každý výrobce definovat ještě vlastní objekt (Vendor-specific objects), který umožňuje implementovat situace, které nejsou standardní součástí specifikace. Výhodou CIP pro programátora aplikace je absolutní nezávislost na realizaci sítě a připojeném zařízení (viz obrázek 5.).

Obr. 5. CIP - vyšší vrstvy OSI modelu sítě DeviceNet

CIP také definuje profily zařízení, které identifikuje minimální sada objektů, konfiguračních nastavení a I/O datových formátů pro rozdílné typy zařízení. Zařízení, které spadají do jednoho profilu budou mít stejné I/O data a konfigurační nastavení, budou se programově stejně chovat a reagovat na stejné příkazy. Profily podporované CIP a DeviceNet jsou v následující tabulce 3. DeviceNet také má mechanismus pro výrobce k začlenění jejich vlastních vlastností (objects, attributes, services) do profilu zařízení, ale začlenění podléhá velmi striktním podmínky dané DeviceNet specifikací.

Tab. 3. Typy zařízení podporované DeviceNet a CIP

CIP praktikuje model poskytovatel/příjemce (producer/consumer), který je více efektivní než tradiční model zdroj/cíl (source/destination). Vyslaná zpráva není identifikována klasicky cílovou adresou, ale propojovacím identifikačním číslem (connection ID). Více uzlů může přijmout data, na které se odkazuje právě connection ID. To přináší 2 výhody. Když uzel chce přijmout data, tak pouze jednou se na ně musí "zeptat", aby je pak již dostávala pravidelně, když jsou nové k dispozici. Když druhý, třetí atd. uzel chce ty stejná data, vše co potřebuje je přijmout connection ID, aby mohl současně s ostatními přijímat jednou vyslaná data. K takovým to "dotazům" a ke konfiguracím zařízení se využívají explicitní zprávy typu žádost/odpověď. Data se pak přenášejí pomocí I/O zpráv s vyšší prioritou než jsou explicitní zprávy.

Dále je možné předdefinovat Master-Slave propojení. Toto předdefinované schéma se označuje jako " the Predefined Master/Slave Connection Set". To zjednodušuje tradiční přenos I/O zpráv hodně užívané v řídících aplikacích. Výhodou této komunikace je existence nastavení již hned v okamžiku po připojení napájení a tak není nutné provést téměř žádné další kroky k vysílání dat od slave jednotky (např. senzoru) do jednotky definované ve spojení jako master. K přenosu dat se může použít jedné nebo více typů zpráv, v závislosti na konfiguraci propojení :

• I/O Poll - zpráva pro přenos dat mezi dvěma uzly (unicast) nebo master uzlem a více slave uzly (multicast). V případě komunikace typu multicast, slave jednotky přijímají data od master jednotky v sekvenčním pořadí, které je definováno tzv. Scan listu jednotky master
• Cyclic - Zařízení konfigurované k vysílání cyklické I/O zprávy vysílá svoje data v přesně definovaných intervalech. Tento typ zprávy umožňuje uživateli konfigurovat systém pro vysílání dat v přesně daných momentech, například v případech pravidelného odečítání nebo měření hodnot, a tím snížit množství nedatové komunikace na síti.
• Change-of-State - zařízení konfigurované na vysílání zpráv změn stavu (Chance-of-State = COS) vysílají data kdykoliv, když dojde k jejich změně nebo v pravidelných intervalech. Tento interval je široce nastavitelný. Touto komunikací se zamezí zbytečnému zaplavení komunikace v síti vysíláním dat, které se nemění a není je tedy nutné znovu vysílat.

Závěr

V tomto článku jsem se snažil ve velmi zkrácené podobě přiblížit funkci a parametry hojně využívané průmyslové sběrnice a sítě DeviceNet. Ta je dnes již běžnou součástí většiny malých i velkých řídících PLC, PAC a Embedded PC. Cílem nebyl přesný popis, ale spíše úvod pro ty, kteří o této sběrnici nic nevědí. Bližší a podrobnější informace pro případ bližší práce se sítí nebo implementace do zařízení najdete v následující položce Odkazy.

 Odkazy

• Stránky organizace ODVA - www.odva.org (zde lze nalézt pdf soubory s podrobnou současnou specifikací DeviceNet)
• Další články o průmyslových sběrnicích najdete na stránkách http://automatizace.hw.cz/rubriky/prumyslove-sbernice-komunikace