Tutorial DeviceNet

 

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1 - Introdução

DeviceNet é um rede digital, multi-drop para conexão entre sensores, atuadores e sistema de automação industrial em geral. Ela foi desenvolvida para ter máxima flexibilidade entre equipamentos de campo e interoperabilidade entre diferentes vendedores.

Apresentado em 1994 originalmente pela Allen-Bradley, o DeviceNet teve sua tecnologia transferida para a ODVA em 1995. A ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) é uma organização sem fins lucrativos composta por centenas de empresas ao redor do mundo que mantém, divulga e promove o DeviceNet e outras redes baseadas no protocolo CIP (Common Industrial Protocol). Atualmente mais de 300 empresas estão registradas como membros, sendo que mais de 800 oferecem produtos DeviceNet no mundo todo.

A rede DeviceNet é classificada no nível de rede chamada devicebus, cuja características principais são: alta velocidade, comunicação a nível de byte englobando comunicação com equipamentos discretos e analógicos e alto poder de diagnostico dos devices da rede (como mostrado na figura 1.1).

 

 

Figura 1.1: Cenários Tecnológicos - Fonte: ATAIDE, F.H. (2004)

Figura 1.1: Cenários Tecnológicos - Fonte: ATAIDE, F.H. (2004)

 

A tecnologia DeviceNet é um padrão aberto de automação com objetivo de transportar 2 tipos principais de informação:

  • dados cíclicos de sensores e atuadores, diretamente relacionados ao controle e,
  • dados acíclicos indiretamente relacionados ao controle, como configuração e diagnóstico.

Os dados cíclicos representam informações trocadas periodicamente entre o equipamento de campo e o controlador. Por outro lado, os acíclicos são informações trocadas eventualmente durante configuração ou diagnóstico do equipamento de campo.

A camada física e de acesso da rede DeviceNet é baseada na tecnologia CAN (Controller Area Network) e as camadas superiores no protocolo CIP, que define uma arquitetura baseada em objetos e conexões entre eles.

O CAN originalmente foi desenvolvido pela BOSCH para o mercado de automóvel Europeu para substituir os caros chicotes de cabo por um cabo em rede de baixo custo em automóveis. Como resultado, o  CAN tem resposta rápida e confiabilidade alta para aplicações principalmente nas áreas automobilística.

Uma rede DeviceNet pode conter até 64 dispositivos onde cada disposito ocupa um nó na rede, endereçados de 0 a 63. Qualquer um destes pode ser utilizado. Não há qualquer restrição, embora se deva evitar o 63, pois este costuma ser utilizado para fins de comissionamento.

Um exemplo de rede DeviceNet é mostrada  na figura abaixo.

Figura 1.2: Exemplo de Rede DeviceNet
Figura 1.2: Exemplo de Rede DeviceNet

 

1.2 - Características da rede

  • Topologia baseada em tronco principal com ramificações. O tronco principal deve ser feito com o cabo DeviceNet grosso, e as ramificações com o cabo DeviceNet fino ou chato. Cabos similares podem ser usados desde que suas características elétricas e mecânicas sejam compatíveis com as especificações dos cabos padrão DeviceNet.
  • Permite o uso de repetidores, bridges, roteadores e gateways.
  • Suporta até 64 nós, incluindo o mestre, endereçados de 0 a 63 (MAC ID).
  • Cabo com 2 pares: um para alimentação de 24V e outro para comunicação.
  • Inserção e remoção à quente, sem perturbar a rede.
  • Suporte para equipamentos alimentados pela rede em 24V ou com fonte própria.
  • Uso de conectores abertos ou selados.
  • Proteção contra inversão de ligações e curto-circuito.
  • Alta capacidade de corrente na rede (até 16 A).
  • Uso de fontes de alimentação de prateleira.
  • Diversas fontes podem ser usadas na mesma rede atendendo às necessidades da aplicação em termos de carga e comprimento dos cabos.
  • Taxa de comunicação selecionável :125,250 e 500 kbps.
  • Comunicação baseada em conexões de E/S e modelo de pergunta e resposta.
  • Diagnóstico de cada equipamento e da rede.
  • Transporte eficiente de dados de controle discretos e analógicos.
  • Detecção de endereço duplicado na rede.
  • Mecanismo de comunicação extremamente robusto a interferências eletromagnéticas.


1.2.1 - Protocolo DeviceNet

DeviceNet é uma das três tecnologias abertas e padronizadas de rede, cuja camada de aplicação usa o CIP (Common Application Layer). Ao lado de ControlNet e EtherNet/IP, possuem uma estrutura comum de objetos. Ou seja, ele é independente do meio físico e da camada de enlace de dados. Essa camada de aplicação padronizada, aliada a interfaces de hardware e software abertas, constitui uma plataforma de conexão universal entre componentes em um sistema de automação, desde o chão-de-fábrica até o nível da internet.  A Figura 1.2 mostra um overview do CIP dentro do modelo OSI.


Figura 1.3 - O modelo OSI dos objetos do CIP (fonte: ODVA) 
Figura 1.3 - O modelo OSI dos objetos do CIP (fonte: ODVA)

CIP tem dois objetivos principais:

  • Transporte de dados de controle dos dispositivos de I/O.
  • Transporte de informações de configuração e diagnóstico do sistema sendo controlado.

Um nó DeviceNet é então modelado por um conjunto de objetos CIP, os quais encapsulam dados e serviços e determinam assim seu comportamento.

 

O Modelo de Objeto

Um nó DeviceNet é modelado como uma coleção de objetos. Um objeto proporciona uma representação abstrata de um componente particular dentro de um produto. Um exemplo de objeto e uma classe de objeto têm atributos (dados), fornecem serviços (métodos ou procedimentos), e implementa comportamentos. Atributos, exemplos, classe e endereço de nó (0-63) são endereçados por número.

Existem objetos obrigatórios (todo dispositivo deve conter) e objetos opcionais. Objetos opcionais são aqueles que moldam o dispositivo conforme a categoria (chamado de perfil) a que pertencem, tais como: AC/DC Drive, leitor de código de barras ou válvula pneumática. Por serem diferentes, cada um destes conterá um conjunto também diferente de objetos.

Para maiores informações, consulte a especificação do DeviceNet (www.odva.org)

 

 A camada de link de dados (Data link layer)

Devicenet utiliza o padrão CAN na camada de link de dados.O mínimo overhead requerido pelo protocolo CAN no data link layer faz o DeviceNet eficiente no tratamento de mensagens. Frame de dados DeviceNet utiliza somente o tipo de frame de dados do protocolo CAN (dentre outros existentes no protocolo CAN). O protocolo utiliza um mínimo de largura de banda para transmissão das mensagens CIP. O formato do frame de dados DeviceNet é mostrado na figura 1.4

 

Figura 1.4 - Formato do frame de dados
Figura 1.4 -  Formato do frame de dados

 

1.2.2 - Modos de Comunicação

O protocolo DeviceNet possui dois tipos básicos de mensagens, cyclic I/O e explicit message. Cada um deles é adequado a um determinado tipo de dado, conforme descrito abaixo:

  • Cyclic I/O: tipo de telegrama síncrono dedicado à movimentação de dados prioritários entre um produtor e um ou mais consumidores. Dividem-se de acordo com o método de troca de dados. Os principais são:
    • Polled: método de comunicação em que o mestre envia um telegrama a cada um dos escravos da sua lista (scan list). Assim que recebe a solicitação, o escravo responde prontamente a solicitação do mestre. Este processo é repetido até que todos sejam consultados, reiniciando o ciclo.
    • Bit-strobe: método de comunicação onde o mestre envia para a rede um telegrama contendo 8 bytes de dados. Cada bit destes 8 bytes representa um escravo que, se endereçado, responde de acordo com o programado.
    • Change of State: método de comunicação onde a troca de dados entre mestre e escravo ocorre apenas quando houver mudanças nos valores monitorados/controlados, até um certo limite de tempo. Quando este limite é atingido, a transmissão e recepção ocorrerão mesmo que não tenha havido alterações. A configuração desta variável de tempo é feita no programa de configuração da rede.
    • Cyclic: outro método de comunicação muito semelhante ao anterior. A única diferença fica por conta da produção e consumo de mensagens. Neste tipo, toda troca de dados ocorre em intervalos regulares de tempo, independente de terem sido alterados ou não. Este período também é ajustado no software de configuração de rede.
  • Explicit Message: tipo de telegrama de uso geral e não prioritário. Utilizado principalmente em tarefas assíncronas tais como parametrização e configuração do equipamento.

 

1.2.3 - Arquivo de Configuração

Todo nodo DeviceNet possui um arquivo de configuração associado, chamado EDS (Electronic Data Sheet). Este arquivo contém informações importantes sobre o funcionamento do dispositivo e deve ser registrado no software de configuração de rede.

 

1.3 - Camada Física e Meio de Transmissão

DeviceNet usa uma topologia de rede do tipo tronco/derivação que permite que tanto a fiação de sinal quanto de alimentação estejam presentes no mesmo cabo. Esta alimentação, fornecida por uma fonte conectada diretamente na rede, e possui as seguintes características:

  • 24Vdc;
  • Saída DC isolada da entrada AC;
  • Capacidade de corrente compatível com os equipamentos instalados.
  • O tamanho total da rede varia de acordo com a taxa de transmissão (125,250, 500Kbps)

 
Consulte também o documento “DeviceNet Cable System - Planning and Installation Manual - www.odva.org” para mais informações sobre instalação da rede DeviceNet.

 

1.3.1 - Topologia da rede

As especificações do DeviceNet definem a topologia e os componentes admissíveis. A variedade de topologia possíveis é mostrada na figura à seguir.



Figura 1.5 - Topologias possíveis com a rede DeviceNet

 

A especificação também trata do sistema de aterramento, mix entre cabo grosso e fino (thick e thin), terminação, e alimentação de energia.

A topologia básica tronco-derivação (“trunkline-dropline”) utiliza 1 cabo (2 pares torcido separados para alimentação e sinal). Cabo grosso (thick) ou fino (thin)  podem ser usados para trunklines ou droplines. A distância entre extremos da rede varia com a taxa de dados e o tamanho do cabo

TAXA DE DADOS

125 Kbps

250 Kbps

500 Kbps

Comprimento para barramento principal com cabo grosso (“thick-trunk”)

500 m

250 m

100 m

Comprimento para barramento principal com cabo fino (“thin-trunk”)

100 m

100 m

100 m

Comprimento máximo para 1 derivação do barramento principal  (“maximum-drop”)

6 m

6 m

6 m

Comprimento acumulado das derivações do barramento principal  (“cumulative-drop”)

156 m

78 m

39 m

 

1.3.2 - Cabos

Há 4 tipos de cabos padronizados: o grosso, o médio, o fino e o chato. É mais comum o uso do cabo grosso para o tronco e do cabo fino para as derivações.

Figura 3.66 - Anatomia dos cabos padrão DeviceNet
Figura 3.66 - Anatomia dos cabos padrão DeviceNet

Figura 3.66 - Anatomia dos cabos padrão DeviceNet

 

Os cabos DeviceNet mais usados (fino e grosso) possuem 5 condutores identificados e utilizados de acordo com a tabela seguinte:

Cor do fio
Sinal
Cabo redondo
Cabo chato

Branco

CAN_H

Sinal DN

Sinal DN

Azul

CAN_L

Sinal DN

Sinal DN

Fio nu

Dreno

Blindagem

Não usado

Preto

V-

Alimentação

Alimentação

Vermelho

V+

Alimentação

Alimentação

Tabela 1 - Esquema de cores dos cabos DeviceNet

 


Figura 3.67 - Vista dos componentes do cabo padrão DeviceNet


Pontos de alimentação (“Power Taps”) podem ser acrescentados em qualquer ponto da rede tornando possível a redundância da alimentação na rede. A corrente no “Trunkline” é 8 amps (com cabo grosso “thick”). No cabo tipo “thin” a corrente máxima é de 3 amps. Uma opção opto-isolado de projeto permite dispositivos energizados externamente (por ex.: partidas de drivers AC e válvulas solenóides) compartilhar o mesmo cabo do bus. Outras redes baseadas em CAN permitem somente uma única fonte de alimentação para a rede inteira.

Os dispositivos podem ser alimentados diretamente da rede e comunicam-se com o mesmo cabo. Nós podem ser removido ou inseridos da rede sem desligar a rede.

 

1.3.3 - Conectores

Há três tipos básicos de conectores: o aberto, o selado mini e o selado micro. O uso de um ou de outro depende da conveniência e das características do equipamento ou da conexão que deve ser feita. Veja nas figuras seguintes a codificação dos fios em cada tipo.


Figura 3.67 - Conector aberto (open style)

 

Figura 3.68 - Conector selado mini
Figura 3.69 - Conector selado micro

 

1.3.4 - Terminadores da rede

As terminações na rede DeviceNet ajudam a minimizar as reflexões na comunicação e são essenciais para o funcionamento da rede. Os resistores de terminação (121W, 1%, ¼ W) devem ser colocados nas extremidades do tronco, entre os fios CAN_H e CAN_L (branco e azul).

  • Não coloque o terminador dentro de um equipamento ou em conector que ao ser removido também remova o terminador causando uma falha geral na rede. Deixe os terminadores sempre independentes e isolados nas extremidades do tronco, de preferência dentro de caixas protetoras ou caixas de passagem.
  • Para verificar se as terminações estão presentes na rede, meça a resistência entre os fios CAN_H e CAN_L (branco e azul) com a rede desenergizada: a resistência medida deve estar entre 50 e 60 Ohms.



Figura 3.70 - Ligação dos resistores de terminação

 

1.3.5 - Derivadores “TAPS”

Existem vários tipos de derivadores “TAPS” para serem conectados em uma rede do tipo DeviceNet. Estes derivadores permitem ligar os vários elementos da rede. Classificam-se como:

1.3.5.1 - Derivação T “T-Port TAP “

O derivador “T-Port” conecta um dispositivo simples ou uma linha de derivação “drop line”  através de  um conector estilo plug-rápido.

 

1.3.5.2 - Derivação de dispositivo “Device-Port”

“DevicePort” são componentes selados que conectam ao “trunk line” via “drop line” através de conectores de desconexão rápida somente dispositivos compatíveis a rede DeviceNet. Existem DevicePort para conectar 4 ou 8 dispositivos.

   

1.3.5.3 - Derivação tipo box “DeviceBox”

“DeviceBox” são elementos passivos que conectam diretamente os dispositivos DeviceNet no “Trunk Line” através de conexões de terminais para até 8 nós. Eles possuem tampa removível selada que permite montagem em máquina ou no chão de fábrica.

   

1.3.5.4 - Derivação de Alimentação “PowerTap”

O “PowerTap” possue proteção de sobre corrente para o cabo tipo “thick” (grosso). Com proteção a diodo é possível utilizar vários “PowerTaps” permitindo assim o uso de várias fontes de alimentação.

 

 

1.3.6 - Leds Indicadores

Embora um produto DeviceNet não necessite ter indicadores, se este produto possuir indicadores, devem aderir à Especificação de DeviceNet. É recomendado que ou um Led de Estado do Módulo “Module Status” e um  Led de Estado da Rede “Network Status”, ou uma combinação dos dois seja incluído.

O(s) indicador (s) consiste em um Led bicolor (verde/vermelho) que pode ter combinações de ligado, desliga e piscando. O Led de Estado do Módulo “Module Status” indica se o dispositivo tem alimentação e está operando adequadamente. O Led de Estado da Rede “Network Status” indica o estado do link de comunicação.

Para mais informação, visite também o site da ODVA
http://www.odva.org/