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Tutorial DeviceNet



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1 - Introducción

DeviceNet es una red digital, multi-punto para conexión entre sensores, actuadores y sistemas de automatización industrial en general. Esta tecnología fue desarrollada para tener máxima flexibilidad entre los equipos de campo e interoperabilidad entre diferentes fabricantes.

Introducido originalmente en 1994 por Allen-Bradley, DeviceNet transfirió su  tecnología a ODVA en 1995. La ODVA (Open DeviceNet VendorAssociation) es una organización sin fines de lucro compuesta porcentos de empresas alrededor del mundo que mantiene, difunde y promueve la tecnología DeviceNet y otras redes basadas en el protocolo CIP (Common Industrial Protocol). Actualmente más de 300 empresas están registradas como miembros, y 800 más ofrecen productosDeviceNet de todo el mundo.

La red DeviceNet está clasificada en el nivel de red llamada devicebus, cuyas características principales son: alta velocidad, comunicación a nivel de byte que incluye comunicación con equipos discretos y analógicos y el alto poder de diagnóstico de los dispositivos de la red (como se muestra en la figura 1.1).


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

 

La tecnología DeviceNet es un estándar abierto de automatización con el objetivo de transportar 2 tipos principales de información:

  • Datos cíclicos de sensores y actuadores, directamente relacionados al control y,
  • Datos no cíclicos indirectamente relacionados al control, como configuración y diagnóstico.

Los datos cíclicos representan la información intercambiada periódicamente entre el equipo de campo y el controlador. Por otro lado, los no cíclicos son informaciones intercambiadas eventualmente durante la configuración o diagnóstico del equipo de campo.

La capa física y de acceso a la red DeviceNet está basada en la tecnología CAN (Controller Area Network) y las capas superiores en el protocolo CIP, que define una arquitectura basada en objetos y conexiones entre ellos.

El CAN fue originalmente desarrollado por la BOSCH para el mercado de automóviles Europeos para sustituir el cableado costoso por un cable en red de bajo costo en automóviles. Como resultado, el  CAN tiene respuesta rápida y confiabilidad alta para aplicaciones principalmente en las áreas automovilística.

Una red DeviceNet puede tener hasta 64 dispositivos donde cada dispositivo ocupa un nodo en la red, direccionados de 0 a 63. Cualquier de ellos puede ser utilizado. No hay ninguna restricción para el uso de ellos, aunque el uso de los 63 no es recomendable, ya que se utiliza para la puesta en marcha.

Un ejemplo de red DeviceNet se muestra  en la figura siguiente.


Figura 1.2: Exemplo de Rede DeviceNet

Figura 1.2:
Exemplo de Rede DeviceNet

 

1.2 - Características de la red

  • Topología basada en bus principal con ramificaciones. El bus principal debe ser hecho con el cableDeviceNet grueso, y las ramificaciones con el cable DeviceNet delgado o plano. Cables similares podrán usarse siempre y cuando sus características eléctricas y mecánicas sean compatibles con las especificaciones de los cables estándar DeviceNet.
  • Permite o uso de repetidores, bridges, ruteadores y gateways.
  • Suporta hasta 64 nodos, incluyendo el maestro, direccionados de 0 a 63 (MAC ID).
  • Cable de 2 pares: uno para alimentación de 24V y otro para comunicación.
  • Capacidad de insertar y cambiar en caliente, sin interrumpir a la red.
  • Compatible con equipos alimentados por la red de 24V o como que tengan su propia fuente.
  • Uso de conectores abiertos o cerrados.
  • Protección contra conexión inversa y corto-circuito.
  • Alta capacidad de corriente en la red (hasta 16 A).
  • Usa la misma energía de la fuente de alimentación.
  • Varias fuentes pueden ser usadas en la misma red para satisfacer las necesidades de la aplicación en términos de carga y la longitud de los cables.
  • Velocidad de comunicación seleccionable: de 125,250 y 500 kbps.
  • Comunicación basada en conexiones de E/S y modelo de pregunta y respuesta.
  • Diagnóstico de cada equipo y de la red.
  • Transporte eficiente de datos de control discretos y analógicos.
  • Detección de direccionamiento duplicado en la red.
  • Mecanismo de comunicación extremamente robusto para interferencias electromagnéticas.


1.2.1 - Protocolo DeviceNet

DeviceNet es una de las tres tecnologías de redes abiertas y estandarizadas, cuya capa de aplicación usa el CIP (Common Application Layer – Capa de Aplicación Común). Al lado de ControlNet y EtherNet/IP, posee una estructura común de objetos. Es decir, es independiente del medio físico y de la capa de enlace de datos. Esta capa es una capa de aplicación estándar, integrada a interfaces de hardware y software abiertas, constituye una plataforma de conexión universal entre componentes en un sistema de automatización, desde la fábrica hasta el nivel de internet. La Figura 1.2 muestra una arquitectura del CIP dentro del modelo OSI.

 


Figura 1.3 - O modelo OSI dos objetos do CIP (fonte: ODVA) 
Figura 1.3 - El modelo OSI de los objetos del CIP (fuente: ODVA)


CIP tiene dos objetivos principales:

  • Transporte de datos de control de los dispositivos de I/O.
  • Transporte de informaciones de configuración y diagnóstico del sistema que se controla.

Un nodo DeviceNet es entonces modelado por un conjunto de objetos CIP, los cuales encapsulan datos y servicios y determinan así mismo su comportamiento.

El Modelo de Objeto

Un nodo DeviceNet es modelado como una colección de objetos. Un objeto proporciona una representación abstracta de un componente particular dentro de un producto. Un ejemplo de objeto y una clase de objeto tiene atributos (datos), que proporcionan los servicios (métodos o procedimientos), e implementan comportamientos. Atributos, ejemplos, clase y direccionamiento del nodo desde (0-63) son  direccionados por número.

Existen objetos obligatorios (que tienen todos dispositivos) y objetos opcionales. Los objetos opcionales son aquellos que moldean el dispositivo de acuerdo con su categoría (llamado perfil) a la que pertenecen, tales como: AC/DC Drive, lector de código de barras o válvula neumática. Por ser diferentes, cada uno de ellos tendrá también un conjunto diferente de objetos.

Para mayor información, consulte las especificaciones de DeviceNet en (http://www.odva.org/)

 La Capa de Enlace de Datos (Data link layer)

Devicenet utiliza el estándar CAN sobre la capa de enlace de datos. El gasto mínimo requerido por el protocolo CAN en la Capa Enlace de Datos mejora el trabajo de DeviceNet cuando se trata de mensajes. El marco de datos DeviceNet utiliza solamente el tipo de estructura de datos del protocolo CAN (entre otros existentes en el protocolo CAN). El protocolo utiliza un mínimo de banda para transmisión de los mensajes de CIP. El  formato de la estructura de datos DeviceNet se muestra en la figura 1.4

 

Figura 1.4 - Formato do frame de dados
Figura 1.4 -  Formato de la estructura de datos

 

1.2.2 - Modos de Comunicación

El protocolo DeviceNet tiene dos tipos básicos de mensajes, mensaje cíclico I/O y explícito. Cada uno de ellos es adecuado a un determinado tipo de dato, conforme se describe abajo:

  • Cíclic I/O: tipo de telegrama síncrono dedicado al procesamiento de datos prioritarios entre un productor y uno o más consumidores. Se dividen de acuerdo con el método de intercambio de datos. Los principales son:
    • Polled: método de comunicación en que el maestro envía un telegrama a cada uno de su lista de esclavos (scan list). Así mimo, en cuanto reciba la solicitud, el esclavo responde rápidamente a la solicitud del maestro. Este proceso es repetido hasta que todos sean consultados, reiniciando el ciclo.
    • Bit-strobe: método de comunicación donde el maestro envía un telegrama por la red con 8 bytes de datos. Cada bit de estos 8 bytes representa un esclavo que, se direcciona y responde de acuerdo con lo programado.
    • Cambio de Estado: método de comunicación donde el intercambio de datos entre el maestro y esclavo que ocurre cuando hubo cambios en los valores monitoreados/controlados, hasta un cierto límite de tiempo. Cuando este límite es alcanzado, la transmisión y recepción ocurren, incluso sin alteraciones. La configuración de esta variable de tiempo es hecha en el programa de configuración de la red.
    • Cíclico: otro método de comunicación muy semejante al anterior. La única diferencia está en la producción y consumo de mensajes. En este tipo, todo el intercambio de datos ocurre en intervalos regulares de tiempo, independiente de ser alterados o no. Este periodo también es ajustado en el software de configuración de la red.
  • Mensaje Explícito: tipo de telegrama de uso general y no prioritario. Utilizado principalmente en tareas asíncronas tales como parametrización y configuración del equipo.

 

1.2.3 - Archivo de Configuración

Todo nodo DeviceNet tiene un archivo de configuración asociado, llamado EDS (Electronic Data Sheet). Este archivo contiene informaciones importantes sobre el funcionamiento del dispositivo y debe ser registrado en el software de configuración de la red.

 

1.3 - Capa Física y Medio de Transmisión

DeviceNet usa una topología de red del tipo bus principal/derivación que permite que tanto para el cableado de la señal como el de la alimentación estén presentes en el mismo cable. Esta alimentación, es suministrada por una fuente conectada directamente en la red, y posee las siguientes características:

  • 24Vdc;
  • Salida DC aislada de la entrada AC;
  • Capacidad de corriente compatible con los equipos instalados.
  • El tamaño total de la red varía de acuerdo con la velocidad de transmisión (125,250, 500Kbps)


Consulte también el documento “DeviceNet Cable System – Manual de Planeación e Instalación Manual - para más información sobre la instalación de la red DeviceNet visite http://www.odva.org/

 

1.3.1 - Topología de la red

Las especificaciones de DeviceNet definen la topología y los componentes admisibles. La variedad de topologías posibles se muestra en la figura siguiente.





Figura 1.5 - Topologías posibles con la red DeviceNet


La especificación también trata del sistema de aterrizamiento, mezcla entre el cable grueso y delgado (thick ythin), terminadores, y energía de alimentación.

La topología básica con derivación Principal (“trunkline-dropline”) utiliza 1 cable (2 pares trenzados separados para alimentación y señal). El cable grueso (thick) o delgado (thin)  puede ser usado para líneas principales o verticales. La distancia entre los extremos de la red varía con la velocidad de datos y la longitud del cable.

VELOCIDAD DE DATOS

125 Kbps

250 Kbps

500 Kbps

Longitud del Bus principal con cable grueso (“thick-trunk”)

500 m

250 m

100 m

Longitud del Bus principal con cable delgado (“thin-trunk”)

100 m

100 m

100 m

Longitud máxima para 1 derivación del bus principal  (“maximum-drop”)

6 m

6 m

6 m

Longitud de las derivaciones agregadas al bus principal  (“cumulative-drop”)

156 m

78 m

39 m

 

1.3.2 - Cables

Hay 4 tipos de cables estandarizados: el grueso, mediano, delgado y plano. El más común o usado es el cable grueso para el bus y el cable fino para las derivaciones.



Figura 3.66 - Anatomia dos cabos padrão DeviceNet
Figura 3.66 - Anatomia dos cabos padrão DeviceNet
Figura 1.6 - Anatomia dos cabos padrão DeviceNet

 

Los cables DeviceNet más usados (delgado y grueso) tienen 5 conductores identificados y utilizados de acuerdo con la siguiente tabla:

Color del cable

Señal

Cable redondo

Cable chato

Blanco

CAN_H

Sinal DN

Sinal DN

Azul

CAN_L

Sinal DN

Sinal DN

Alambre desnudo

Dreno

Protección

No usado

Negro

V-

Alimentación

Alimentación

Rojo

V+

Alimentación

Alimentación

Tabla 1 - Esquema de colores de los cables DeviceNet




Figura 1.7 - Vista dos componentes do cabo padrão DeviceNet


Los Puntos de alimentación (“Power Taps”) que se pueden añadir en cualquier punto de la red haciendo posible la redundancia de la alimentación en la red. La corriente en la “Línea principal” es de 8 amperios (con cable grueso “thick”). En el cable tipo “delgado” la corriente máxima es de 3 amperios. Una opción opto-aislada del proyecto permite dispositivos energizados externamente (por ej.: el inicio de los conductores AC y válvulas solenoides) compartiendo el mismo cable del bus. Otras redes basadas en CAN permiten solamente una única fuente de alimentación para la red entera.

Los dispositivos pueden ser alimentados directamente de la rede y comunicarse con el mismo cable. Los nodos pueden ser removidos o insertados en la red sin desconectar la red.

 

1.3.3 - Conectores

Hay tres tipos básicos de conectores: abierto, mini-cerrado y micro-cerrado. El uso de uno o de otro depende de la aplicación y de las características del equipo o de la conexión que debe ser hecha. Veja en las figuras siguientes la codificación de los hilos en cada tipo.



Figura 3.67 - Conector aberto (open style)

 


Figura 3.68 - Conector mini-cerrado
Figura 3.69 - Conector micro-cerrado

 

1.3.4 - Terminadores de la red

Los terminadores en la rede DeviceNet ayudan a minimizar las reflexiones en la comunicación y son esenciales para el funcionamiento de la red. Los resistores de terminación (121W, 1%, ¼ W) deben ser colocados en los extremos del bus, entre los hilos CAN_H y CAN_L (blanco y azul).

  • No coloque el terminador dentro de un equipo o en el conector porque al ser movido también mueve el terminador causando una falla general en la red. Deje los terminadores siempre independientes y aislé los extremos del bus, de preferencia dentro de las cajas protectoras o cajas de paso.
  • Para verificar si los terminadores están presentes en la red, mida la resistencia entre los hilos CAN_H y CAN_L (blanco y azul) con la red desenergizada: la resistencia medida debe estar entre 50 y 60 Ohms.

Figura 3.70 – Conexión de los resistores de terminación

 

1.3.5 - Derivadores “TAPS”

Existen varios tipos de derivadores “TAPS” que pueden ser conectados en una red del tipo DeviceNet. Estos derivadores permiten combinar varios elementos de la red. Se clasifican como:

1.3.5.1 - Derivación en T "T-Port TAP"

El derivador “T-Port” conecta un dispositivo simple o una línea de derivación “línea caída”  a través de  un conector tipo conexión rápida.

 
1.3.5.2 - Derivación de dispositivo "Device-Port"

“DevicePort” son componentes sellados que conectan al “Bus de la línea” vía “línea caída” a través de conectores de desconexión rápida solamente dispositivos compatibles a  la red DeviceNet. Existen DevicePort para conectar 4 u 8 dispositivos.

   
1.3.5.3 - Derivação tipo box “DeviceBox”

“DeviceBox” son elementos pasivos que se conectan directamente a los dispositivos DeviceNet en “Trunk Line” a través de conexiones de terminales para hasta 8 nodos. Ellos poseen tapa removible sellada que permite montaje sobre la máquina o fábrica.

   
1.3.5.4 - Derivación de Alimentación “PowerTap”

El “PowerTap” posee protección de sobre corriente para el cable tipo “thick” (grueso). Con protección de diodo y es posible utilizar varios “PowerTaps” permitiendo así mismo el uso de varias fuentes de alimentación.


1.3.6 - Leds Indicadores

Aunque un producto DeviceNet no necesite tener indicadores, si este producto posee indicadores, deben cumplir con las Especificaciones de DeviceNet. Es recomendado un Indicador de Estado del Módulo “Estado del Módulo” y un  Indicador de Estado de la Red “Estado de la Red”, o una combinación de los ambos es recomendable.

El(s) indicador(s) consiste en un Led bicolor (verde/rojo) que puede tener combinaciones de On/Off y señales de parpadeo. El Led de Estado del Módulo “Module Status” indica si el dispositivo tiene alimentación y está operando adecuadamente. El Led de Estado de la Rede “Network Status” indica el estado del enlace de comunicación.

Para más información, visite también la página de la ODVA 
http://www.odva.org/