Rede DeviceNetDeviceNet 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).

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

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 dispositivo

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.

Exemplo de Rede DeviceNet

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.

Topologias

Topologia é o termo adotado para ilustrar a forma de conexão física entre os

participantes da rede, e exigem vários tipos mas nem todos são aplicáveis

a rede DeviceNet 

Branch Line

É a configuração básica da rede DeviceNet ,onde existe um cabo

principal,também chamado de linha tronco,e derivações que podem ser

efetuadas por conectores ou caixas de distribuição, utilizando-se cabo de

menor secção para as derivações.

Configuração Branch Line

Tree

A topologia em arvore pode ser executa da utilizando-se caixas de

distribuição onde

o troco principal da rede entra e sai, e as derivações são interligadas aos

equipamentos.

Configuração Tree

Não existe um limite para o número de derivações, mas somente um

máximo de estações ativas que se comunicam na rede

Line

Nada impede que o cabo principal da rede entre e saia dos equipamentos

formando uma rede em linha, mas deve-se atentar para o detalhe que na

necessidade de substituição de um equipamento causará a interrupção dos

outros equipamentos subseqüentes.

Configuração Line

Star

Esta aplicação não é permitida, além do que não tem muita aplicação prática,

pois não elimina a conexão de cada equipamento ao PLC

Configuração Star

Ring

Também não é permitida a implementação da rede DeviceNet  em anel,pois a

forma de propagação dos sinais digitais na rede necessita de terminadores .

Configuração Ring

Números de Estações Ativas

A rede DeviceNet  pode ter 64 equipamentos ativos, que utilizam o barramento

para se comunicar, endereçados de 0 a 63.Ressaltamos que este número

significa 64 equipamentos com comunicação CAN ligados ao mesmo meio

físico.No entanto deve-se observar que as caixas de derivação não ocupam

nenhum endereço na rede e os módulos de I/O, muitas vezes

independentemente do número de entrada e saídas ocupa somente um

endereço.

Sugerimos a utilização de no máximo 61 equipamentos e deixar os seguintes

endereços livres ao se fazer um novo projeto:

• 0 para o scanner;

• 62 para a interface microcomputador-rede

• 63 para novos equipamentos que venham a ser inclusos

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.

 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. 

 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

Formato do frame de dados

Protocolo

Neste capítulo iremos apresentar um breve resumo de como é a construção

das mensagens da rede DeviceNet  , proporcionando ao leitor

conhecimentos básicos de protocolo DeviceNet  , habilitando-o caso haja

interesse a se aprofundar no assunto através de literaturas

especializadas.Como citamos anteriormente, a rede DeviceNet  é baseada no

protocolo CAN, que obteve aceitação mundial como um protocolo muito versátil

e confiável, além de ser uma plataforma econômica para troca de dados

aplicáveis em sistemas móveis,máquinas, equipamentos técnicos e

automação industrial.Baseado na sofisticadas normas de protocolos de

alto nível, o protocolo CAN é feito na tecnologia de automação aberta, e

compete prosperamente em sistemas de automação distribuídos.Uma das

principais razões para o sucesso das tecnologias baseadas no protocolo CAN é

a capacidade de comunicação produtor-consumidor para transmissão dedados

e capacidade de trabalhar com multi-mestre. Com essas propriedades, o

protocolo CAN do ponto de vista técnico é muito atrativo para ser usado em

sistemas distribuídos

Camadas OSI:

O protocolo CAN pode ser mostrado de acordo com o modelo OSI, como

mostramos abaixo.

LAYER 1 : Responsável por funções como codificação, tempo de bit e

sincronização de bit

LAYER 2 : Responsável por funções como arbitração, frame de mensagem e

segurança de dados, validação de mensagens, detecção e sinalização de erros

e limites de falhas

Protocolo DeviceNet

A camada de conexão de dados da DeviceNet  é totalmente definida pela

especificação CAN e implementação por seus chips.São definidos dois estados

lógicos: recessivo (lógica 1) e dominante (lógica 0).Qualquer nó pode iniciar

uma transmissão levando o barramento do estado recessivo, condição sem

comunicação,para estado dominante (inicio do frame). Alguns tipos de frames

(mensagens) são definidos pelo protocolo CAN:

• Data Frame

• Overload Frame

• Remote Frame

• Error Frame

 A protocolo DeviceNet  utiliza somente o “ data frame ”, e os demais frames

não foram implementados.

CAN Data Frame

A figura abaixo representa o frame de dados da rede DeviceNet  , que em

outras palavras é o esqueleto de uma comunicação neste protocolo. A seguir

faremos uma breve explanação sobre cada campo desta frame.

Inicio do Frame

Todos os elementos da rede CAN são sincronizados na transição de recessivo

para dominante deste bit, para obter-se um sincronismo ideal entre todos os

nós presentes na rede.

Campo de Arbitração

O identificador e o bit RTR (Requisição de Transmissão Remota) formam o

campo de arbitração. O campo de arbitração é utilizado para facilitar o acesso

ao meio de transmissão. Como a rede DeviceNet não utiliza o bit RTR ele não

é considerado para determinar a prioridade de acesso. Quando um

equipamento transmite, ele também monitora (o outro equipamento envolvido

na comunicação retorna o bit que recebeu) o que foi enviado para confirmar

que é o mesmo bit, isto leva a detecção de transmissões simultâneas.

Se um determinado nó transmite um bit recessivo e recebe um bit dominante

enquanto estiver enviando o campo de arbitração, ele encerra a transmissão. O

vencedor com relação a arbitração entre dois nós transmitindo

simultaneamente é o com menor numero nos 11 bits do identificador. O

protocolo CAN também define no campo de dados um identificador com 29

bits, porém este tipo não é utilizado na rede DeviceNet.

Campo de Controle

Contém dois bits fixos e um campo com comprimento de 4 bits. O comprimento

deve ser algum numero entre 0 a 8 representando o numero de bytes no

campo dedados. O numero de bytes 0-8 é ideal para equipamentos com

pequeno numero de I/O que precisam ser enviados freqüentemente.

Seqüência de CRC

O campo de CRC é uma palavra de check-up com redundância cíclica usado

pelo controlador CAN para detectar erros de frame. Ele é computado pelos bits

anteriormente enviados.

Bit de Ack

Um bit dominante neste campo significa que pelo menos um receptor recebeu

a transmissão.

Final da Frame

Os bits recessivos do final da mensagem encerram o data frame.

Espaço entre Frames

O espaçamento entre frames é gerado por três bits recessivos (nível lógico1),

condição que é mantida sempre que não houver mensagens sendo

transmitidas.

Arbitração e Controle

Se dois ou mais nós tentam acessar a rede simultaneamente, o mecanismo de

arbitração resolve o conflito causado pela colisão dos dados (determinando um

vencedor) sem perda dos bits já transmitidos pelo nó de maior prioridade, pois

este possui os bits mais significativos do campo de arbitração em nível lógico

dominante. A rede Ethernet perde em eficiência, se comparada com a rede

CAN, pois no caso de colisão de dados determina-se a retransmissão total do

frame, perdendo-se os bits já transmitidos.

Erros de Comunicação

O protocolo CAN utiliza vários tipos de detecção de erros e falhas incluindo

CRC e retransmissões automáticas. Estes métodos, que são transparentes

para a aplicação, previnem contra erros de comunicação causados

principalmente por perturbações eletromagnéticas. Abaixo exemplificamos os

principais erros detectados pela rede DeviceNet

CRC Error

O nó transmissor sempre executa uma rotina de cálculos para cada mensagem

englobando todos os bits anteriores ao CRC, obtendo um resultado em 15 bits

representativo e diferente para cada mensagem, então este valor é enviado no

campo CRC do frame transmitido. Equipamento que recebe o frame de dados

executa inversamente a mesma seqüência de cálculos, e compara o valor

obtido com o valor lido no frame recebido, se os valores forem os mesmos

indica que a transmissão foi corretamente recebida, caso contrário ocorre o

erro de CRC e então a retransmissão da mensagem é solicitada.

Ack Error

Quando o nó transmissor chega ao bit de Ack, mantém no estado recessivo

(nível lógico 1) e se pelo menos um nós da rede receber a mensagem, força o

bit de Ack para o nível dominante (nível lógico 0).Como o transmissor não

forçou o bit para 0, como ele mesmo monitora também o barramento e

descobre que o bit está em 0 indicando que pelos menos um dos nós da rede

leu sua mensagem.Caso o transmissor encontre o bit de Ack em nível 1

(recessivo) indica que ninguém leu sua mensagem então providencia

imediatamente sua retransmissão.

Form Error

Ocorre quando qualquer bit do “cabeçalho” ou “rodapé”, bits antes e depois dos

dados da mensagem, que contenham um formato não esperado pelo receptor

da mensagem.

Bit 1 Error

Detectado pelo próprio transmissor da mensagem, quando ele envia um bit

recessivo e encontra um bit dominante via sua monitoração do barramento, a

mensagem então é retransmitida.

Bit 0 Error

Analogamente ao anterior, mas com o transmissor enviando um bit dominante

e encontra no barramento um bit recessivo.

Stuff Error

Ocorre sempre que são detectados 6 bits consecutivos com a mesma

“polaridade”até o CRC da mensagem, então ela é retransmitida.

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.

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.

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)

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.

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

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.

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 SinalCabo

redondoCabo 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

Esquema de cores dos cabos DeviceNet

 

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.

ConectoresHá 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.

Conector aberto (open style)

 

Conector selado mini Conector selado micro

 

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.

- Ligação dos resistores de terminação

 

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:

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.

 

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.

   

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.

   

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.