DEVICENET現(xiàn)場總線技術(shù)

1、devicenet現(xiàn)場總線技術(shù) 佟為明* 吳赟 李風(fēng)閣 王宇虹哈爾濱工業(yè)大學(xué)羅克韋爾自動化實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱150001）摘 要 devicenet現(xiàn)場總線具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為iec標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹了其技術(shù)特點(diǎn)及通信連接、通信模式、設(shè)備描述等基本技術(shù)問題。關(guān)鍵詞 devicenet 現(xiàn)場總線 通信模式 設(shè)備描述technology of devicenet tong weiming, et alharbin institute of technology rockwell automation laboratory, harbin 150001abstract devicenet

2、 has many unique virtues. it has been adopted as a european standard and an international standard by the international electrotechnical commission (iec). this article presents the key technology of devicenet, such as connection, communication model and device profile.keywords devicenet fieldbus, co

3、mmunication model device profile 1 引言現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)今3c技術(shù)，即計(jì)算機(jī)（computer）、通信（communication）、控制（control）技術(shù)發(fā)展匯聚成的結(jié)合點(diǎn)。它是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，受到了國內(nèi)外工業(yè)自動化設(shè)備制造商及用戶的廣泛關(guān)注。它的出現(xiàn)將對傳統(tǒng)的工業(yè)自動化帶來革命，從而開創(chuàng)工業(yè)自動化的新紀(jì)元。現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展很快，在世界范圍內(nèi)，目前正在應(yīng)用的現(xiàn)場總線已達(dá)數(shù)十種之多。其中， devicenet具有開放、低成本、高效率與高可靠性等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為國際標(biāo)準(zhǔn)(iec62026低壓開關(guān)設(shè)備與控制設(shè)備：控制器與電器設(shè)備接口)和歐

4、洲標(biāo)準(zhǔn)（en50325和en50295），特別適合于制造業(yè)、工業(yè)控制和電力系統(tǒng)等應(yīng)用。幾乎所有世界著名的電器和自動化元件生產(chǎn)商都在大力開發(fā)devicenet產(chǎn)品，如abb、rockwell、phoen-ix、contacts、omron、hitachi、cutler-hammer等。devicenet由開放式設(shè)備網(wǎng)供貨商協(xié)會odva（open devicenet vendors association）組織和管理。odva是一個負(fù)責(zé)device-net協(xié)議的制定和增補(bǔ)工作的國際組織。現(xiàn)在，devicenet產(chǎn)品增長勢頭迅猛，在美國和日本，它所占的市場份額已達(dá)50%以上。 devicenet進(jìn)入

5、我國雖然比較晚，但因其突出的優(yōu)點(diǎn)而受到了我國有關(guān)部門和單位的高度重視。由上海電器科學(xué)研究所與國際odva組織合作籌建的odva china于2000年7月6日在京正式成立，國家機(jī)械局、國家技術(shù)監(jiān)督局、中國電器工業(yè)協(xié)會、中國ff基金會給予了大力支持。odva china將致力于devicenet現(xiàn)場總線技術(shù)在中國的開發(fā)與應(yīng)用，促進(jìn)我國自動化和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展。2 devicenet現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn) devicenet現(xiàn)場總線是一種開放、低成本的網(wǎng)絡(luò)解決方案。它將可編程控制器、操作員終端、傳感器、光電開關(guān)、電動機(jī)起動器、驅(qū)動器等現(xiàn)場智能設(shè)備連接起來，減少了i/o接口和布線數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)設(shè)備的

6、網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程管理。由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與其它現(xiàn)場總線相比，它具有突出的高可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其主要技術(shù)特點(diǎn)可歸納為： （1） 采用can物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約，使用can規(guī)約芯片，得到了國際上主要芯片制 造商的支持； （2） 網(wǎng)絡(luò)上可以容納多達(dá)64個節(jié)點(diǎn)地址，每個節(jié)點(diǎn)支持的i/o數(shù)量沒有限制； （3） 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活； （4） 節(jié)點(diǎn)設(shè)備可通過網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一配電（信號線和電源線都包含在干線中），亦可配置為自行供電； （5） 高電流能力（可高達(dá)16安培）； （6） 網(wǎng)絡(luò)速度可選125kbps、250kbps和500kbps； （7） 具有誤接線保護(hù)功能； （8） 可帶電更換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)

7、備，在線修改網(wǎng)絡(luò)配置； （9） 支持選通、輪詢、循環(huán)、狀態(tài)變化和應(yīng)用觸發(fā)的數(shù)據(jù)傳送方式； （10） 采用非破壞性逐位仲裁機(jī)制實(shí)現(xiàn)按優(yōu)先級發(fā)送信息； （11） 具有通信錯誤分級檢測機(jī)制、通信故障的自動判別和恢復(fù)功能； （12） 支持對等、多主或主/從通信結(jié)構(gòu)； （13） 可實(shí)現(xiàn)不同廠商的同類設(shè)備的互換； （14） 既適用于連接低端工業(yè)設(shè)備，又能連接象變頻器、操作員終端之類的復(fù)雜設(shè)備。3 devicenet現(xiàn)場總線的基本技術(shù) devicenet與can devcenet總線協(xié)議是在can總線的基礎(chǔ)上建立起來的，can總線已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動化領(lǐng)域中。can 總線采用一種稱作廣播式的傳輸工作方式，其特

8、點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的以節(jié)點(diǎn)地址為中心的編碼方式，而代之以基于數(shù)據(jù)塊的編碼方式。這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)。得益于這種編碼方式，它支持主/從、多主和對等通信結(jié)構(gòu)。can總線使用包括循環(huán)冗余校驗(yàn)crc和自動重試在內(nèi)的多種錯誤檢測和故障限制方法，發(fā)生嚴(yán)重錯誤的節(jié)點(diǎn)將自動退出總線，以防止破壞網(wǎng)絡(luò)，從而保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。can采用非破壞性逐位仲裁機(jī)制，當(dāng)兩個或多個節(jié)點(diǎn)同時(shí)欲訪問網(wǎng)絡(luò)時(shí)，這種機(jī)制會解決潛在的沖突，而不會損失數(shù)據(jù)或浪費(fèi)帶寬，因此幾乎使帶寬得到了100%的利用。 devicenet在can總線的基礎(chǔ)上又增加了面向?qū)ο?、基于連接的現(xiàn)代通信技術(shù)理念，并開發(fā)了應(yīng)用層

9、。其應(yīng)用層規(guī)定了can數(shù)據(jù)幀的使用方法、重復(fù)節(jié)點(diǎn)地址檢測機(jī)制、對象模型及設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。 通信連接 devicenet網(wǎng)絡(luò)中，連接是一個重要概念。節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間欲進(jìn)行通信，必須先建立連接。連接的建立過程正如打電話一樣，當(dāng)你想給某人打電話時(shí)，你首先應(yīng)該輸入相應(yīng)的號碼或名字，當(dāng)?shù)玫綄Ψ降膽?yīng)答后就建立了連接，然后便可在此連接上進(jìn)行通話。當(dāng)你掛斷電話，連接就會斷開。devicenet網(wǎng)絡(luò)中的任何一個設(shè)備欲和其它設(shè)備通信時(shí)，亦須先建立連接。當(dāng)設(shè)備不想和已建立連接的某個設(shè)備通信時(shí)，它可通過發(fā)送釋放連接或刪除連接服務(wù)來斷開連接。如果在某個特定的連接上長時(shí)間沒有進(jìn)行通信，這個通信將自動斷開以釋放資源。在devic

10、enet網(wǎng)絡(luò)中，每個連接用連接標(biāo)識符來標(biāo)識，它使用can規(guī)范中的11位仲裁區(qū)來定義。連接標(biāo)識符包括設(shè)備媒體訪問控制標(biāo)識符（mac id）和信息標(biāo)識符（message id）。其中，mac id可通過硬件設(shè)定，也可通過軟件來配置。標(biāo)識符分為四組，如表1所示。這四組信息具有不同的優(yōu)先級（信息組1的優(yōu)先級最高），傳送信息時(shí)可據(jù)此來選擇相應(yīng)的信息組。此外，devicenet提供的功能很強(qiáng)的應(yīng)用層協(xié)議，允許動態(tài)地建立和配置設(shè)備間的連接。但動態(tài)連接的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，考慮到有些設(shè)備不需要也沒有資源去使用這一強(qiáng)大功能，de-vicenet使用信息組2制定了一套稱為預(yù)定義主/從連接組的連接標(biāo)識符，用來簡化主/從結(jié)構(gòu)中

11、數(shù)據(jù)的傳送。它提供的連接對象的全部配置是預(yù)先固化好的，通訊時(shí)主設(shè)備唯一必須執(zhí)行的一個步驟就是聲明對從設(shè)備內(nèi)該預(yù)定義連接組的所有權(quán)。 表1 devicenet的11位連接標(biāo)識符標(biāo)識位范圍(16進(jìn)制)標(biāo)識使用1098765432100組1信息id源mac id000-3ff信息組110mac id組2信息id400-5ff信息組211組3信息id源mac id600-7bf信息組311111組4信息id（0-2f）7c0-7ff信息組411111111xxx7f0-7ff無效can標(biāo)識 通信模式 devicenet采用開放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種新發(fā)明的解決方案：生產(chǎn)者/消費(fèi)者（produce/con-su

12、mer）通信模式。生產(chǎn)者是指發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，消費(fèi)者是指接受數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備。每個節(jié)點(diǎn)設(shè)備均可配置為生產(chǎn)者、消費(fèi)者或兩者皆是。 生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式與傳統(tǒng)的源/目的模式有很大不同。源/目的模式是以節(jié)點(diǎn)地址為中心的編碼方式，適合于點(diǎn)對點(diǎn)的通信。生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式是以數(shù)據(jù)為中心的編碼方式，生產(chǎn)者在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)出一個數(shù)據(jù)幀后，消費(fèi)者便可根據(jù)其中的11位標(biāo)識符來判斷是否消費(fèi)該數(shù)據(jù)。因此，生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備同時(shí)從單個的數(shù)據(jù)源獲取相同的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、多點(diǎn)或廣播通信。它的格式與傳統(tǒng)的源目的格式的比較如圖1所示。源目的數(shù)據(jù)crc校驗(yàn)（a）源/目的模式標(biāo)識符數(shù)據(jù)crc校驗(yàn)（b）生產(chǎn)者/消

13、費(fèi)者模式圖1 源/目的模式與生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式 在生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式下，當(dāng)一個設(shè)備欲和其它多個設(shè)備進(jìn)行同一種通信時(shí)，這個設(shè)備只需發(fā)送一次數(shù)據(jù)，其它設(shè)備便都能接收到該數(shù)據(jù)，而不需要重復(fù)地發(fā)送，從而節(jié)省了大量的時(shí)間，提高了效率。另外，在這種模式下，節(jié)點(diǎn)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)精確的同步化；系統(tǒng)的組織方式也很靈活，可組成主/從、多主或?qū)Φ鹊木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 報(bào)文類型 devicenet有兩種基本類型的報(bào)文：顯式報(bào)文和i/o報(bào)文。顯式報(bào)文用于兩個設(shè)備之間多用途的點(diǎn)對點(diǎn)的報(bào)文交換，一般用于節(jié)點(diǎn)配置、故障情況報(bào)告和故障診斷，是典型的請求響應(yīng)通信方式。devicenet提供了一組公共服務(wù)顯式報(bào)文，如讀取屬性、設(shè)置屬性、打開連接

14、、關(guān)閉連接、出錯響應(yīng)、起動、停止、復(fù)位等。顯式報(bào)文通常使用優(yōu)先級低的連接標(biāo)識符，并且該報(bào)文的相關(guān)信息包含在報(bào)文數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)區(qū)中，如要執(zhí)行的服務(wù)和相應(yīng)的尋址信息。顯式報(bào)文的格式繁雜，傳送數(shù)據(jù)的效率低。 i/o報(bào)文是工業(yè)控制系統(tǒng)最主要的信息， i/o報(bào)文通常使用優(yōu)先級高的連接標(biāo)識符，通過一點(diǎn)或多點(diǎn)連接進(jìn)行信息交換。i/o報(bào)文的數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)區(qū)中一般不包含任何與協(xié)議有關(guān)的位，只有當(dāng)i/o報(bào)文為大報(bào)文經(jīng)過分割后形成的i/o報(bào)文片段時(shí)，數(shù)據(jù)區(qū)中才有1字節(jié)由報(bào)文分割協(xié)議使用。簡言之，i/o報(bào)文具有以下特點(diǎn)： （1） 由于控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，i/o信息必須快速重復(fù)地傳送、刷新，因此數(shù)據(jù)量大，要求格式精簡；

15、（2） 為了更有效地傳送i/o信息，devicenet定義了多種傳送規(guī)則：位選通、輪詢、狀態(tài)變化/循環(huán)傳送，以便根據(jù)應(yīng)用對象信息的特點(diǎn)加以利用； （3） i/o信息可以選擇應(yīng)答或無應(yīng)答傳送，一般選擇無應(yīng)答方式以節(jié)省時(shí)間； （4） 可以是點(diǎn)對點(diǎn)或多點(diǎn)傳送。 對象模型 devicenet現(xiàn)場總線中，對象是節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)組件的抽象表示。對象模型則為管理和實(shí)現(xiàn)devicenet產(chǎn)品組件的屬性、服務(wù)和行為提供了一個模板，如圖2所示。它為每個屬性提供了由4個數(shù)字組成的尋址方案，它們分別是mac id、對象類標(biāo)識符、實(shí)例編號和屬性編號。這4級地址與顯式報(bào)文連接相結(jié)合，將數(shù)據(jù)從devicenet網(wǎng)絡(luò)上的一點(diǎn)傳送到

16、另一點(diǎn)。 （1） 標(biāo)識對象：包含與設(shè)備有關(guān)的一些屬性信息，如供貨商標(biāo)識、設(shè)備類型、產(chǎn)品代碼、產(chǎn)品名稱等； （2） 路由對象：向其它對象傳送顯示報(bào)文，一般在devicenet網(wǎng)絡(luò)中不具有外部可視性； （3） 連接對象：模擬特定的設(shè)備之間的通訊特性，如處理的信息類型、數(shù)據(jù)到達(dá)的速率、 超時(shí)的處理方法等； （4） devicenet對象：提供配置和狀態(tài)信息，如節(jié)點(diǎn)標(biāo)識、傳送波特率、總線脫離的處理過程、預(yù)定義連接組的分配等服務(wù)； （5） 組合對象：主要負(fù)責(zé)i/o信息的格式定義和i/o數(shù)據(jù)的映射等； （6） 參數(shù)對象：為配置工具訪問所有參數(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)的方法； （7） 應(yīng)用對象：指與特定應(yīng)用相關(guān)的對象，它模

17、擬應(yīng)用設(shè)備的特性。圖 2 devicenet對象模型 設(shè)備描述為實(shí)現(xiàn)不同制造商生產(chǎn)的同類設(shè)備的互換性、互操作性和功能的一致性，devicnet對直接連接到網(wǎng)絡(luò)上的每類設(shè)備都定義了設(shè)備描述。設(shè)備描述是從網(wǎng)絡(luò)角度對設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的說明。凡是符合同一設(shè)備描述的設(shè)備均具有同樣的功能，生產(chǎn)或消費(fèi)同樣的i/o數(shù)據(jù)，包含相同的可配置數(shù)據(jù)。設(shè)備描述說明設(shè)備使用哪些devicenet對象庫中的對象、哪些制造商特定的對象以及關(guān)于設(shè)備特性的信息。設(shè)備描述的另一個要素是對設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)上交換的i/o數(shù)據(jù)的說明，包括i/o數(shù)據(jù)的格式及其在設(shè)備內(nèi)所代表的意義。除此之外，設(shè)備描述還包括設(shè)備可配置參數(shù)的定義和訪問這些參數(shù)的公共接口

18、。 devicenet通過由odva成員參加的特別興趣小組(sig)發(fā)展它的設(shè)備描述。目前已完成了諸如交流驅(qū)動器、直流驅(qū)動器、接觸器、通用離散i/o、通用模擬量i/o、hmi（人機(jī)接口）、接近開關(guān)、限位開關(guān)、軟驅(qū)動器、起動器、位置控制器、流量計(jì)等設(shè)備的描述。odva的sig還在不斷工作，增加設(shè)備描述的種類，以期使設(shè)備描述覆蓋更多的產(chǎn)品范圍，為用戶帶來更多的方便。4 結(jié)論作為iec標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)的devicenet現(xiàn)場總線是一種開放、低價(jià)、高效和高可靠的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，代表了國際上最先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，應(yīng)用前景極其廣闊。相信在odva china 的支持下，在國內(nèi)廣大學(xué)者和工程技術(shù)人員的努力下，devicenet現(xiàn)場總線一定會在我國得到長足的發(fā)展，并大大促進(jìn)我國工業(yè)自動化水平的提高。參考文獻(xiàn)1 odva inc. devicenet 2 ji