PLC网络系统配置指南：介绍DeviceNet

1.DeviceNet组成

其组成如图4-34所示。

图4-34 DeviceNet组成

从图知，它由站点、干线（还有支线）、通信电源及终端电阻组成。

1）站点。包括连接外部I/O或智能控制器的从站及管理DeviceNet并协调各从站通信的主站。一个网络必须有一个主站，但也可有多个主站。网络站点最多可达64个。主站位置无需位于网络的一端，可处网络的任一位置。由于主站的位置不固定，因此更便于配线。

2）干线、支线。所谓干线，是指在两端安装了终端电阻的一段电缆。而从干线分支出来的电缆均为支线。DeviceNet的干线、支线均使用专用电缆。电缆内含两对双绞线，其中一对为信号线，一对为电源线，此外还有屏蔽线。

3）电源为24V标准直流电源。用以向网络各个站点供电。电源可在网络的任何地方接入，还可配备冗余电源。

4）DeviceNet要求在干线的末端安装终端电阻，而不可安装在支线末端。电阻的要求为121Ω、1%金属膜及1/4W。

2.DeviceNet网络模型结构

与CompoNet一样，对照OSI模型，它也仅有4层，即物理层，数据链路层，传输网络层及应用层。它的物理层与数据链路层沿用了CAN协议标准。

（1）物理层

包括两部分，介质访问单元和传输介质。介质访问单元由驱动器、收发器、误接线保护回路、调压器和可选的光隔离器和其他用于连接站点到传输介质的电路组成。在OSI模型中被称之为物理介质访问。物理层还包括连接传输介质的电气及机械接口的定义。

DeviceNet物理层和介质有下列特征：使用CAN技术；尺寸小、成本低；线性总线拓扑结构；支持3种传输波特率（125K波特、250K波特及500K波特）；使用含两对双绞线及屏蔽线、低损耗、低延迟的多种专用电缆（包括粗缆，多用作干线和细缆，多用于分支线）传送信号与24V直流电源；支持干线或支线的使用不同种类电缆；支线长度可达6m；最多支持64个站点；站点接入、退出无须断开网络；误接线保护功能；可同时支持隔离和非隔离物理层；支持密封介质；在设备连接方式上，可以灵活选用开放、封装端头两种形式；支持有源和无源设备，对于有源设备，提供专门设计的带有光隔离的收发器，光电隔离可用于电压等级较高的设备（如驱动器、软启动器和电动阀门），等等。

DeviceNet提供多种连接器，如图4-35所示。

图4-35 DeviceNet连接器

DeviceNet使用不归零（NRZ）编码。定义了两种互补的“显性”（Dominant，逻辑0）和“隐性”（Recesive，逻辑1）逻辑电平。同时传送“显性”和“隐性”位时，总线结果值为显性。

代表逻辑电平的物理状态的规定包含在ISO 11898标准中，如图4-36所示。对于一个脱离总线的站点，典型CAN_L和CAN_H的隐性（高阻抗）电平为2.5V（电位差为0V）；典型CAN_L和CAN_H的显性（低阻抗）电平分别为1.5V和3.5V（电位差为2V）。

图4-36 逻辑电平物理状态

它的位时间，即速率的倒数，由同步段、传播段、相位缓冲段1、采样点、相位缓冲段等部分组成。如图4-37所示。

图4-37 位时间组成

这里的同步段用于总线上各个站点，传播段用于补偿网络内的传播延时，相位缓冲段1、相位缓冲段2用于补偿沿的相位误差。只有在采样点电平才被读出，并保留，以用于处理。

（2）数据链路层

DeviceNet数据链路层用的也是CAN标准。尽管CAN定义有多种帧格式，如数据帧、远程帧、过载帧、出错帧等，但DeviceNet仅使用其数据帧，其格式如图4-38所示。

图4-38 CAN数据帧格式

从图知，它的帧结构有：

1）帧起始：标志数据帧的起始，它由单个“显性”位构成，在总线空闲时发送，在总线上产生同步作用。

2）仲裁标识：由11位标识符（ID10～ID0）和远程发送请求位（RTR）组成，RTR位为显位表示数据帧，隐位表示远程帧。标识符由高至低次序发送，且前7位（ID10～ID4）不能全为隐性位，标识符用于提供关于传送报文和总线访问的优先权信息，其数值越小，表示优先权越高，发生冲突时优先发送。

3）控制区：由6位构成，前2位为保留位，为显性，后4位为数据长度码，表示数据场中数据的字节数，必须在0～8范围内变化。

4）数据区：由被发送数据组成，数目为控制场中决定的0～8个字节，第一个字节的最高位首先被发送。

5）CRC：包括CRC（循环冗余码校验）序列（15位）和CRC界定符（1个隐位），用于帧校验。除了CRC校验，DeviceNet还提供了位出错、应答出错、填充出错、格式出错检查。这些检查确保了它的通信稳定与可靠。

6）ACK：由应答位和应答界定符组成，共两位。

7）帧结束：由7位隐性位组成。

8）帧间隔：最少为3位。

CAN是传输介质敏感的网络，即只有当其他站点不发送数据时，这个站点才能发送数据。为避免多点同时访问总线而又不产生冲突的办法是，采用非破坏性的、不损失带宽、不丢失数据的“位”仲裁。

其机理是，在总线空闲时，每个站点都可尝试发送；如果出现多于两个的站点发送，发送权的竞争通过11位标识符、采用载波侦听、逐位仲裁方法解决。网络上每个站点都拥有一个唯一的11位标识符。用其确定优先级的高低。11位标识符数值最小的站点拥有最高的优先级。总线冲突仲裁时，优先级高的不受影响地继续传输数据，优先级低的则自动停止发送。所以这种碰撞和仲裁并未造成数据帧的损坏，不会浪费通信资源。由于标识符数值低的站点具有较高的优先权，所以对标识符的合理分配可使重要的数据得到优先发送。图4-39所示为两个站点总线冲突仲裁的一个实例。

图4-39 两个站点总线冲突仲裁实例

该图所示有两个帧，其标识分别为5E4H和5E8H（十六进制表示）。但仲裁到图示的“位”时，站点1为0，而站点2为1。按仲裁规则，站点2自动退出数据发送，而站点1则继续发送数据。而根据上述同时传送“显性”和“隐性”位时，总线结果值为显性的规则，在线上显示的仍为0（显性），所以，不影响站点1的发送。

（3）网络传输层

与CompoNet一样，DeviceNet也有网络传输层。其功能也是用以处理网络桥接与路由及报文分割与重组。(www.xing528.com)

DeviceNet的一个站点与另一个站点通信之前必须先建立关系（Relationship，也称连接、Connection）。这连接可通过UCMM（Unconnected Message Manager）或未连接口组2（Group2 Unconnected Port）建立。此外，DeviceNet支持显式（Explicit）与隐式（Implicit，常称为远程I/O通信）两种通信。显式通信基是基于“请求”与“响应”的通信，与系统配置及数据采集相关，实时性要求不那么严格。而隐式通信则是实时性要求很高的远程I/O通信。

站点可能是服务端，或客户端，或两者兼有。而服务端、客户端，都可以是数据的生产者，或消费者，或两者兼有。典型的客户端连接是产生“请求”，并消费“响应”。典型的服务端连接是消费“请求”，并产生“响应”。依此，DeviceNet有多种模式。例如，一些客户端或服务端连接可能仅仅是消费循环或状态改变的信息。相反，另一些客户端或服务端连接可能仅仅是生产这些循环或状态改变的信息。使用好这循环或状态改变有关的连接可大大减少对网络带宽的要求。

不管什么时候与其他站点通信，首先要通过UCMM或未连接接口组2建立显式信息连接。这个显式连接可用以从一个站点向另一个站点传送数据，或用以建立隐式连接，即远程I/O通信连接。一旦一个远程I/O通信连接建立，11位CAN标识区将作为这个数据的唯一标识。这时这个帧的其余部分包含的将不再是协议数据，而只是应用数据。当应用要求传送信息多于8位数据时，它可利用DeviceNet帧分割协议，以将信息分称几个相继的帧传送。

为了充分发挥DeviceNet的生产者、消费者这样机制的好处，它的唯一的连接ID是严格控制的。为此，见表4-7所示，DeviceNet用11位CAN标识去定义连接ID，并划分这11位为4组。头3个定义组含2个区。一个6位的区用作媒体访问标识（MAC ID），而其他则作为信息ID。这两个区的组合就是这连接的ID。在DeviceNet上的站点要负责管理自身的标识。这站点自身标识是按信息优级分配，而无视它的MAC ID。凭借复制MAC ID算法，即使没有中心管理工具与记录，CAN标识的唯一性也可得到保证。表4-7所示为DeviceNet分布的11位CAN标识区。

表4-7 DeviceNet分布的11位CAN标识区

由于DeviceNet的标识含有站点MAC地址，所以可自动避免标识重复。此外，DeviceNet站点管理自身标识关键的好处是：站点可在任意时间加入或退出网络；可在任意时间增加现有站点间的点对点通信，或两者兼有，而无须弄清现有的设置。由于各站点都知道那些ID已经在使用，所以，在两个站点之间加入一个I/O连接，如指明优先级、数据路径及数据生成的激励等，所要求的做的也就很简单了。

（4）应用层

也即Devicenet的高层，使用的也是CIP协议。CIP使用生产者/消费者模式传输数据。信息是以连接的ID作为标识，允许多站点共同消费基于唯一连接ID的站点所生产的相关数据。而不像传统的源/目标模式那样，靠指明源与目标地址，在源与目标之间一一传送。具体讲，这种模式的好处是：

假如一个站点要接收数据，只要提出消费数据的要求；

假如第2或3、4、等个站点也要接收这个数据，这些站点要弄清的只是要可同时接收这个数据的连接ID。

总之，在这种模式下，生产者作为数据源在总线上广播数据，任何站点都可以同时消费这个数据，多站点使用数据也只需广播一次，因此节省了网络带宽，提高了网络的效率。

CIP的严格面向对象及它的网络间无缝桥接与路由问题，在CompoNet中已有介绍，这里不再赘述。

此协议落实到DeviceNet还有就是，使用称之为预定义主从连接集合（Predefined Mas-ter/Slave Connection Set）。具体讲就是，一个基于主从关系、可变、简化的通信机制。其中也含有最常用的I/O数据的打包与传送。

DeviceNet的一个关键优点是，它是“电源接通”网络。符合它的规范的传感器、操作器都设计成具有“接通电源”预定义功能。这样，当“电源接通”时，这些部件将知道将要生产与消费的数据类型及数量。同时，上述预定义的主从连接集合则提供几乎配置完整的连接对象。这样，“电源接通”后，仅有的步骤只是主站向预定义集内属于它的从站提出传送数据请求，从站则生产有关类型的数据。具体数据类型取决于从站配置与应用的要求。

这有关类型数据有：查询（Polled）、循环（Cyclic）、状态改变（Change of State，COS）。

查询：在循环方式下，从站接收来自主站按顺序定义在主站扫描表中的输出数据；同时传送它的输入数据，以响应主站的查询请求。主站的查询速率取决于：在扫描列表中的站点数、DeviceNet波特率、主站及其列表中从站生产的信息量及主站定时间隔。对给定的系统配置，这通信方法具有确定性。这里输出数据是单播的，而输入数据可能是多播的。

循环：在循环方式下，站点准确地按预定义的时间间隔生产数据。允许每个使用者按其应用要求选择合适的时间间隔。这种模式可减少在总线上数据传输量，能更有效利用总线的带宽，适用于一些模拟设备站点。

状态改变：在状态改变方式下，站点根据它的状态改变或基于心跳率（Heartbeat Rate）生产数据。有了这个心跳率生产的数据，可使消费方知道生产方仍然在线并处激活状态。DeviceNet还可调整参数，按用户习惯的设定心跳间隔，以优化带宽的利用。状态改变方式多用于离散的设备站点。

3.DeviceNet拓扑结构

DeviceNet可能的拓扑结构如图4-40所示。

从图知，它为总线结构。可建立各种分支。网络最多的站点数为64个。网络干线长度与波特率、线缆类型有关。DeviceNet推荐使用的电缆有：粗缆、细缆、扁平电缆、电缆Ⅰ及电缆Ⅱ。这些电缆电气、物理特性及适应环境不完全相同。但允许在干线系统中混合使用。有的使用特性也可换算。站点可以随机分配，还可不连续分配。但建议还是有地规则的分配为好，如主站为节点63，从站为节点1～62而配置器为节点0。表4-8所示为DeviceNet使用不同电缆时的波特率、线缆类型、拓扑距离间的对应关系。

图4-40 DeviceNet拓扑结构

表4-8 DeviceNet波特率、线缆类型、拓扑距离间的对应关系

（续）

4.DeviceNet规格

DeviceNet规格见表4-9所示。

表4-9 DeviceNet规格

①干线的两端需安装终端电阻。

②干线使用较粗的专用电缆时的值。使用较细的专用电缆时为100m以下。

5.DeviceNet特点

（1）接线方便

使用专用电缆可进行T分支及支线分支等自由配线。有助于缩减现场的配线成本及维护成本。

（2）网络开放

通信协议、规格开放化。对设备行规有详细定义，并用EDS（遵循开放规范设备硬件描述）文件描述，使用时可将其集成（加载）进相应网络管理软件中。因此能够连接国内外不同厂家的DeviceNet兼容设备。而且只要选用合乎行规的厂商产品，即可保证多环境下设备的兼容性和互换性。

（3）模式多样

可主/从、多主/从、点到点或者三者的组合来组建网络。多主/从配置时其主站个数不受限制。主站被用来控制次要的设备。在一个通信链路上，只有主站能建立对通信进行初始化。从站只能收集从主站发出来的命令。一个主站还能作为另一个主站的从属站，而作为从属站后它仍可以有自身的从站。

（4）通信多样

DeviceNet不仅能够进行远程I/O通信，数据互锁（点对点链接），还能够进行报文通信。可通过报文通信进行设备的设定及监控。再就是它的通信可使多个站点同时从一个数据生产者获得数据，既容易使站点之间数据获得同步、达到更精确的系统控制性能，又能够减少数据交换的次数，充分利用网络的带宽。