DeviceNet Grundlagen

Ein offener Feldbus, der auf CAN basiert

Was ist DeviceNet?

DeviceNet ist ein Netzwerk-System, welches in der Automatisierung der Industrie eingesetzt wird, um verschiedene Geräte zu verbinden. Grundlage dafür ist der CAN-Bus (Controller Area Network), der von Bosch entwickelt wurde. Typischerweise wird DeviceNet für Sicherheitseinrichtungen, im Informationsaustausch und in großen Input/Output-Kontrolleinheiten eingesetzt. Hauptsächlich Verwendung findet dieses Netwerksystem in den USA und in Asien. In Europa dagegen haben sich eher der Profibus und CANopen durchgesetzt.

DeviceNet – die Geschichte

Entwickelt wurde DeviceNet vom amerikanischen Unternehmen Allen-Bradley, welches mittlerweile zu Rockwell Automation gehört. Dieses System nutzt zum einen Teile von ControlNet, einem anderen industriellen Produkt von Allen-Bradley, und bietet zum anderen die Vorteile vom CAN-System. So entstand ein kostengünstiges und stabiles System für traditionelle RS-485-basierte Protokolle. Um die Anwendung von DeviceNet international auszubauen, hat Rockwell Automation diese "offene" Technologie gekauft und es Drittanbietern zur Verfügung gestellt. Mittlerweile wird es von der unabhängigen nordamerikanischen Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) verwaltet. Die ODVA verwaltet nicht nur die Spezifikationen, sondern sorgt auch für Weiterentwicklung und die Einhaltung der Standards durch Konformitätstests. Später entschloss sich die IDVA, DeviceNet

  • EtherNet/IP (Industrial Protocol)
  • ControlNet
  • DeviceNet
  • CompoNet

Dank dem gemeinsamen Protokoll besteht eine hohe Integrität zwischen diesen Technologien. Damit werden industrielle Steuerungen im Gegensatz zu anderen Systemen wesentlich vereinfacht.

DeviceNet – Technische Details

  1. Definition der Medien, physikalischer Eigenschaften, Datenverbindungen und Anwendungen des ISO/OSI-7-Layer Modells
  2. Beinhaltet eine Hauptleitung mit getrennten Bussen für Signal und Leistung
  3. Definierte Baudraten von 125 kbit/s, 250 kbit/s und 500 kbit/s möglich
  4. Die Datenkabellänge ist umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit
  5. Hinzufügung eines konventionellen Flachbandkabels möglich, um einfach und schnell zu bedienende Verbindungen herzustellen
  6. Unterstützung von bis zu 64 Netzwerkknoten in einem einzigen logischen Netzwerk (0-63)
  7. Unterstützt Master / Slave, sowie Peer-to-Peer-Kommunikation, meist aber werden die Geräte im Master / Slave-Modus betrieben
  8. Ermöglicht mehrere Master an einem einzigen logischen Netzwerk
  9. die Stromversorgung ist bei kleinen Geräten wie Fotozellen, Endschaltern und Näherungsschaltern über das Netzwerkkabel möglich
  10. vernetzte Geräte können gleichzeitig konfiguriert und gesteuert werden.
  11. Betrieb in geräuschempfindlichen Umgebungen möglich
  12. Unterstützung von vier verschiedenen Nachrichtentypen von und zu Slave-Geräten (getaktet, abgefragt, zyklisch und COS (Zustandsänderung)

DeviceNet – die Architektur

Bitübertragungsschicht / Physikalische Schicht:
Die Knoten des DeviceNet sind entlang von Hauptleitung und Abzweigleitung verfügbar. Die Topologie ermöglicht eine einfache Verkabelung und einen Zugriff auf das System von mehreren Punkten aus. Darüber hinaus können Netzwerkknoten leicht entfernt werden. Dies reduziert die Gefahr von Produktionsausfällen und erhöht die Netzwerkflexibilität. Außerdem bietet diese Möglichkeit einen verringerten Zeitaufwand bei der Fehlersuche. Seitdem die Bitübertragungsschicht optisch von den Geräten isoliert ist, können Kommunikationsleitung und Stromversorgung in einem Bus zusammen geführt werden. Dies reduziert die Komplexität des Netzwerkes und der Komponenten.

DeviceNet unterstützt die Baudraten von 125 kbit/s, 250 kbit/s und 500 kbit/s. Abhängig vom Kabeltyp sind Übertragungsstrecken von bis zu 500 m möglich. Typische Rundkabel unterstützen bis zu 100 m, während flache Kabel bis zu 380 m bei 125 kbit/s bzw. 75 m bei 500 kbit/s unterstützen.

Datenschicht:
DeviceNet nutzt einen differentiellen, seriellen Bus aus dem CAN-System. Da CAN als Grundlage genutzt wird, erfordert dieses System nur minimale Bandbreiten um Daten zu übertragen. Außerdem kann ein kleinerer Prozessor ausgewählt werden, da dank des Datenformates nur geringe Rechenkapazitäten gebraucht werden.

Das CAN-Datenformat besteht aus folgenden Bits:

1 Bit » Start

11 Bits » Identifikation

1 Bit » RTR Bit

6 Bits » Kontrollbit

0-8 Bytes » Datenfeld

15 Bits » CRC Sequenz

1 Bit » CRC Delimiter

1 Bit » Bestätigung

1 Bit » Ack Delimiter

7 Bits » Ende

> 2 Bits » Platz zum nächsten Paket

Das erste Startbit sorgt für die Synchronisierung aller Empfänger im Netzwerk. Die Identifikationsbits und das RTR-Bit sorgen für den korrekten Empfänger der Nachricht. Niedrigere Identifikationsnummern haben Vorrang vor höheren. Neben der einfachen Datenübertragung überwacht das Gerät auch den Vorgang. Durch diese Redundanz werden übertragene Daten überprüft und simultane Datenübertragungen verhindert. Das bedeutet, dass bei gleichzeitiger Datenübertragung zweier Netzwerkknoten, dasjenige Gerät mit der niedrigeren 11-Bit-Identifikationsnummer das Vorrecht zur Übertragung hat. Die andere Übertragung wird gestoppt.

Die darauf folgenden sechs Bits dienen zur Kontrolle der Daten. Dabei geben die letzten vier Bits die Länge des Datenfeldes an. Die Länge variiert zwischen null und acht Bytes. Die folgenden 15 Bits des Cyclic Redundancy Check (CRC)-Feldes dienen der Fehlersuche. Um Implementation und Immunität von stark beschäftigten Netzwerken zu vereinfachen, beinhaltet CAN dieses gute Fehlersuchsystem.

Das DeviceNet Netzwerk

DeviceNet besteht aus einem anschluss-basierten Netzwerk. Eine Verbindung muss zuerst erst einmal durch einen UCMM (Unconnected Message Manager) oder einen G2UP (Group 2 Unconnected Port) geleitet werden. Von da aus können explizite und implizite Nachrichten gesendet werden. Unter expliziten Nachrichten versteht man im allgemeinen Datenpakete die Antwort von einem anderen Gerät erwarten. Typischerweise sind dies Einstellungen oder nicht zeitgebundene Datensätze. Im Gegensatz dazu sind implizite Nachrichten zeitsensibel und kommunizieren in Echtzeit über das Netzwerk.

Bevor eine implizite Kommunikation aufgebaut werden kann, muss eine explizite Nachrichtenverbindung bestehen. Wenn die Verbindung einmal steht, werden durch die CAN-Identifikation die Daten zum entsprechenden Netzwerkknoten gesendet.