Rede Industrial DeviceNet, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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Autor: Constantino Seixas Filho 1

DeviceNet

Capítulo

Autor: Constantino Seixas Filho 2

DeviceNet

Introdução:

A rede DeviceNet classifica-se como uma rede de dispositivo, sendo utilizada para interligação de equipamentos de campo, tais como sensores, atuadores, AC/DC drives e CLPs. Esta rede foi desenvolvida pela Allen Bradley sobre o protocolo CAN ( Controller Area Network ) e sua especificação é aberta e gerenciada pela DeviceNet Foundation. CAN, por sua vez, foi desenvolvida pela empresa Robert Bosh Corp. como uma rede digital para a indústria automobilística. Hoje existem inúmeros fornecedores de chips CAN: Intel , Motorola, Philips/Signetics, NEC, Hitachi e Siemens.

Figura 1: DeviceNet e faixa de aplicação das redes de campo

A figura 3 ilustra a relação entre CAN e DeviceNet e o stack OSI/ISO:

Aplicação (Nível 7) Nível Aplicação Controle de Enlace Lógico Enlace de Dados (Nível 2) (LLC) Controle de acesso ao meio (MAC) Sinalização do nível físico

Protocolo CAN

Físico (Nível 1) Unidade de Acesso ao Meio (MAU) Meio (Nível 0) Meio de transmissão Figura 2 : DeviceNet e CAN Esta rede possui uma linha tronco de onde derivam as drop lines.

Faixa de Aplicação de Redes

NÍVEL DE AUTOMAÇÃO

Discreto (^) Processo

Negócio

Controle

Dispositivo

SensorNível de Bit^ Interbus

Loop

InterbusProfibus DP

ControlNet

ATM/FDDI

CCLink DeviceNet

SDS Ethernet 10/100/1000 Base-T

ASI Seriplex

CAN

Profibus

FMS

HART

LonWorks

Profibus

PA

IEC/SP50H

IEC/SP50 H

DeviceWFIP

WorldFIP

Aplicações

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Características do nível físico:

• Topologia física básica do tipo linha principal com derivações.
• Barramentos separados de par trançado para a distribuição de sinal e de alimentação (24VCC), ambos no mesmo cabo.
• Inserção e remoção de nodos a quente, sem necessidade de desconectar a alimentação da rede.
• Uso de opto acopladores para permitir que dispositivos alimentados externamente possam compartilhar o cabo do barramento com os dispositivos alimentados pelo barramento.
• Usa terminadores de 121 ohms em cada fim de linha.
• Permite conexão de múltiplas fontes de alimentação.
• As conexões podem ser abertas ou seladas.

Figura 4 : Caixa de conexão aberta e conexão selada

A partir de cada dropline vários dispositivos podem ser ligados em daisy chain.

Multiport Tap

Tee Tap

Trunk line segments -molded mini-connectors Drop lines

• molded connectors
• 0 to 20 ft.
• mini or micro at sensor

Field Installable trunk line connectors -screw type -crimp type

Linha Tronco

Trunk line

Droplines

Droplines

Taps may mounted in panels or in junction type boxes with cord grips

Zero drop with temporary terminal support

Zero drop with temporary terminal support

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Figura 5 : Topologia da rede DeviceNet As seguintes regras devem ser obedecidas para que o sistema de cabos seja operacional:

• A distância máxima entre qualquer dispositivo em uma derivação ramificada para a linha tronco não pode ser maior que 6 metros (20 pés).
• A distância entre dois pontos quaisquer na rede não pode exceder a distância máxima dos cabos permitida para a taxa de comunicação e tipo de cabo utilizado conforme a tabela 1. A distância se refere a distância entre dois dispositivos ou resistores de terminação.

Velocidade de Comprimento da derivação transmissão

Distância Máxima (Cabo Grosso)

Distância Máxima (Cabo fino) Máxima^ Acumulada 125 Kbps 500 m 100m 6 m 156 m 250 Kbps 250 m 100m 6 m 78 m 500 Kbps 100 m 100m 6 m 39 m

Tabela 1: Velocidades de transmissão e comprimentos de cabo na DeviceNet

E x e m p l o : C á l c u l o d a d e r i v a ç ã o c u m u l a t i v a

Figura 6 : Cálculo da derivação cumulativa

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Figura 8 – Cálculo de queda de tensão numa rede DeviceNet [Sense 2001]

Colocação da fonte de alimentação

A colocação da fonte de alimentação também segue uma série de regras. Aqui examinaremos apenas alguns princípios básicos:

A corrente máxima suportada pela fonte, em um dado segmento, é função do comprimento máximo do segmento e deve obedecer à tabela abaixo:

Cabo Grosso

Cabo Chato

Cabo Grosso

Cabo Chato Comprimento da rede (m)

Corrente Máxima (A)

Corrente Máxima (A)

Comprimento da rede (m)

Corrente Máxima (A)

Corrente Máxima (A) 0 8.00 8.00 240 1.28 1. 20 8.00 8.00 260 1.19 1. 40 6.53 7.01 280 1.10 1. 60 4.63 4.72 300 1.03 0. 80 3.59 3.56 340 0.91 0. 100 2.93 2.86 360 0.86 0. 120 2.47 2.39 380 0.82 0. 140 2.14 2.05 420 0.74 0. 160 1.89 1.79 440 0.71 ---- 180 1.69 1.60 460 0.68 ---- 200 1.53 1.44 480 0.65 ---- 220 1.39 1.31 500 0.63 ----

Tabela 3 : Comprimento do segmento de rede x corrente máxima para fonte única

Princípios gerais a serem observados para melhorar o posicionamento da fonte:

• Mover a fonte de alimentação na direção da seção sobrecarregada
• Mover as cargas de corrente mais alta para mais próximo da fonte.
• Transferir os dispositivos de seções sobrecarregadas para outras seções.
• Diminuir o comprimento dos cabos.

Autor: Constantino Seixas Filho 8

E x e m p l o

Figura 9 : Posicionamento da fonte de alimentação

Vamos determinar se a fonte de alimentação está sobrecarregada ou não:

1. Somatório das correntes dos dispositivos da Seção 1: (1,10 + 1,25 + 0,50) = 2,

2. Somatório das correntes dos dispositivos da Seção 2: (0,25 + 0,25 + 0,25) = 0,

3. O comprimento da seção 1 é de 86 metros. Consultando a tabela para 100 metros verificamos que a corrente máxima permitida é de 2,93 A. O comprimento da seção 2 é de 158 metros. Consultando a tabela para 160 metros encontramos 1,89 A.

Logo, toda a rede está operacional.

D e v i c e N e t A s s i s t a n t

A Rockwell Automation desenvolveu um aplicativo que facilita a configuração de um barramento DeviceNet. O software realiza os cálculos necessários para verificação de comprimentos de cabo, corrente, etc.

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Arbitragem

Um nodo só inicia o processo de transmissão, quando o meio está livre. Cada nó inicia um processo de transmissão e escuta o meio para conferir bit a bit se o dado enviado é igual ao dado recebido. Os bits com um valor dominante sobrescrevem os bits com um valor recessivo.

Figura 12 : Processo de arbitragem

Suponha que os nodos 1, 2 e 3 iniciem a transmissão simultaneamente. Todos os nodos escrevem e lêem o mesmo bit do barramento até que o nodo 2 tenta escrever um bit recessivo (1) e lê no barramento um bit dominante (0). Neste momento o nodo 2 passa para o modo de leitura. Um pouco mais à frente o mesmo acontece com o nodo 1. Isto significa que o valor do identificador da mensagem 3 tem um menor valor binário e portanto uma maior prioridade que as demais mensagens.

Todos os nodos respondem com a ACK, dentro do mesmo slot de tempo, se eles receberam a mensagem corretamente.

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Modelo de rede

Utiliza paradigma Produtor/Consumidor que suporta vários modelos de rede:

Produtor/Consumidor O Dado é identificado pelo seu conteúdo. A mensagem não necessita explicitar endereço da fonte e destino dos dados. Também não existe o conceito de mestre. Qualquer nodo pode iniciar um processo de transmissão. Este modelo permite gerar todos os demais:

Mestre/Escravo

O PLC ou scanner possui a função de mestre e realiza um polling dos dispositivos escravos. Os escravos só respondem quando são perguntados. Neste sistema o mestre é fixo e existe apenas um mestre por rede.

Peer to peer

Redes peer to peer não possuem um mestre fixo. Cada nó tem o direito de gerar mensagens para a rede, quando de posse de um token. O mecanismo de passagem de token pode ser baseado na posição do nodo no anel lógico ou definido por um mecanismo de prioridades.

PLC

I/O 1 I/O 2 I/O 3

PLC

PLC2 PLC

PLC

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Nestes dois últimos tipos de mensagens o consumidor deve enviar uma ACK ao produtor. Para gerenciar o envio de mensagens de múltiplos consumidores, o ACK handler object deve ser utilizado.

Mensagens

O identificador CAN é utilizado para estabelecer a prioridade do nó no processo de arbitragem e é usado pelos nodos que recebem a mensagem para filtrar as mensagens do seu interesse.

A rede DeviceNet define dois tipos de mensagens: mensagens de entrada e saída e mensagens explícitas.

M e n s a g e n s d e e n t r a d a / s a í d a

São dados de tempo crítico orientados ao controle. Elas permitem o trânsito de dados entre uma aplicação produtora e uma ou mais aplicações consumidoras.

As mensagens possuem campo de dados de tamanho de 0 a 8 bytes que não contém nenhum protocolo, exceto para as mensagens de I/O fragmentado, onde o primeiro byte da mensagem é usado para o protocolo de fragmentação. O significado de cada mensagem é função do identificador CAN. Antes que mensagens utilizando este ID possam ser enviadas, tanto o dispositivo emissor quanto o receptor devem ser configurados.

Identificador Dado CRC <- 0..8 bytes ->

Quando a mensagem supera os 8 bytes, existe um serviço de fragmentação de mensagens que é aplicado. Não existe limite no número de fragmentos.

M e n s a g e n s e x p l í c i t a s

São utilizadas para transportar dados de configuração e diagnóstico ponto a ponto. Estas mensagens possuem baixa prioridade. Elas constituem uma comunicação do tipo pergunta/resposta geralmente utilizadas para realizar a configuração de nodos e o diagnóstico de problemas. O significado de cada mensagem é codificado no campo de dados.

Mensagens explícitas também podem ser fragmentadas.

0 Cabeçalho da mensagem 0 Cabeçalho da Mensagem 1 1 Protocolo de fragmentação 2 2 3 3 4 4 5 5 6

Corpo da Mensagem

Corpo de Mensagem Fragmentada

Autor: Constantino Seixas Filho 14

Figura 13 : Quadro de dados: mensagem explícita não fragmentada x fragmentada

A definição do comportamento de um dispositivo inserido na rede é definida pelo Device Profile.

DeviceNet divide os 11 bits do identificador CAN em quatro grupos: Os três primeiros grupos contém dois campos, um campo de 6 bits para o MAC ID (6 bits <-> 64 endereços) e o restante para o MESSAGE ID. Os dois campos combinados formam o CONECTION ID.

Bits de identificação 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

HEX

RANGE

USO DO

ENDEREÇO

0 Group 1 Msg ID Source MAC ID 000-3ff Grupo de mensagens 1 1 0 MAC ID

Group 2 Message ID

400-5ff Grupo de mensagens 2 1 1 Group 3 Message ID

Source MAC ID 600-7bf Grupo de Mensagens 3 1 1 1 1 1 Group 4 Message ID (0-2f)

7c0-7ef Grupo de Mensagens 4 1 1 1 1 1 1 1 X X X X 7f0-7ff Idenficadores Inválidos 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Figura 14: Grupos de mensagens DeviceNet

P r e d e f i n e d M a s t e r / S l a v e C o n n e c t i o n S e t

Em aplicações Master slave com dispositivos simples, não existe necessidade de configuração dinâmica de conexões entre os dispositivos. Neste caso pode-se usar um conjunto especial de identificadores conhecidos como Predefined Master/Slave Connection Set. O tipo e a quantidade de dados a serem gerados por estes dispositivos simples é conhecido em tempo de configuração.

As mensagens do grupo 2 são utilizadas na definição destes identificadores. Neste grupo, o MAC ID não é especificado como Source MAC ID, o que possibilita utilizá-lo como Destination ID. O group ID e o MAC ID estão localizados nos primeiros 8 bits da mensagem o que permite sua filtragem por chips antigos do protocolo CAN, que só trabalham com 8 bits.

Um mestre, desejando se comunicar com diversos escravos, pode pedir emprestado o endereço do destino da mensagem e usar o campo de MAC ID para este fim.

BITS DE IDENTIFICAÇÃO 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Descrição

0 Group 1 Msg ID Source MAC ID (^) Group 1 Messages

Group ID

Autor: Constantino Seixas Filho 16

Os principais objetos definidos são:

O b j e t o I d e n t i d a d e

Cada produto DeviceNet terá uma única instância do objeto identidade. Os atributos serão:

Atributos Serviços

• VendorID
• Device Type
• Product Code
• Revision
• Status
• Serial Number
• ProductName
• Status
  • Get_attribute_Single
  • Reset

O b j e t o R o t e a d o r d e M e n s a g e n s

Cada produto DeviceNet terá uma única instância do objeto roteador de mensagem (Instância #1). O componente roteador de mensagens é o componente de um produto que passa mensagens explícitas para outros objetos. Ele em geral não possui nenhuma visibilidade externa na rede DeviceNet.

O b j e t o A s s e m b l y

Cada produto DeviceNet terá uma única ou múltiplas instâncias do objeto assembly. O propósito deste objeto é agrupar diferente atributos (dados) de diferentes objetos de aplicação em um único atributo que pode ser movimentado com uma mensagem única.

O b j e t o s d e C o n e x ã o

Cada produto DeviceNet terá tipicamente pelo menos dois objetos de conexão. Cada objeto de conexão representa um ponto terminal de uma conexão virtual entre dois nodos numa rede DeviceNet. Uma conexão se chama Explicit Messaging e a outra I/O Messaging. Mensagens explícitas contém um endereço do atributo, valores de atributo e código de serviço descrevendo a ação pretendida. Mensagens de I/O contém apenas dados. Numa mensagem de I/O toda a informação sobre o que fazer com o dado está contida no objeto de conexão associado como a mensagem de I/O.

O b j e t o s d e P a r a m e t r i z a ç ã o

Este objeto é opcional e será usado em dispositivos com parâmetros configuráveis. Deve existir uma instância para cada parâmetro configurável. Uma ferramenta de configuração necessita apenas endereçar o objeto de parametrização para acessar todos os parâmetros. Opções de configuração que são atributos do objeto de parametrização devem incluir: valores, faixas, texto e limites.

Autor: Constantino Seixas Filho 17

O b j e t o s d e A p l i c a ç ã o

Todo dispositivo usualmente possui pelo menos um objeto de aplicação. Existem vários objetos de aplicação padrões na biblioteca de objetos DeviceNet.

Figura 16: Modelo de objetos DeviceNet

Autor: Constantino Seixas Filho 19

$ Author: BJT $ Date: 11/28/ $ $ Edit History: BJT 11/28/94 Created $ BJT 11/30/94 Support Rev C $ BJT 04/10/95 Added Output and Margin $ BJT 06/01/95 MaxInst should equal # of parameters in EDS $ BJT 06/23/95 Added IO Info section $ BJT 8/16/96 Add COS and Diagnostic Mode

[File] DescText = "DeviceNet 9000 Photoelectric Sensor EDS File";

CreateDate = 11-22-94; CreateTime = 11:00:00; Revision = 1.0; $ EDS file revision

[Device] VendCode = 1; ProdType = 6; ProdCode = 10;

MajRev = 2; MinRev = 1;

VendName = "Allen-Bradley"; ProdTypeStr = "Photoelectric Sensor"; ProdName = "Series 9000 - Transmitted Beam Receiver";

Catalog = "42GNR-9000-QD1";

[IO_Info] Default = 0x0004; $ Strobe only PollInfo = 0, 0, 0; $ Not supported StrobeInfo = 0x000, 0, 0; $ Not Supported COSInfo = 0x0004, 1, 1; $ Use Input1 and Output1 for COS Input1 = 1, $ 1 byte 2, $ 2 bits used 0x0002, $ Strobe only "Sensor Output & Margin", $ Name 6, $ Path size "20 04 24 01 30 03", $ Path to ID value attribute "Output & Margin from Sensor. Output value is Bit 0. Margin indication is Bit 1"; $ Help string

[ParamClass] MaxInst = 4; Descriptor = 0x09;

[Params] Param1 = $ Operate Mode 0, $ Data Placeholder 6, "20 0e 24 01 30 08",$ Path size and Path to Operate Mode Attribute 0x02, $ Descriptor - (Support Enumerated Strings) 4, 1, $ Data Type and Size - (16 bit word) "Operate Mode", $ Name " ", $ Units (Not Used) "LIGHT OPERATE [DARK OPERATE] - The output is "on"["off"] when \n" " the photoelectric sensor(receiver) sees light generated by the light \n" " source(emitter). The output is "off"["on"] when the target object breaks \n"

Autor: Constantino Seixas Filho 20

" the light beam between source and receiver. The default is Light Operate.", $ Help 0,1,0, $ min, max, default values 1,1,1,0, $ mult, div, base, offset scaling (Not Used) 1,1,1,0, $ mult, div, base, offset links (Not Used) 0; $ decimal places

Perfis de dispositivos

A especificação DeviceNet define muito mais que a conexão física e protocolos. Define também modelos padrões para tipos de dispositivos. O objetivo final é promover a intercambialidade e interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes.

Os perfis de dispositivos definem os requisitos mínimos que cada dispositivo: push button, fotocélulas, atuadores de válvulas pneumáticas, etc. devem possuir para serem considerados compatíveis.

Um perfil de dispositivo deve conter as seguintes seções:

• Definição do modelo de objeto do dispositivo: Lista todas as classes de objeto presentes no equipamento, o número de instâncias em cada classe, como cada objeto afeta o comportamento das interfaces públicas para cada objeto.
• Definição do formato de dados de I/O do produto. Geralmente inclui a definição de um objeto da classe Assembly que contém o endereço (classe, instância e atributo) dos componentes de dados desejados.
• Definição dos parâmetros configuráveis do objeto e das interfaces públicas para este parâmetros. Estas informações são incluídas no EDS.

E x e m p l o : S e n s o r f o t o e l é t r i c o

Tipo do objeto Quantidade Identidade 1 Roteador de Mensagem 1 DeviceNet 1 Conexão 2 (1 explícito, 1 I/O) Assembly 1 Parametrização 1 (opcional) Sensor de Presença 1