Device-net

¿Qué es? Originalmente desarrollada por Rockwell Automation (Allen-Bradley) en el año 1993, DeviceNet es una de las redes de dispositivos más populares y de mayor penetración en el mercado americano, cubriendo en EEUU cerca del 60% de las redes de su tipo y en Chile, en particular, por sobre el 40%, encontrándose en las más diversas aplicaciones en la industria nacional, desde la gran minería hasta la industria salmonera y alimenticia, sin olvidar la importancia en la industria de la celulosa. Esta plataforma fue adoptada por la Open DeviceNet Vendor Association, OVDA, una organización no lucrativa fundada en 1995 para apoyar mundialmente la evolución de sus especificaciones, agrupando a más de 300 proveedores de dispositivos de control para automatización de plantas. Su misión es la de promover la normalización de este protocolo en todo el mundo y propiciar la mejoría de las funcionalidades de la norma con el fin de satisfacer las necesidades de conectividad de la planta moderna. DeviceNet es un bus de campo económico para componentes industriales, tales como detectores de final de carrera, detectores ópticos, terminales de válvulas, convertidores de frecuencia, paneles de mando y muchos otros productos. DeviceNet se utiliza para reducir el costoso cableado individual y para mejorar las funciones de diagnóstico específicas por componente.
 * Introducción (Adriana Sáenz Agudelo)**

¿Está normalizada? DeviceNet es un bus de campo abierto gracias al estándar correspondiente especificado por una organización independiente Open DeviceNet Vendor Association – ODVA. A esta organización están adheridas más de 300 compañías en todo el mundo.

¿Cómo surge? Esta red se desarrolló para satisfacer las necesidades de la industria de contar con un medio de comunicación que fuera aceptado universalmente y que tuviera la capacidad de aceptar la mayoría de los dispositivos empleados en el primer nivel de la planta. Además de leer el estado de los dispositivos discretos conectados a la red, tiene la capacidad de reportar temperaturas, leer la corriente de carga en un arrancador de motor, cambiar la velocidad del impulsor de un motor o contar el número de envases que han pasado en una banda transportadora durante el turno anterior.

¿Tiene diferentes versiones o perfiles? DeviceNet es una de las redes que han adoptado el esquema productor/consumidor, lo que implica que la información producida por una sola fuente en la red alimenta en forma simultánea a todos los probables receptores y deja a éstos la decisión de escuchar o no el mensaje recibido. Los beneficios del esquema se reflejan en una mejor utilización del ancho de banda y la agilización en el tiempo de respuesta en la red.


 * Capa Física (Adrian Castillo)**

la especificación de capa física de DeviceNet representa una extensión del estándar ISO11898. DeviceNet especifica redes de hasta 64 nodos con topología de bus. Las líneas del bus son terminadas en ambos extremos con una impedancia de RT=121 Ohms +/- 1%. La Figura B-3 muestra la máxima longitud permitida para las “líneas drop” y la máxima extensión del bus dependiendo de la velocidad de transmisión y del tipo de cable usado en el bus.
 * Figura 1:** Máxima extensión del bus

Devicenet especifica un par de alambres uno para señal de transmisión y otro para potencia de alimentación. Tres tipos de cables de tamaño variable de diámetro son permitidos, “cable grueso” (thick cable), “cable delgado” (thin cable) y “cable plano” (flat cable). Los cables grueso y plano son usados para tamaños de red mayores a 100 m. “Drop lines” y redes de tamaño más pequeño pueden ser realizadas con cable delgado. Es obligatorio es uso de código de colores en alambres individuales.

De acuerdo a la especificación DeviceNet, sus dispositivos soportan hasta tres velocidades de transmisión: 125 kBit/s, 250 kBit/s, 500kBit/s1. La conexión al bus así como los dispositivos electrónicos pueden ser alimentados por la fuente de alimentación (nominal de 24V).

Las Figuras 2, 3 y 4 especifican tres tipos de conectores:


 * Estilo Abierto
 * Estilo Mini
 * Estilo Micro

Adicionalmente, DeviceNet especifica múltiples conectores y “taps” requeridos para instalación así como posibilidades de conexión para un conector especial para propósitos de diagnóstico.

**Figura 2:** Conector “open style” DeviceNet

1 Solamente la velocidad de 125 kBit/s es obligatoria, las otras dos son opcionales. Comúnmente los dispositivos soportan las tres.


 * Figura 3:** Conector “mini style” DeviceNet


 * Figura 4:** Conector “micro style” DeviceNet

Conexión del bus y dispositivo debe ser protegida contra “miswiring”. Posibles medidas para proteger las conexiones son sugeridas en la especificación DeviceNet. La conexión al bus opcionalmente puede tener aislamiento galvánico.


 * Capa Enlace (Adrian Castillo)**


 * __Método de Acceso al Medio__**

DeviceNet implementa el protocolo de CAN en su capa de enlace. Así, el método de acceso al medio definido por CAN consiste en un mecanismo de arbitraje de bus para evitar la pérdida de la información debida a una colisión. Este método ha sido llamado CSMA/NBA, lo cual es la sigla para Carrier Sense Media Access/Not destructive Bit-wise Arbitration, que en español puede traducirse como Acceso al Medio por Detección de Portadora/Arbitraje de Bit-inteligente no destructivo.


 * __Arbitraje del bus__**

Cada vez que el bus está libre, cualquier unidad (nodo) puede comenzar a transmitir un mensaje. Si 2 o más unidades comienzan a transmitir un mensaje en el mismo momento, el conflicto por el acceso al bus es resuelto por el mecanismo de bit-wise arbitration (o arbitraje de bit inteligente) usando el IDENTIFIER (o identificador), contenido en la trama CAN. El mecanismo de arbitraje garantiza que ninguna información ni tiempo es perdido. El protocolo CAN define dos estados para el bus: “recesivo” (1 lógico) y “dominante” (0 lógico). Los nombres de los estados lógicos tienen que ver con el proceso de arbitraje. Durante el arbitraje todo transmisor compara el nivel del bit transmitido con el nivel de bit que es detectado en el bus. Si estos niveles son iguales la unidad puede continuar enviando. Cuando un nivel “recesivo” es transmitido y un nivel “dominante” es detectado, la unidad ha perdido el arbitraje y debe retirarse sin enviar ningún bit más.


 * __Definición del Transmisor/Receptor__**

En el contexto del protocolo de comunicación CAN, se define la unidad Transmisora o Receptora según la función que está realizando, en determinado momento.

· **Transmisor CAN:** una unidad originadora de un mensaje es llamada “Transmisor” de ese mensaje. La unidad permanece como Transmisor hasta que el bus está desocupado o bien, hasta que la unidad pierda el arbitraje. · **Receptor CAN:** una unidad es llamada “Receptora” de un mensaje, si esta no es Transmisora de un mensaje y el bus no está desocupado.


 * __Formato de la Trama CAN para DeviceNet__**


 * a) Tipos de Tramas CAN**

La especificación CAN define 4 tipos de tramas, o frames, para la transmisión de datos, y son las siguientes:


 * Data Frame** (Trama de Dato): porta datos desde un transmisor a los receptores.
 * Remote Frame** (Trama Remota): es transmitido por una unidad del bus para requerir la transmisión del Data Frame con el mismo IDENTIFIER.


 * Error Frame** (Trama de Error): es transmitido por cualquier unidad que haya detectado un error en el bus.


 * Overload Frame** (Trama de Sobrecarga): es usado para proveer un retardo extra entre el precedente y el siguiente Data Frame o Remote Frame.

El protocolo DeviceNet utiliza //sólo// el **Data Frame** de CAN, por lo cual es considerado en detalle a continuación.


 * b) El Data Frame**

El //Data Frame//, o Trama de Dato, porta los datos desde un dispositivo transmisor a uno o varios dispositivos receptores. Está compuesto de 7 diferentes campos de bits:

· **Start of Frame** (Comienzo de Trama) · **Arbitration Frame** (Arbitraje de Trama) · **Control Field** (Campo de Control) · **Data Field** (Campo de Dato) · **CRC Field** (Campo CRC) · **ACK Field** (Campo ACK) · **End of Frame** (Fin de Trama)


 * c) El Control Field**

El //Control Field//, o Campo de Control, entrega la información acerca de cuántos bytes de datos son contenidos dentro del Data Field, o Campo de Dato, que le sigue después. El Control Field consiste de 6 bits, distribuidos en el Data-Length-Code, o Código de Longitud e Dato, de 4 bits y los 2 bits restantes están reservados. Los bits reservados deben ser enviados como “dominante”.


 * d) El Data Field**

El //Data Field//, o Campo de Dato, contiene los datos a transferir. Puede contener desde 0 hasta 8 bytes, lo cual es indicado previamente en el Campo de Control. Cada byte es de 8 bits los cuales son trasmitidos desde el MSB al LMS.


 * e) El CRC Field**

El //CRC Field//, o Campo de CRC, tiene una longitud de 16 bits, divididos en la Secuencia CRC (CRC Sequence) de 15 bits, seguida por el Delimitador CRC (CRC Delimiter) de 1 bit.


 * f) El ACK Field**

El //ACK Field//, o Campo ACK, significa el Campo de Reconocimiento. Se compone de 2bits, el ACK Slot, o Ranura ACK, y el ACK Delimiter, o Delimitador ACK.


 * g) El End of Frame**

El End of Frame, o Fin de Trama, delimita a todo Data Frame, para indicar, tal como su nombre lo indica, el fin de éste. Consiste de una secuencia de 7 bits “recesivos”.


 * __Codificación__**

El método de codificación de bit es el NRZ y seutiliza la técnica de bit de relleno (bit-stuffing) cada vez que el transmisor detecta 5 bits consecutivos idénticos. Sin embargo, no se aplica relleno bits a todos los campos del Data Frame. La técnica de relleno de bits se aplica en los siguientes campos del Data Frame:

· Start of Frame · Arbitartion Field · Control Field · Data Field · CRC Sequence del CRC Field

Dado que los campos restantes son de formato fijo (CRC Delimiter, ACK Field y End of Frame), estos no son rellenados.


 * __Validación de Mensaje__**

El momento en que un mensaje es tomado para ser validado, es diferente para el Transmisor y el Receptor del mensaje.

· **Validación del Transmisor**: El mensaje es validado por el transmisor, si no hay error hasta el final del End of Frame. Si un mensaje está dañado, será retransmitido automáticamente y de acuerdo a la priorización. Para poder competir por el acceso al bus con otros mensajes, la retransmisión debe comenzar tan pronto como el bus esté desocupado.

· **Validación del Receptor**: El mensaje es validado por los receptores, si no hay error hasta el último bit del End of Frame.


 * capa aplicación /perfiles de aplicación / perfiles de dispositivos** **(Adriana Sáenz Agudelo)**

DeviceNet emplea las especificaciones del bus CAN (la capa 2 de DeviceNet es íntegramente CAN), por lo que son aplicables gran parte de las características de robustez de CAN, y añade las especificaciones eléctricas de RS485.

La red permite que los dispositivos conectados a la misma se puedan enlazar como maestro/esclavo (Master/Slave), entre pares (Peer-to-Peer) y como productor/consumidor. Este último modo de comunicación es un modelo recientemente desarrollado para las pistas de comunicación más sofisticadas, como FF Fieldbus y ControlNet. Múltiples nodos consumen en forma simultánea los mismos datos generados por un productor sencillo. Así, los nodos pueden sincronizarse con facilidad, y el ancho de banda es utilizado con mayor eficiencia. La relación maestro/esclavo es la más sencilla de entender, ya que el PLC o Scanner es el maestro y los dispositivos entrada/salida son los esclavos. El esclavo sólo habla cuando se le interroga, y únicamente hay un maestro por red. Considérese que los nodos pueden ser eliminados o insertados sin necesidad de desconectar la energía a la red. También se dispone de fuentes de energía adicionales que se pueden conectar en cualquier lugar de la red para tener un apoyo redundante. En algunos casos se requiere energizar determinados dispositivos que consumen grandes cantidades de energía de una fuente externa, tales como arrancadores de motores y válvulas solenoides. En estas situaciones se utilizan aisladores ópticos que mantienen la energía adicional aislada de la línea troncal. • Número máximo de nodos por red: 64 en topología de bus con derivaciones. • Distancia máxima: 100 m a 500 m. y hasta 6 km Con repetidores, y en velocidades de 125, 250 y 500 Kbps. • Emplea dos pares trenzados: control y alimentación, con alimentación en 24 Vdc, con opción de redundancia. • Transmisión basada en el modelo productor/consumidor con un empleo eficiente de ancho de banda y con mensajes desde 1 byte hasta largos ilimitados. • Reemplazo Automático de nodos, no requiere de programación y elevado nivel de diagnósticos. Las funciones que incorpora la capa de aplicación DeviceNet son: - Asignación de identificación CAN, estableciendo niveles de prioridad y permitiendo que cada nodo conozca qué mensajes van destinados a él. La configuración se puede realizar mediante software o microinterruptores. - Control del tipo de mensajes a transmitir (mensajes explícitos, fragmentación, etc). - Detección de direcciones duplicadas. Antes de estar activos en la red debe chequearse la no duplicidad. - Consistencia de datos en el dispositivo: datos de identidad (tipo de nodo, velocidad de transferencia, etc) y datos de configuración del nodo (dependiendo del tipo de dispositivo, se deben configurar valores límite, velocidades, consumos, inicialización de contadores, etc.). Una de las características particulares de DeviceNet es la existencia de múltiples formatos de mensajes, lo que permite al bus operar de un modo u otro dependiendo del tipo de mensajes enviados, y pudiendo mezclar diversos tipos de mensajes. Los tipos de mensajes son:

- Sondeo: El maestro interroga uno por uno a cada nodo para recibir o enviar una actualización del estado del nodo. Este método requiere un mensaje saliente y otro mensaje entrante para cada nodo de la red. -Strobing: Un nodo solicita mediante difusión simultánea la actualización a todos los nodos. Cada nodo responde a este mensaje mediante un orden predeterminado por una lista priorizada para permitir que los nodos más críticos sean los primeros en responder. -Envío cíclico: Los dispositivos son configurados para enviar mensajes de forma regular según el tiempo programado. -Cambio de estado: Los nodos únicamente envían mensajes cuando su estado cambia, lo que implica una utilización mínima del bus. -Mensajes explícitos: Este método implica cómo un nodo debe interpretar los mensajes. -Mensajes fragmentados: Es empleado para el caso donde es necesario enviar más de 8 bytes de datos en un solo envío.


 * Integración con otras redes y arquitecturas CIM ( Adrian Castillo)**

DeviceNet se compone de tres estándares internacionales. Pero dado que el protocolo CAN (ISO 11898) está contenido dentro del Volumen 3 de CIP, DeviceNet queda totalmente definida por el protocolo CIP en sus Volúmenes 1 y 3, o que es lo mismo que los estándares internacionales IEC 61158 e IEC 62026 respectivamente.

Al conjunto de redes de comunicación basadas en el protocolo CIP es llamado “Familia CIP”. La red DeviceNet fue la primera red en formar parte de esta familia.

El Volumen 1 de CIP otorga una especificación común a las redes DeviceNet, ControlNet, Ethernet/IP y CompoNet, para las capas superiores del modelo OSI. Luego, un volumen particular de adaptación CIP para cada red en particular es definido.

La red DeviceNet se ubica entre los 2 primeros niveles de la jerarquía CIM, es decir, en los niveles de sensor/actuador y campo (y parcialmente en el nivel de control). En forma paralela, como parte de la Arquitectura NetLinx de comunicación de 3 niveles, desarrollada en conformidad al modelo CIM, impulsada por la empresa Rockwell-Automation y otras asociadas a ODVA y a ControlNet International, se ubica en su nivel de dispositivo, es decir, en su nivel 1.

Esta arquitectura de comunicación, para la integración de redes industriales, tiene como objetivo la integración de los diferentes niveles jerárquicos de redes industriales presentes en la empresa. DeviceNet cumple su papel como la red de los dispositivos de bajo nivel, tales como sensores, botoneras y drives entre otros. También conecta dispositivos de mayor nivel tales como PLC.


 * Ejemplos de aplicación** **(Adriana Sáenz Agudelo)**

Las aplicaciones en las que habitualmente se emplea DeviceNet son todas las aplicaciones habituales de los buses de campo, como por ejemplo ensamblado de piezas, máquinas de soldadura, captaciones de sensores distribuidos, sensores inteligentes, válvulas neumáticas, lectores de códigos de barras, interfaces de operador, etc. Además es bastante empleado por su bajo costo, alta fiabilidad, empleo eficiente del ancho de banda y la posibilidad de incorporar la tensión de alimentación (24 VDC) en el mismo cable del bus.


 * Programación /configuración de la red . Ejemplos (David Muñoz Enriquez)**

La programacion de la Red DeviceNet se realiza utlizando el RSNetWorx for DeviceNet de Rockwell y RSLinx. La conexión entre el PC y la Red se puede hacer directamente conectandose a la Red DeviceNet o utlizando un conector para la red o haciendo un puente entre las redes hasta llegar al dispositivo. El Dispositivo utlizado para realizar la comunicación es el DeviceNet Scanner, este dispositivo soporta hasta 64 dispositvos dentro de la red, los dispositivos se direccionan desde 00 hasta 63, la direccion 00 se utiliza para el Scanner y la 63 no se para un dispositivo puesto que la red la ultiliza para hacer broadcast, por lo tanto hay 62 direcciones efectivas.



La configuración del Scanner se puede realizar de manera automatica o manual. En la manera automatica se le dice al Scanner que realice una busqueda de dispositivos por toda la red y se guardan las direcciones de los dispostivos que se encontraron y se configuran automaticamente los parametros que se van a leer y/o escribir de cada dispositivo. De forma manual se agregan las direcciones y los parametros que se desean leer y/o escribir por cada dispositivo. Esto es hacer un mapeo de la red con los parametros de lectura y/o escritura. Con esto el Scanner hace el vinculo ente la red y el controlodar o SCADA para utilizar los datos.




 * Links**

http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2007/bmfcim971e/doc/parte/iii.pdf


 * http://www.spse.com.ar/sitios_internos/mantenimiento_distrito/electrica/manuales/Weg/SSW07-Manual-DeviceNet-R00-es_ES-10000046974.pdf

http://www.rtaautomation.com/devicenet/**

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