DeviceNet
DeviceNet es una red digital, multi-punto para conexión entre sensores, actuadores y sistemas de automatización industrial en general. Esta tecnología fue desarrollada para tener máxima flexibilidad entre los equipos de campo e interoperabilidad entre diferentes fabricantes.
Introducido originalmente en 1994 por Allen-Bradley, DeviceNet transfirió su tecnología a ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) en 1995. La ODVA es una organización sin fines de lucro compuesta por cientos de empresas alrededor del mundo que mantienen, difunden y promueven la tecnología DeviceNet y otras redes basadas en el protocolo CIP (Common Industrial Protocol). Actualmente más de 300 empresas están registradas como miembros, y 800 más ofrecen productos DeviceNet de todo el mundo.
La red DeviceNet está clasificada en el nivel de red llamada devicebus, cuyas características principales son: alta velocidad, comunicación a nivel de byte que incluye comunicación con equipos discretos y analógicos y alto poder de diagnóstico de los dispositivos de la red.
La tecnología DeviceNet es un estándar abierto de automatización con el objetivo de transportar 2 tipos principales de información:
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Datos cíclicos de sensores y actuadores, directamente relacionados al control.
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Datos no cíclicos indirectamente relacionados al control, como configuración y diagnóstico.
Los datos cíclicos representan la información intercambiada periódicamente entre el equipo de campo y el controlador. Por otro lado, los no cíclicos son informaciones intercambiadas eventualmente durante la configuración o diagnóstico del equipo de campo.
La capa física y de acceso a la red DeviceNet está basada en la tecnología CAN (Controller Area Network) y las capas superiores en el protocolo CIP (Common Application Layer – Capa de Aplicación Común), que define una arquitectura basada en objetos y conexiones entre ellos.
El CAN fue originalmente desarrollado por la BOSCH para el mercado de automóviles Europeos para sustituir el cableado costoso por un cable en red de bajo costo en automóviles. Como resultado, el CAN tiene respuesta rápida y confiabilidad alta para aplicaciones principalmente en las áreas automovilística.
Una red DeviceNet puede tener hasta 64 dispositivos donde cada uno ocupa un nodo en la red, direccionados de 0 a 63. Cualquiera de ellos puede ser utilizado, aunque el uso de la dirección 63 no es recomendable, ya que se utiliza para la puesta en marcha.
Un ejemplo de red DeviceNet se muestra en la figura PC29.
Figura PC29. Ejemplo de una red DeviceNet
Características de la red
Topología basada en bus principal con ramificaciones. El bus principal debe ser hecho con el cable DeviceNet grueso, y las ramificaciones con el cable DeviceNet delgado o plano. Cables similares podrán usarse siempre y cuando sus características eléctricas y mecánicas sean compatibles con las especificaciones de los cables estándar DeviceNet.
Otras características a destacar son:
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Permite el uso de repetidores, bridges, ruteadores y gateways.
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Suporta hasta 64 nodos, incluyendo el maestro, direccionados de 0 a 63 (MAC ID).
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Cable de 2 pares: uno para alimentación de 24V y otro para comunicación.
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Capacidad de insertar y cambiar en caliente, sin interrumpir a la red.
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Compatible con equipos alimentados por la red de 24V o como que tengan su propia fuente.
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Uso de conectores abiertos o cerrados.
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Protección contra conexión inversa y corto-circuito.
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Alta capacidad de corriente en la red (hasta 16 A).
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Usa la misma energía de la fuente de alimentación.
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Varias fuentes pueden ser usadas en la misma red para satisfacer las necesidades de la aplicación en términos de carga y la longitud de los cables.
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Velocidad de comunicación seleccionable: de 125,250 y 500 kbps.
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Comunicación basada en conexiones de E/S y modelo de pregunta y respuesta.
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Diagnóstico de cada equipo y de la red.
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Transporte eficiente de datos de control discretos y analógicos.
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Detección de direccionamiento duplicado en la red.
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Mecanismo de comunicación extremamente robusto para interferencias electromagnéticas.
DeviceNet es una de las tres tecnologías de redes abiertas y estandarizadas, cuya capa de aplicación usa el CIP, al lado de ControlNet y EtherNet/IP, posee una estructura común de objetos. Es decir, es independiente del medio físico y de la capa de enlace de datos. Ésta utiliza una capa de aplicación estándar integrada a interfaces de hardware y software abiertas, constituye una plataforma de conexión universal entre componentes en un sistema de automatización, desde la fábrica hasta el nivel de internet.
CIP tiene dos objetivos principales:
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Transporte de datos de control de los dispositivos de I/O.
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Transporte de informaciones de configuración y diagnóstico del sistema que se controla.
Un nodo DeviceNet es entonces modelado por un conjunto de objetos CIP, los cuales encapsulan datos y servicios y determinan así mismo su comportamiento.
El modelo de objeto
Un nodo DeviceNet es modelado como una colección de objetos. Un objeto proporciona una representación abstracta de un componente particular dentro de un producto. Un ejemplo de objeto y una clase de objeto tiene atributos (datos), que proporcionan los servicios (métodos o procedimientos), e implementan comportamientos. Atributos, ejemplos, clase y direccionamiento del nodo desde (0-63) son direccionados por número.
Existen objetos obligatorios (que tienen todos dispositivos) y objetos opcionales. Los objetos opcionales que moldean el dispositivo de acuerdo con su categoría (llamado perfil) a la que pertenecen, tales como: AC/DC Drive, lector de código de barras o válvula neumática. Por ser diferentes, cada uno de ellos tendrá también un conjunto diferente de objetos.
La capa de enlace de datos (data link layer)
DeviceNet utiliza el estándar CAN sobre la capa de enlace de datos. El gasto mínimo requerido por el protocolo CAN en esta capa mejora el trabajo de DeviceNet cuando se trata de mensajes. El marco de datos DeviceNet utiliza solamente el tipo de estructura de datos del protocolo CAN. El protocolo utiliza un mínimo de banda para transmisión de los mensajes de CIP. El formato de la estructura de datos DeviceNet se muestra en la figura PC30.
Figura PC30. Estructura de datos DeviceNet
Modos de comunicación
El protocolo DeviceNet tiene dos tipos básicos de mensajes, mensaje cíclico I/O y explícito. Cada uno de ellos es adecuado a un determinado tipo de dato, conforme se describe abajo:
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Cíclic I/O: tipo de telegrama síncrono dedicado al procesamiento de datos prioritarios entre un productor y uno o más consumidores. Se dividen de acuerdo con el método de intercambio de datos. Los principales son:
- Cambio de Estado: método de comunicación donde el intercambio de datos entre maestro y esclavo ocurre cuando hay cambios en los valores monitoreados/controlados, hasta un cierto límite de tiempo. Cuando este límite es alcanzado, la transmisión y recepción ocurren, incluso sin alteraciones. La configuración de esta variable de tiempo es hecha en el programa de configuración de la red.
- Cíclico: otro método de comunicación muy semejante al anterior. La única diferencia está en la producción y consumo de mensajes. En este tipo, todo el intercambio de datos ocurre en intervalos regulares de tiempo, independiente de ser alterados o no. Este periodo también es ajustado en el software de configuración de la red.
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Bit-strobe: método de comunicación donde el maestro envía un telegrama por la red con 8 bytes de datos. Cada bit de estos 8 bytes representa un esclavo que, se direcciona y responde de acuerdo con lo programado.
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Polled: método de comunicación en que el maestro envía un telegrama a cada uno de su lista de esclavos (scan list). Así mimo, en cuanto reciba la solicitud del maestro, el esclavo responde rápidamente a dicha solicitud. Este proceso es repetido hasta que todos sean consultados, reiniciando el ciclo.
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Mensaje explícito: tipo de telegrama de uso general y no prioritario. Utilizado principalmente en tareas asíncronas tales como parametrización y configuración del equipo.
Capa física y medio de transmisión
DeviceNet usa una topología de red del tipo bus principal/derivación que permite que tanto la comunicación como la alimentación estén presentes en el mismo cable. Esta alimentación, es suministrada por una fuente conectada directamente en la red, y posee las siguientes características:
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24Vdc.
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Salida DC aislada de la entrada AC.
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Capacidad de corriente compatible con los equipos instalados.
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El tamaño total de la red varía de acuerdo con la velocidad de transmisión (125,250, 500Kbps).
Topología de la red
Las especificaciones de DeviceNet definen la topología y los componentes admisibles. La variedad de topologías posibles se muestra en la figura PC31.
Figura PC31. Topologías posibles en la red DeviceNet
La especificación también trata el sistema de aterramiento, mezcla entre el cable grueso y delgado (thick y thin), terminadores, y energía de alimentación.
La topología básica con derivación Principal (trunkline-dropline) utiliza un cable (2 pares trenzados separados para alimentación y señal). El cable grueso (thick) o delgado (thin) puede ser usado para líneas principales o derivaciones. La distancia entre los extremos de la red varía con la velocidad de datos y la longitud del cable, en la tabla PC3 se muestran las longitudes de cable permitidas según la velocidad seleccionada.
Tabla PC3. Longitudes de cables para distintas velocidades de transmisión de datos
Cables para DeviceNet
Hay 4 tipos de cables estandarizados: el grueso, mediano, delgado los cuales poseen características similares en cuanto a forma y tipo de aislante y el cable plano. El más común o usado es el cable grueso para el bus y el cable fino para las derivaciones.
En la figura PC32 se muestra la estructura física correspondiente al cable grueso, mediano y delgado.
Figura PC32. Cable grueso
Como se observa en la figura PC32, los cables DeviceNet más usados (que son el delgado y el grueso) tienen 5 conductores identificados y utilizados de acuerdo con la tabla PC4.
Tabla PC4. Esquema de colores de los cables DeviceNet.
Algunas características que diferencian a los cables grueso, mediano y delgado son mostradas en la tabla PC5.
Tabla PC5. Características de los cables DeviceNet.
Respecto al cable plano, se muestra su estructura física en la figura PC33.
Figura PC33. Cable plano
Los Puntos de alimentación (Power Taps) se pueden añadir en cualquier punto de la red haciendo posible la redundancia de la alimentación en la red. La corriente en la “línea principal” es de 8 amperios (con cable grueso “thick”). En el cable tipo “delgado” la corriente máxima es de 3 amperios. Una opción opto-aislada del proyecto permite dispositivos energizados externamente compartiendo el mismo cable del bus. Otras redes basadas en CAN permiten solamente una única fuente de alimentación para la red entera.
Los dispositivos pueden ser alimentados directamente de la red y comunicarse con el mismo cable. Los nodos pueden ser removidos o insertados en la red sin necesidad de desconectarla.