System für einfache Komponenten

DeviceNet – Der Datenübertragungsstandard DeviceNet verbindet Geräte direkt mit dem Steuerungssystem und eröffnet neue Diagnosemöglichkeiten auf Geräteebene.

10. April 2008

Das DeviceNet ist ein offenes Low- End-Netzwerk, das es ermöglicht einfache Industriegeräte, wie Sensoren und Leistungsschalter (Aktoren), sowie komplexe Geräten wie Frequenzumrichter und Strichcodelesegeräte direkt mit dem Steuerungssystem zu verbinden. Es kann als Master/Slave-, Multi-Master- und Peer-to Peer-Konfiguration operieren und basiert auf der bewährten offenen CAN-Technologie. Diese direkte Anbindung verbessert die Kommunikation zwischen den Geräten und bietet wichtige Diagnosemöglichkeiten auf Geräteebene, die über eine E/A-Schnittstelle nicht leicht zugänglich oder verfügbar sind. Die Vereinfachung der Geräteverbindung mit Hilfe des DeviceNet-Netzwerks kann damit die Kosten für das gesamte System senken, weil für Installation, Inbetriebnahme, Prüfung, Wartung und Erweiterung des Systems weniger Zeit und Geld investiert werden müssen.

Einheitliche Technologiebasis

DeviceNet ist Teil einer Familie von Kommunikationsprotokollen, die in den höheren Schichten identisch aufgebaut sind und sich lediglich darin unterscheiden, wie diese Protokolle auf unterschiedlichen Transportmechanismen abgebildet werden. Diese Protokollfamilie mit dem Namen CIP (Common Industrial Protocol) besteht derzeit aus den vier Mitgliedern DeviceNet, ControlNet, EtherNet/IP und CompoNet. Gemeinsam verwaltet und weiterentwickelt wird die CIP-Technologie von den Organisationen ODVA und ControlNet International.

Daten und Energie auf einer Leitung

Ein DeviceNet-Netzwerk benutzt eine Topologie aus Stamm- und Stichleitungen, über die elektrische Energie und Daten transportiert werden. Abhängig von der verwendeten Übertragungsrate im Bereich zwischen 500 kBaud und 125 kBaud beträgt die maximale Länge der Stammleitung 100 bis 500 Meter. Die Stichleitungen können bis zu sechs Meter lang sein, wobei der Gesamtumfang aller Stichleitungen von der Baudrate abhängt. Der Standard erlaubt den Anschluss von bis zu 64 Netzknoten, die ohne Unterbrechung des Netzwerks entfernt oder hinzugefügt werden können. Der physikalische Aufbau umfasst Sender/Empfänger, Steckverbinder, Verpolungsschutz, Spannungsregler und eine optionale optische Isolierung. Das Netzwerkkabel dient sowohl der Signalübertragung als auch der Stromversorgung. Dieses Design erlaubt den Anschluss netzwerkversorgter Geräte und von Geräten mit eigener Stromversorgung.

DeviceNet nutzt den Buszugriffsmechanismus von CAN, daher kann jeder DeviceNet- Netzknoten jederzeit zustands- oder zeitgetriggert versuchen, Daten zu übertragen, wenn der Bus nicht aktiv ist. Versuchen zwei Knoten gleichzeitig, auf den Bus zuzugreifen, werden die Signale entsprechend dem CAN-Prinzip bitweise nichtdestruktiv arbitriert und so ohne Daten- und Bandbreitenverlust übertragen. Ein CAN-Rahmen kann bis zu acht Byte umfassen. Größere Datenpakete werden bei DeviceNet per Fragmentierung übertragen.

Mehrere Prioritäten parallel

Das Kernstück der Anwendungsebene von DeviceNet ist der Kommunikationsteil der CIP-Technologie, bestehend aus dem Verbindungs-Management, dem Messaging-Modell und dem Objekt-Modell. Nach oben ergänzt wird die Kommunikation durch eine Reihe von Profilen, die eine einheitliche Darstellung von Geräten gleichen Typs ermöglichen. Die Verbindung zum CAN-Protokoll wird durch die Netzwerk- und Transport-Schicht von DeviceNet beschrieben. Im Gegensatz zum traditionellen Quelle-Ziel-Modell verwendet Device- Net, wie auch die anderen Protokolle der CIP-Familie, das Producer/Consumer-Modell, bei dem Datenpakete mit einem Identifier gekennzeichnet werden. Durch die Nutzung der CAN-Rahmen erlaubt dieses Prinzip die Zuweisung mehrerer Prioritätsebenen gleichzeitig. Damit ermöglicht Common Industrial Protocol den Transport einerseits von zeitkritischen steuerungsorientierten E/A-Nachrichten über Einzeloder Mehrfach-Verbindungen sowie andererseits von expliziten Nachrichten über eine Mehrzweck-Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen zwei Geräten als typische Frage/Antwort-Kommunikation, beispielsweise für die Konfiguration der Geräte und die Problemdiagnose. Die Einbindung in die CIP-Familie ermöglicht es zudem, Nachrichten über mehrere unterschiedliche CIP-Netzwerke hinweg zu verschicken.

Alle Information in einem DeviceNet-Gerät und der Zugriff darauf unterliegen dem Objektmodell des Common Industrial Protocol. Dabei enthalten die Adressierungsinformationen für das betreff ende Objekt eine Geräteadresse (MAC ID) mit einem Wert zwischen Null und 63, eine Klassenkennung zur Bezeichnung von Objekten, die zum selben Typ von Systemkomponenten gehören, eine Instanz- Kennung, die ein Objekt innerhalb einer Objektklasse definiert, eine Attribut- Kennung einer Objektklasse und/oder einer Objektinstanz sowie einen Service-Code, der eine gewünschte Objektfunktion auslöst, beispielsweise »Lesen« oder »Schreiben«.

Dynamische Konfiguration

Das anwendungsorientierte Protokoll von DeviceNet erlaubt ein dynamisches Konfigurieren der Verbindungen zwischen den Endgeräten. Für Geräte, die diese Leistungsfähigkeit nicht nutzen können, bietet das Protokoll jedoch zudem eine Reihe von vordefinierten Verbindungstypen zum Aufbau einer Master/Slave-Architektur, bekannt als Predefined Master/Slave Connection Set, die weitgehend beliebig nebeneinander existieren können.

Die DeviceNet-Spezifi kation fördert durch die Festlegung von einheitlichen Gerätemodellen die Interoperabilität. So müssen alle Geräte desselben Profils die allgemeinen Mindestdaten unterstützen, die für verschiedene Gerätetypen definiert sind. Einfache Geräte von verschiedenen Herstellern, deren Gerätetypprofi le jedoch übereinstimmen, sind deshalb untereinander logisch austauschbar. Derzeit definiert das Protokoll 32 Geräteprofi le, mit denen die meisten der in der Automatisierung gängigen Gerätetypen abgedeckt werden können.

Für sicherheitsgerichtete Anwendungen gewährleistet die Protokollerweiterung CIP Safety die Integrität der Datenübertragung und bringt die Anwendung im Störungsfall unverzüglich in einen sicheren Zustand. Derzeit gibt es CIP Safety-Produkte für die Protokolle DeviceNet und EtherNet/IP; die Spezifikation kann von der ODVA bezogen werden.

Neben dem Einsatz der CAN-Technologie und der einzigartigen Kombination aus Offenheit und Flexibilität zählt zu den Besonderheiten von DeviceNet auch die automatische eindeutige Identifikation von Geräten und Nachrichten mit Hilfe von Identifiern ohne eine Zentralinstanz zu deren Vergabe: So wird jedes DeviceNet-Gerät mit einer Knotennummer versehen, die im Netzwerk einmalig ist. Geräte mit einer als doppelt erkannten Knotennummer nehmen nicht an der normalen Kommunikation teil. Zudem definiert der DeviceNet-Standard mehrere Verfahren der Datenübertragung und unterstützt damit sowohl eine Master/ Slave- als auch Peer-to-Peer-Kommunikation. DeviceNet-Geräte können dadurch eine Vielfalt von Beziehungen implementieren. Auch erlaubt DeviceNet eine effizientere und flexiblere Datenverwaltung als andere Gerätenetzwerke, weil kleine Datenmengen bis acht Byte mit einem einzigen CAN-Rahmen übertragen werden; für größere Datenmengen ist ein Fragmentierungsprotokoll definiert.

Flexible Stromversorgung

Die gleichzeitige Übertragung der Stromversorgung über das DeviceNet-Netzwerk ermöglicht es daneben, Versorgungsanschlüsse überall im Netzwerk hinzuzufügen, die pro Netzteil bis zu acht Ampere bereitstellen. Zudem erlaubt das elektronische Datenblatt der CIP-Protokolle eine sehr umfangreiche Beschreibung eines Geräts und ermöglicht damit dessen Inbetriebnahme und Konfiguration oft ohne Zuhilfenahme des Handbuchs.

Daneben schafft die DeviceNet-Spezifikation ein ausgewogenes Verhältnis zwischen allgemeinen Objektklassen, Diensten und Attributen und herstellerspezifischen Erweiterungen. Die Routingfähigkeit der CIPProtokolle ermöglicht zudem eine direkte Kommunikation von CIP-Geräten auch in anderen Netzwerken ohne eine entsprechende Protokollumsetzung.

Viktor Schiffer, Rockwell Automation/bt

Fakten

- DeviceNet ist ein Bussystem für einfache Komponenten wie Sensoren, Ventile und Magnetschalter, Schütze, Frequenzumrichter oder einfache Bedienerschnittstellen.

- DeviceNet basiert auf der CAN-Technologie und unterstützt Master/Slave-, Multi-Master- und Peer-to-Peer-Kommunikation.

- DeviceNet transportiert steuerungs orientierte Echtzeitdaten sowie Informationen wie Geräteparameter oder Fehlersuchdaten.

- DeviceNet definiert sowohl vom Netzwerk versorgte als auch isolierte Geräte und erlaubt standardisierte Steckverbinder für offene und geschlossene Geräte.

- Standardisierte Geräteprofi le ermöglichen eine logische Austauschbarkeit einfacher Geräte desselben Gerätetyps.

- DeviceNet ist Teil des Common Industrial Protocol (CIP), einer Familie von Kommunikationsprotokollen, die in den höheren Schichten identisch aufgebaut sind. Weitere Mitglieder sind ControlNet, EtherNet/IP und CompoNet.

Erschienen in Ausgabe: 02/2008