ControlNet现场总线详解

ControlNet现场总线概述ControlNet基础技术是美RockwellAutomation公司自动化技术研究发展起来的。1995年10月开始面世，1997年7月由Rockwell等22家企业发起成立ControlNet国际化组织(CI)，是个非赢利独立组织，主要负责向全世界推广ControlNet技术（包括测试软件）。目前已有50多个公司参加，如ABBRoboties、HoneywellInc.、日本横河、东芝、Omron等大公司。ControlNet是实时的控制层网络，在单一物理介质链路上，可以同时支持对时间有苛刻要求的实时I/O数据的高速传输，以及报文数据的发送，包括编程和组态数据的上载/下载以及对等信息传递等。在所有采用ControlNet的系统和应用中，其高速的控制和数据传输能力提高了实时I/O的性能和对等通讯的能力。主要技术特点物理层介质：RG6同轴电缆、光纤网络拓扑：总线形、星形、树形及混合单网段长度：同轴电缆，1km、2节点，250m、48节点；光纤，短300m，中7km中继器数目：串行；并行中继器类型：交直流高压型，直流低压型带中继器最大拓扑长度：同轴电缆5km，光纤30km网络节点数：带中继器99，不带48ControlNet（总线型）节点节点节点节点节点干线带1m长支线的分线器最多99个节点每个网段最多为48个节点ControlNet（星型）节点节点节点节点节点节点节点节点节点中继器最多99个节点每个网段最多为48个节点ControlNet（环形）节点节点节点节点节点节点节点光缆最多99个节点每个网段最多为48个节点设备供电方式：外部供电节点插拔：可带电插拔网络速度：5Mbit/s（最大）I/O数据个数：不限I/O数据触发方式：轮询、状态改变/周期网络功能：同一链路支持控制信息、I/O数据、编程数据网络模型：生产者/消费者网络刷新时间：可组态2～100ms优点：1、对在同一链路上的I/O、实时互锁、对等通信报文传送和编程操作，均具有相同的带宽。支持多主方式。2、对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性功能。3、采取新的通信模式以生产者/消费者的模式取代了传统的源/目的的模式。它支持点对点通讯，而且允许同一时间向多个设备通信。4、安装简单、扩展方便以及介质冗余、本质安全、良好诊断功能应用领域。ControlNet网络协议ControlNet的对象与对象模型相当于OSI的应用层，数据管理相当于OSI的表示层，报文路由传输与连接管理相当于OSI的传输层和网络层。特点：可传输多种不同类型的数据，包括I/O数据、配置和故障诊断、程序上下载等面向连接显式报文在非预定时段传输，隐式报文在预定时段传输生产者/消费者模型，支持多播通信支持多种通信模式：主从、多主、对等或组合支持多种I/O数据触发方式：四种用对象模型描述应用层协议，方便编程提供设备描述，保证互操作性、互换性应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层对象和对象模型数据管理空报文路由器传输连接管理器逻辑链路控制（LLC）介质存取控制（MAC）物理层信号子层物理层中间附加子层（PMA）7654321OSI7层参考模型控制网络分层模型数据链路层：－LLC子层：遵从IEEE802.2标准－MAC子层：同时间域多路访问（CTDMA）协议，把网络时间分成时间片，即网络更新时间（NUT）。NUT分为3个部分：预定时段、非预定时段和网络维护时段。预定时段：每个预定的节点(在一个循环的顺序次序的基础上)保证有一个机会进行传送信息。有时间苛求的信息必须在这段时间传送出去，比如I/O数据的传输。主要特点：支持节点标识符重复检测；支持报文破分。物理层：3个子层－物理层信号（PLS）子层：定义与信号有关的内容，如波特率、信号编码等物理媒体连接（PMA）子层：定义设备内的物理部件。收发器、连接器等传输介质子层：定义与传输介质有关的内容。线缆、网络拓扑结构等网络元件：－同轴电缆，拓扑结构：主干－分支型，加中继器后几种形式均可。一个典型的基于同轴电缆的ControlNet网络组成：干线电缆、终端电阻（75Ω）、分接头、支线电缆、ControlNet设备等。支持传输介质冗余：所有设备都支持冗余，以冗余的方式相接，两个通道都启用。ControlNet是一个与地隔离的网络，应该保证网络不会意外接地。NodeNodeNodeNode7575TapSeparation(NoMin.DropCable1meterTrunkCableTerminationRequiredTrunkCableNodeTapRequired－光纤：适用于有防爆要求的应用场合ControlNet支持的光纤有3种：短距，300m；中距，7km；长距，20km通信方式：点对点：两个节点之间、节点的中继器之间或两个中继器之间的连接环网：多个节点之间的连接，节点（设备）需具备环中继功能。带两个接口－屏蔽双绞线：8芯，仅用于两个NAP之间的点对点连接与ControlNet网络直接连接的节点为永久节点，通过NAP与永久节点相连的节点为临时节点。注意：使用NAP时不能同时将临时节点的NAP和同轴电缆接口连接到不同的设备上。－中继器：工作在物理层的设备，其功能是双向接收、处理并重发物理信号。用途：1、用于网络拓展2、用于传输介质或拓扑结构的切换分类：普通中继器：两个网络接口环中继器：3个网络接口，支持介质冗余MAC协议数据链路层协议以NUT的固定而重复的时间周期为基准。功能：负责整个网络仲裁，确定信息发送的优先权。隐性令牌传递：并非真正的令牌规则：一个节点一个MAC地址（惟一）每个节点监视收到的数据帧的源节点地址→结束→隐性令牌寄存器的值置为收到的源MAC地址＋1→等于某节点MAC地址→该节点发送数据避免冲突：所有节点的隐性令牌寄存器值相同，节点本身的MAC地址不同隐性令牌传递逻辑是由CTDMA算法控制的。网络刷新间隔(NUI)预定时段链路层工作方式非预定时段维护时段Time网络刷新时间(NUT)ConcurrentTimeDomainMultipleAccess网络刷新时间（NUT）分配NUT分为3个部分：预定时段、非预定时段和网络维护时段。预定时段：传送对时间有苛刻要求的控制信息。MACID：0～SMAX节点访问媒体的机会是相同的，有且仅有一次发送预定数据的机会，保证网络在预定时段内发送的数据是可预测的、确定的。不同的数据不同的发送速率。ControlNet支持8种不同的速率，是NUT的二进制倍数。用户选择请求数据包间隔，网络组态工具设置实际数据包间隔。严格调度非严格调度网络间隔2严格调度的数据将在每一次网络间隔内被传送一次非严格调度的数据则可以在多个网络间隔内有选择的传送网络刷新时间网络间隔#1Time网络间隔#2网络间隔#3网络间隔#4网络间隔#51234345121234511234451严格调度非严格调度网络间隔1严格调度非严格调度网络间隔3非预定时段：传送对时间无苛求的显式报文或I/O报文（非预定数据）。MACID：0～UMAX各节点均有机会发送非预定数据直到非预定时段的时间用完。节点发送数据的机会不同，可为0到多次，取决于NUT所剩的时间。当前访问媒体的节点MACID＝前一个NUT中第一个节点的MACID＋1令牌起始：前一个协调帧USR所指定的MACID，每个NUT到来，USR＋1CTDMA算法保证在不影响预定时段的前提下，每个NUT中至少有一个节点可发送数据。注意事项:SMAX和UMAX•ScheduledMaximumNode(SMAX)-需严格调度数据的节点数若超过SMAX则该网络节点将不能按严格调度方式传送.•UnscheduledMaximumNode(UMAX)-需非严格调度数据的节点数若超过UMAX则该网络节点将不能在ControlNet上通信.•用户可根据自己的需要组态网络(例如改变SMAX)维护时段：所有节点停止发送数据协调节点：MACID最小发送维护报文（协调帧）完成NUT定时器的同步，发布重要网络参数协调节点发送重同步协调帧→重启NUT→节点接收协调帧→比较→不一致→节点失效在两个连续的NUT中未收到协调帧→最低MACID节点承担协调节点→第三个NUT维护时段发送协调帧→遇到比其低的MACID节点→停止协调角色协调帧在每个NUT都要发送，以调整参数，并为新加入的节点提供参数。MAC帧：协议数据单元PDU格式：前同步、起始界定符、源MACID、链路数据包、CRC和结束界定符PreambleStartDelimiterSourceMACID0-510BytesMaxCRCEndDelimiterLpacketLpacketLpacket.........MACPacket•所有的信息传送均通过打包进行•每一节点在每次传送时只能传送一个主信息包•每个主信息包可包含一个或多个副信息包•每个副信息包均包含一个应用信息链路数据包：长度、控制、标签、链路数据组成。网络与传输层：建立连接和维护ControlNet报文传送：面向连接需要建立和维护连接，资源事先保留面向非连接不需要建立和维护连接，资源未事先保留UCMM：向没有事先建立连接的设备发送请求的一种方式，支持CIP服务，主要用于一次性的操作或非周期性的请求。传输连接：表示特定应用之间关系的特征，其连接的端点是传输对象的实例。传输类：应用接口至传输服务可通过所支持的传输类来实现，定义了Class0～Class6，7种传输类型。Class3：传输非实时的客户/服务器模式的显式报文，双向连接Class1：传输实时I/O的隐性报文，单向连接对象模型：与DeviceNet相似对象库：与通信有关的对象、与应用有关的对象基本对象模型：－可选对象：对设备行为无影响，可提供超出基本功能要求的功能。－必选对象：实现设备互换性、互操作性设备描述：实现设备之间的互操作性、同类设备的互换性和行为一致性。