现场总线与工业以太网技术及应用

2023-11-20 理论教育版权反馈

【摘要】：由于共享CIP协议，CompoNet可以很容易地集成到现有的CIP网络构架中。CompoNet用于连接控制器、传感器和执行器。这意味着用户可以根据具体环境和应用要求选择网络型式和传输介质，如为信息层选择EtherNet/IP，为控制层选择ControlNet，为设备层选择DeviceNet，为传感器、执行器选择CompoNet。因此，CompoNet可以根据各种机械结构进行不同规模的扩展。先进的物理层和数据链路层CompoNet采用曼彻斯特编码技术以达到更高的可靠性。CompoNet支持I/O数据通信和显示报文通信。

随着制造业自动化、信息化的快速发展，生产现场越来越多地采用智能设备，其中大量应用的是传感器和执行器。它们不需要高度的智能，也没有大容量的数据。然而，为了获得生产现场的设备信息，这些设备需要连接到网络上，同时要求网络具备如下特点：

1）能够高效地处理位和字节数据。

2）单个网络能够连接几百个节点。

3）高度灵活的网络拓扑结构。

4）安装简单，成本低廉。

为了满足这些要求，ODVA以OMRON公司原有的CompoBus/S为基础，采用CIP（Common Industrial Protocol）协议作为其应用层，推出了一种新的现场总线——CompoNet。由于共享CIP协议，CompoNet可以很容易地集成到现有的CIP网络构架中。CIP是ODVA以前推出的工业网络DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP公用的应用层协议。

CompoNet是一个底层网络，它提供较高层设备（如控制器）和简单工业设备（如传感器和执行器）之间的高速通信。

CompoNet用于连接控制器、传感器和执行器。控制器作为主站，传感器和执行器作为从站。它提供两种类型的从站：一种是位从站，最多是4点数据；另一种是字从站，带有16点数据。中继器用于扩展通信长度。

1.CIP的优势

CIP可与任何数据链路层和物理层协同工作，具有介质独立性。这意味着用户可以根据具体环境和应用要求选择网络型式和传输介质，如为信息层选择EtherNet/IP，为控制层选择ControlNet，为设备层选择DeviceNet，为传感器、执行器选择CompoNet。由于EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet和CompoNet使用相同的应用层协议，所有设备可以在层次内或跨层次通信，而不需要昂贵的网关，也不需要大量的组态或编程，并且不会损失性能。这不仅减少了设备制造商的产品开发费用，也减少了用户的培训和维护费用；而且随着技术的发展，CIP可以移植到新兴的工厂层网络上，使设备制造商和用户能采纳和集成新的技术，也保护了他们先前的投资。

CIP定义了一种允许报文经过多个网络传输的机制，报文中包含了传输机制方面的完整信息（特别是传输超时和路径信息）。第一个接收到报文的路由设备将取得它的内容，并按报文中路径字段的规定将它传送到下一个网络。在报文被继续发送前，路径中已经“用过”的部分被删除，但又被中间的路由设备保存，为响应的返回作好了准备。每一“跳”（Hop）中这个过程被执行一次，直到最终的目标网络。一旦报文到达目标网络，内部的显式报文被发送到目标设备，由它执行所请求的服务并产生响应。然后响应沿着原来的路径返回，直到发起节点（Originating Node）。

通过这种机制，路由设备不需要事先知道报文路经的任何信息，而且也不要在路由设备中编程。这就是通常所说的“无缝路由”。利用这种特性，用户可以从网络的最顶层“看到”最底层的传感器的诊断信息，或改变它的组态。

大多数工业网络协议被都设计为源/目的的通信。在源/目的模式的通信中，节点只接收包含它们目标节点的数据包。如果不止一个节点需要同样的数据，它就需要发送多次。这自然是低效率的，也无法实现多个节点的同步。

然而，CIP在数据链路层加入了生产者/消费者技术，从而提供了一个超级的报文传输机制。生产者/消费者通信模式定义了信息传送到数据链路层的方式。数据生产者把一个数字放到数据包的前部，这个数字就是通常所说的数据标识或连接ID。用户能设置每个设备倾听网络上的报文，并根据特定的连接ID消费数据。当报文发送到网络上时，每个设备过滤连接ID，由此决定是否消费数据。如果是，设备就变成消费者。结果，一对多通信在生产者/消费者环境里自然而高效地发生了。多个节点可以从同一个生产者那里在同一时间消费相同的数据，这不仅可以实现多个节点的精确同步，也有效地利用了带宽。

与生产者/消费者通信模式相结合，CIP允许主/从、对等、一对多以及广播通信。由于它支持所有对自动化有用的主要的通信关系，所以它是一个真正最灵活和完全的协议。

2.CompoNet的特点

CompoNet通常由多个网段组成，每一段都由一个中继器隔开，每一段也都连接在网络上，但从物理层观点来看是分级的。如图1-13所示，有主站的网段称为第一段，第二段和第三段通过中继器加入到网络中，但是这样外加的段最多不能多于两个。这样，主站和从站之间间隔最多不超过两个中继器或者3个网段。一个网络中能最多使用64个中继器，所有的段应在同一传输速率下运行。

图1-13 CompoNet的段层

CompoNet具有如下特点：

（1）针对传感器、执行器优化的高速性能及灵活的网络拓扑

CompoNet具有高速通信的能力，1000个I/O点扫描时间少于1ms。有4Mbit/s、3Mbit/s、1.5Mbit/s和93.75kbit/s4种数据传输速率可供选择。CompoNet具有灵活的网络拓扑结构，包括菊花链和星形结构或者主从总线型结构。利用双芯或四芯线缆（带总线供电），网段长度可为30～500m，能通过中继器实现1500m的总网络覆盖长度。网络最多可连接64个中继器（主站到任何从站最多2个），以延长或分支通信电缆，并扩大连接节点的数量。网络最大支持256个位从站（Bit Slaves）和128个字从站（Word Slaves），最多可控制2560个I/O点。因此，CompoNet可以根据各种机械结构进行不同规模的扩展。

（2）先进的物理层和数据链路层

CompoNet采用曼彻斯特编码技术以达到更高的可靠性。为了隔离，物理层电路使用脉冲变压器和差动的通信收发器。物理层有主站端口和从站端口。主站端口具有一个内嵌的终端，用于主站和中继器；从站端口没有终端，用于从站和中继器。

CompoNet支持I/O数据通信和显示报文通信。主站根据配置设定控制所有的通信。主站将通信周期分成多个时间域，将一部分分配给I/O通信，其余分配给显示报文通信，实现高效的通信。在每一个周期间隔都为I/O通信分配一个时间域，这样可以保证实时性和时间同步。对于显示报文通信，分配的时间域随网络负载而变，因此，实时性是不能保证的。

CompoNet先进的物理层能使信号衰减和传输延迟最小化。中继器不会引起传输速度的衰减，也不会引入传输延迟。可能会引起冲突的任何微小的延迟都会在CompoNet的层次结构中自动进行补偿。

在数据链路层，CompoNet采用时分多路复用（TDMA）技术。这种介质访问控制方式可避免冲突，并使网络具有确定性。

（3）简单低成本的安装

无论有多少传感器和执行器被连接到网络，接线都是主要的成本。CompoNet可采用扁平电缆和免剥线的压钳式连接器，安装简易快速，并可减少接线错误；也可采用圆形电缆。分支连接器使得在维护与诊断中方便地增加或移除设备。中继器除了用于延伸传输距离外，还能够连接不同线缆类型的网络段，可用于由于环境的需要在系统的不同部分电缆介质需要改变的地方。

此外，中继器还能隔离故障，从而减少对正常运行的干扰。

（4）高利用率的网络(www.chuimin.cn)

利用CIP的无缝路由的能力，用户组态维护工具能连接到CIP网络的任何一点上。单一的工具能组态主站、从站和中继器，并通过主站用显式报文通信收集它们的信息。通过在主站中监视出错信息，可以容易地定位故障点。内建的错误检测功能可以自动检测并报警重复的MAC地址设定。

CompoNet从站具有传输速度自动设定功能，并且从站自觉服从主站的传输速度设定。当有新的从站加入网络时，从站自动识别它们的传输速度。

尽管结构简单，但内建的错误检测功能使CompoNet易于组态和维护，因此，CompoNet成为一个能提高生产效率的高利用率的网络。

多年来，低成本的底层工业网络市场一直由AS-i总线技术所主导，目前已经安装了超过1000万个的AS-i节点。CompoNet可以看做是对AS-i以前优势应用领域的有力挑战。尽管AS-i和CompoNet都具有低成本的优点，但相比较而言，CompoNet的关键优势在于其更佳的网络性能。

CompoNet的网络规范见表1-2。

表1-2 CompoNet的网络规范