现场总线ControlNet及应用技术

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：ControlNet是目前世界上增长最快的工业控制网络之一。因而，ControlNet是开放的现场总线。SIG开发的成果经过同行们审查再提交CI的技术审查委员会，经过批准，其设备行规将成为ControlNet技术规范的一部分。所有的这些现实问题推动了ControlNet的开发和发展，它正是满足不同需要的一种实时的控制层的网络。ControlNet协议的制定参照了OSI 7层协议模型，并参照了其中的1、2、3、4、7层。ControlNet中网络和传输层的任务是建立和维护连接。

1.ControlNet的历史与发展

工业现场控制网络的许多应用不仅要求在控制器和工业器件之间的紧耦合，还应有确定性和可重复性。在ControlNet出现以前，没有一个网络在设备或信息层能有效地实现这样的功能要求。

ControlNet是由在北美（包括美国、加拿大等）地区的工业自动化领域中技术和市场占有率稳居第一位的美国罗克韦尔自动化公司（Rockwell Automation）于1997年推出的一种新的面向控制层的实时性现场总线网络。

ControlNet是一种最现代化的开放网络，它提供如下功能：

1）在同一链路上同时支持I/O信息、控制器实时互锁以及对等通信报文传送和编程操作。

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。

ControlNet采用了开放网络技术一种全新的解决方案———生产者/消费者（Producer/Con-sumer）模型，它具有精确同步化的功能。ControlNet是目前世界上增长最快的工业控制网络之一（网络节点数年均以180％的速度增长）。

近年来，ControlNet广泛应用于交通运输、汽车制造、冶金、矿山、电力、食品、造纸、石油、化工、娱乐及很多其他领域的工厂自动化和过程自动化。世界上许多知名的大公司，包括福特汽车公司、通用汽车公司、巴斯夫公司、柯达公司、现代集团公司等以及美国宇航局等政府机关都是ControlNet的用户。

2.ControlNet International简介

为了促进ControlNet技术的发展、推广和应用，1997年7月由罗克韦尔等22家公司联合发起成立了控制网国际组织（ControlNet International，CI）。同时，罗克韦尔自动化将ControlNet技术转让给了CI。CI是一个为用户和供货厂商服务的非营利性的独立组织，它负责ControlNet技术规范的管理和发展，并通过开发测试软件提供产品的一致性测试，出版ControlNet产品目录，进行ControlNet技术培训等，促进世界范围内ControlNet技术的推广和应用。因而，ControlNet是开放的现场总线。CI在全世界范围内拥有包括Rockwell Automa-tion、ABB、Honeywell、Toshiba等70家著名厂商组成的成员单位。

CI的成员可以加入ControlNet特别兴趣小组（Special Interest Group，SIG），他们由两个或多个对某类产品有共同兴趣的供货商组成。他们的任务是开发设备行规（Device Profile），目的是让加入ControlNet的所有成员对ControlNet某类产品的基本标准达成一致意见，这样使得同类的产品可以达到互换性和互操作性。SIG开发的成果经过同行们审查再提交CI的技术审查委员会，经过批准，其设备行规将成为ControlNet技术规范的一部分。

3.ControlNet简介

ControlNet是一个高速的工业控制网络，在同一电缆上同时支持I/O信息和报文信息（包括程序、组态、诊断等信息），集中体现了控制网络对控制（Control）、组态（Configura-tion）、采集（Collect）等信息的完全支持，ControlNet基于生产者/消费者这一先进的网络模型，该模型为网络提供更高有效性、一致性和柔韧性。

从专用网络到公用标准网络，工业网络开发商给用户带来了许多好处，但是不幸的是，同时也带来了许多互不相容的网络。如果将网络的扁平体系和高性能的需要加以考虑，我们就会发现，为了增强网络的性能，有必要在自动化和控制网络这一层引进一种全新的网络，它能包含市场上所有网络的优良性能，另外还应考虑到的是数据的传输时间是可预测的，以及保证传输时间不受设备加入或离开网络的影响。所有的这些现实问题推动了ControlNet的开发和发展，它正是满足不同需要的一种实时的控制层的网络。

ControlNet协议的制定参照了OSI 7层协议模型，并参照了其中的1、2、3、4、7层。既考虑到网络的效率和实现的复杂程度，没有像LonWorks一样采用完整的7层；又兼顾到协议技术的向前兼容性和功能完整性，与一般现场总线相比增加了网络层和传输层。这对于和异种网络的互联和网络的桥接功能提供了支持，更有利于大范围的组网。

ControlNet中网络和传输层的任务是建立和维护连接。这一部分协议主要定义了UCMM（未连接报文管理）、报文路由（Message Router）对象和连接管理（Connection Management）对象及相应的连接管理服务。以下将对UCMM、报文路由等分别进行介绍。

ControlNet上可连接以下典型的设备：

1）逻辑控制器（例如可编程逻辑控制器、软控制器等）。

2）I/O机架和其他I/O设备。

3）人机界面设备。

4）操作员界面设备。

5）电动机控制设备。

6）变频器。

7）机器人。

8）气动阀门。

9）过程控制设备。

10）网桥/网关等。(www.chuimin.cn)

关于具体设备的性能及其生产商，用户可以向CI索取ControlNet产品目录（Product Catalog）。

ControlNet网络上可以连接多种设备：

1）同一网络支持多个控制器。

2）每个控制器拥有自己的I/O设备。

3）I/O机架的输入量支持多点传送（Multicast）。

ControlNet提供了市场上任何单一网络不能提供的性能：

1）高速（5 Mbit/s）的控制和I/O网络，增强的I/O性能和点对点通信能力，多主机支持，同时支持编程和I/O通信的网络，可以从任何一个节点，甚至是适配器访问整个网络。

2）柔性的安装选择。使用可用的多种标准的低价的电缆，可选的媒体冗余，每个子网可支持最多99个节点，并且可放在主干网的任何地方。

3）先进的网络模型，对I/O信息实现确定和可重复的传送，媒介访问算法确保传送时间的准确性，生产者/消费者模型最大限度优化了带宽的利用率，支持多主机、多点传送和点对点的应用关系。

4）使用软件进行设备组态和编程，并且使用同一网络。

ControlNet物理媒介可以使用电缆和光纤，电缆使用RG-6/U同轴电缆（和有线电视电缆相同），其特点是廉价、抗干扰能力强、安装简单，使用标准BNC连接器和无源分接器（Tap），分接器允许节点放置在网络的任何地方，每个网段可延伸1000 m，并且可用中继器（Repeater）进行扩展。在户外、危险及高电磁干扰环境下可使用光纤，当与同轴电缆混接时可延伸到25km，其距离仅受光纤的质量所限制。

媒质访问控制使用时间片算法（Time Slice）来保证每个节点之间的同步带宽的分配。根据实时数据的特性，带宽预先保留或预订（Scheduled）用来支持实时数据的传送，余下的带宽用于非实时或未预订（Unscheduled）数据的传送，实时数据包括I/O信息和控制器之间对等信息的互锁（Interlocking），而非实时数据则包括显性报文（Explicit Messaging）和连接的建立。

传统的网络支持两类产品（例如主机和从机），ControlNet支持3类产品。

1）设备供电：设备采用外部供电。

2）网络模型：生产者/消费者。

3）连接器：标准同轴电缆BNC。

4）物理层介质：RG6同轴电缆、光纤。

5）网络节点数：99个最大可编址节点，不带中继器的网段最多48个节点。

6）带中继器最大拓扑：（同轴电缆）5000m，（光纤）30km。

7）应用层设计：面向对象设计，包括设备对象模型、类/实例/属性、设备行规（Profile）。

8）I/O数据触发方式：轮询（Poll），周期性发送（Cyclic）/状态改变发送（Change of State）。

9）网络刷新时间：可组态2～100ms。

10）I/O数据点数：无限多个。

11）数据分组大小：可变长0～510 B。