控制层现场总线ControlNet介绍

7.4.1.1　概述

ControlNet是近年来推出的一种新的面向控制层的实时性现场总线网络，在同一物理层介质链上提供时间关键性I／O数据和报文数据，包括程序的上载／下载、组态数据和端到端的报文传递等通信支付，是具有高度确定性、可重复的高速控制和数据采集网络，I／O性能和端到端通信性能都较传输网络有较大提高。

ControlNet是基于生产者／消费者（Producer／Consumer）模式的网络，ControlNet允许在同一链路上有多个控制器共享，支持输入数据或端到端信息的多路发送，这就大大减少了网络的交通量，提高了网络效率和网络性能。

ControlNet是高度确定性、可重复性的网络。所谓确定性就是预见数据何时能够可靠传输到目标的能力，而可重复性则是指数据的传输时间不受网络节点添加／删除情况或网络繁忙状况影响而保持恒定的能力。在实际应用中，通过网络组态时选择性设定有计划I／O分组或互锁时间，这些要求能得到更进一步的保证。

ControlNet非常适用于一些控制关系有复杂关联、要求控制信息同步、协调实时控制、数据传输速度要求较高的应用场合。比如协同工作的驱动系统、焊接控制、运动控制、视觉系统、复杂的批次控制、有大量数据传输要求的过程控制系统、有多个控制器和人机界面共存的系统，等等。对于有多个基于PC的控制器之间、不同PLC之间或PLC和DCS之间存在通信要求的场合，ControlNet非常适用。ControlNet允许多个各自拥有自己独立或共享I／O的控制器之间相互通信或以灵活的互锁方式组织。由于其突出的实时性、确定性、可选的本征安全等特征，已越来越多地应用于过程控制等要求较高的应用场合。

ControlNet是开放的现场总线，截至1999年年底在全世界范围内已经拥有近70家成员单位，由独立性国际组织控制网国际（ControlNet International）负责管理，ControlNet Inter⁃national旨在维护和发行ControlNet技术规范，管理成员单位共同的市场推广工作；同时提供各个厂商产品的一致性和互操作性测试服务，保证ControlNet的开放性。

7.4.1.2　ControlNet协议规范

ControlNet是开放的网络，其协议规范可以通过控制网国际化组织获得。ControlNet与OSI 7层网络参考模型的对照关系如图7-2所示。

图7-2　控制网络分层模型与OSI 7层参考模型比较

1.物理层与介质

物理层和介质部分的规范规定了同轴电缆和光缆介质标准与设计的一些参考信息。物理层包括两个子层：物理介质附属子层PMA（Physical Medium Attachment）和物理层信号子层PLS（Physical Layer Signalling）。PMA子层包含了发送和接收总线必需的电路，而PLS子层执行位表示和计时器功能，以及与MAC（向上）和PMA子层的信息交换。

2.数据链路层

数据链路层的首要任务是管理介质的存取权。数据链路层协议是建立在一个固定长度的、不断重复的网络刷新时间NUT（Network Update Time）基础上的。NUT以同步方式管理链路上的不同节点，如果网络上节点的NUT时间与当前链路上的NUT时间不一致，它就不能获得在链路上的数据传输权。不同的链路可能有不同的NUT值，NUT可以在组态过程中确定，取值范围为2～100 ms。

网络的存取控制通过一种称为同时间域多点存取CTDMA（Concurrent Time Domain Mul⁃tiple Access）的时间滑动算法实现。网络传输时间被分割成不断重复的网络传输时间段，通过调节在一个时间段内不同节点传输数据的机会控制整个网络的通信。对于不同的网络节点，通过指定不同的网络刷新时间NUT来选择网络传输的节拍，实时性要求较高的信息被安排在网络刷新时间间隔中的预规划部分传输，而实时性要求不太高的数据在网络刷新时间的非规划时间段传送。

3.网络与传输层

ControlNet是基于连接（Connection）的网络，网络与传输层的角色就是建立和维护连接。连接的概念类似于电话线路：当电话呼叫发生后，电话系统选择一条线路，并在各个交换局／站建立和维护这样一条“通路”处理通话，只要通话在继续，这条虚拟的通路就维持通路，传输数据或语间信号。这样的一条逻辑上的通信“连接”可能跨越了多个不同类型的链路，但对于通信的双方而言，这个连接确实是固定的、一致的。每个连接都被赋予一个连接标识（Connection ID），代表与之相关联的通信资源。这样，在通信过程中，只需连接的标识符即可，而不必指明其他连接参数，大大提高了信息传递的效率。

4.数据管理

这部分协议定义了数据类型规范的文法、数据类型取值范围以及不同数据类型适用的操作。

5.对象模型

对象的建模代表了网络设备的可见的一些行为，这部分协议的内容包括：对象建模和术语、对象编址、对象模型、对象规范格式和规则、对象规范扩展方法、新对象创建规范等内容。

6.设备描述

通过定义每一类型设备的核心标准，可以实现不同厂商相似设备间互操作性和互换性。一般来说，相似的设备具有大致相同的行为，产生／消费相同的数据集，包含相似的可组态参数集。相似设备间这些信息的正式定义就称为设备描述。如ControlNet协议中驱动、伺服驱动、接触器、电机启动器、软启动器、PLC、位置控制器、秤、信息显示器、交直流电机等。国际化组织的一些专门兴趣小组还在尝试定义更多的设备描述。(www.xing528.com)

7.生产者／消费者通信模式

工业控制的发展要求控制网络提供越来越高的生产率、更高的系统性能，同时又提供确定性的、可重复性的、可估计的设备间通信。单纯提高波特率或单纯提高协议效率，都不能从根本上解决问题。ControlNet则是基于一种全新的网络通信模式——生产者／消费者模式。传统的网络通信模型是源／目的型或者称点到点的通信方式，这种方式的优点是通信的内容和形式都十分明确，在传送的报文中都包含了明确的源和地址信息，但是在源／目的的网络模式上（见表7-2），当同一数据源上的数据向网络上其他多个节点发送数据时，必须经过多次才能实现，这就大大增加了网络的负担，降低了通信的效率。另外，由于数据到达不同网络节点的时间可能因网络上节点数目的不同而变化，不同节点之间的同步就变得困难，通信的实时性不能得到保障。

表7-2　源／目的模式下的网络帧格式

不同于以往的通信模式，生产者／消费者模式允许网络上的不同节点同时存取同一个源的数据。在生产者／消费者模式下，数据被分配一个唯一的标识，根据具体的标识，网络上多个不同的节点可以接收到来自同一发送者的数据，其结果是，数据的传输更为经济，每个数据源一次性把数据发送到网络，其他节点选择性地收取这些数据，不浪费带宽，提高了系统生产率，通信效率也得到提高，因为数据只需产生一次，不管有多少个节点需要接收这个数据。由于数据经过同样的时间传送到不同的节点，可以实现通信的精确同步。

较早出现的现场总线，如Profibus-DP、Profibus-PA、Interbus-S、AS-I等，都是基于源／目的的网络模型的产品，20世纪90年代中期以后推出的一些现场总线产品，则采用了DeviceNet、Foundation Fieldbus等，罗克韦尔自动化公司甚至在其1997年年底推出的新一代可编程控制器ControlLogix产品的无源背板总线Controlbus中植入了生产者／消费者网络模型。生产者／消费者模式下的网络帧如表7-3所示。

表7-3　生产者／消费者模式下的网络帧格式

7.4.1.3　ControlNet的优点

（1）同一链路上满足I／O数据、实时互锁、端到端报文传输和编程／组态信息等应用的多样的通信要求。

（2）是确定性的、可重复的控制网络，适合离散控制和过程控制。

（3）同一链路上允许多个控制器同时共存。

（4）输入数据和端到端信息的多路发送支持。

（5）可选的介质冗余和本征安全。

（6）安装和维护简单。

（7）网络上节点居于对等地位，可以从任意节点实现网络存取。

（8）灵活的拓扑结构（总线式、树形、星形等）和介质选择（同轴电缆、光纤和其他）。

ControlNet技术规范一览表如表7-4所示。

表7-4　ControlNet技术规范一览表

续表