ControlNet协议规范详解

ControlNet是开放的网络，其协议规范可以通过控制网国际获得。ControlNet与ISO/OSI7层网络参考模型的对照关系如图5-18所示。

（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（Physical Medium Attachment，PMA）子层和物理层信号（Physical Layer Signaling，PLS）子层。PMA子层包含了发送和接收总线信号必需的电路，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（Data Link Layer，DLL）的首要任务是管理介质的存取权。DLL协议是建立在一个固定长度的、不断重复的网络刷新时间（Network Update Time，NUT）基础上的。NUT以同步方式管理链路上的不同的节点，如果网络上节点的NUT时间与当前链路上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2～100ms。

网络的存取控制通过一种称为同时间域多点存取（Concurrent Time Domain Multiple Ac-cess，CTDMA）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新时间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。

图5-18 控制网分层模型与OSI 7层参考模型比较

（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/站建立和维持这样一条“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，传输数据或语音信号。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，只需指出连接的标识符即可，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(www.xing528.com)

对象的建模代表了网络设备可见的一些行为，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之为设备描述（DD）。ControlNet协议中已经定义的设备描述包括条形码扫描器、PLC、位置控制器、秤、信息显示器、交直流驱动、伺服驱动、接触器、电机启动器、软启动器、人机接口、启动阀等，而且ControlNet Interna-tional组织的一些专门兴趣小组还在尝试定义更多的设备描述。

（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/目的网络模式下（如图5-19所示），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。

图5-19 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，通信效率提高，数据只须产生一次，不管有多少个节点需要接收这个数据，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、AS-I等，都是基于源/目的模式的网络模型的产品，20世纪90年代中期以后推出的一些现场总线产品，则采用了生产者/消费者网络模型，以期获得更高的通信效率，满足更高的控制要求，如ControlNet、DeviceNet、Foundation FieldBus等，罗克韦尔自动化公司甚至在其1997年底推出的新一代可编程序控制器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格式如图5-20所示。

图5-20 生产者/消费者模式下的网络帧格式