PLC网络系统配置指南-ControlNet简介

1.ControlNet组成

图4-73所示为ControlNet一个组成方案。

图4-73 ControlNet组成方案

从图知，它包含有：控制器、计算机、I/O模块等。

（1）控制器

配置有ControlNet通信模块的控制器，如AB PLC公司的ControlLogix（含CompactLogix、SoftLogix等）、ProcessLogix（用于过程控制）、FlexLogix（用于分布式控制）及基于PC（计算机+IOLinx等软件）的控制器。这些控制器可生成生产者和消费者标签（Tag），实时交换数据。还可运用指令，发起用于发送/接收数据或有关配置的通信。

（2）个人计算机

配置有ControlNet通信接口的计算机。运用应用软件，可以向控制器上载/下载项目（含PLC程序），可以配置ControlNet上的设备，还可以配置网络。此外，配置有ControlNet通信口的人机界面（HMI），也有一些类似功能。

（3）基于框架和分布式I/O模块

当然在框架或模块上也要配置有ControlNet通信接口。有多种适合于ControlNet的I/O模块，可从中选择适当的I/O点数及类型与规格，还有多种如高速计数、热电偶等专用模块。

（4）物理介质

有分接器套件、连接器、电缆（或光缆）、终端电阻及中继器模块（及其适配器，可为中继器提供工作电源）。使用中继器可扩展网络距离，建立不同的拓扑结构及不实现同通信介质的转换。

2.ControlNet网络结构

对照OSI模型，ControlNet也仅有4层。OSI表示层以上为应用层，或称高层。传输层以下有3层，即传输网络层，数据链路层及物理层。

（1）物理层

从使用角度讲，主要是弄清可选择的网络拓扑与物理媒体。可能的拓扑结构如图4-74所示。多拓扑及媒体类型还可混合使用。端到端的网络长度变化取决于站点数、媒体类型、中继器的使用。具体见表4-19说明。

图4-74 ControlNet拓扑结构

表4-19 端到端长度说明

当选用同轴电缆做媒体，ControlNet可用RG-6同轴电缆，工业TV用的就是这个电缆。此电缆不太贵，并具有高的抗噪声性能。还有若干可利用的接口，以满足各种应用于现场要求。

在网络的每个站点处要配置有分接头（Tap）。接头可用导轨安装，并易于接入主干线电缆。接头有直线的、直角的、“Y”型的几种类型。尽管这些接头必须在网络不上电时安装，但它允许网络上电时站点的加入或移出。接头可沿主干线电缆安装在任何地方，但要大于站点间最小的要求距离。标准的站点接线是由接头下拉1m。每个站点可利用变换器耦合提供电气绝缘。

当选用光纤媒体，ControlNet可通过成对地安装在光缆端的发送器、接收器组成全双工的、点到点的连接。光缆特性见表4-20。

表4-20 光缆特性

也可选择冗余电缆媒体。它允许全部信息同步在两个电缆上传送。每个站点评估信号质量，并动态选用最佳质量的信号。

除了用于控制与信息处理的ControlNet接口之外，每个ControlNet站点还都有一个访问口（Network Access Port，NAP），为计算机或其他支持工具接入网络与其他网络站点通信提供可能。网络访问口使用的是标准8针RJ-45连接器。

可使用中继器增加网络端到端长度及每段的站点数。中继器还可用于使电缆接入光缆，以抗噪声干扰及增加传送距离。对给定系统，最多中继器数受由中继器引起传送延迟的限制。在确定系统的最多中继器数及最大传输距离时，须计算网络中两个最远的站点间的一个个延时（媒体、分接口及中继器）的总和，其值必须小于120μs。

（2）数据链路层

站点访问网络取决于时间。每个站点仅仅在所分配的时间段才可访问介质、发送数据。这种机制称为并发时间域多重访问（CTDMA，Concurrent Time Domain Multiple Access）。其基础是选定好网络更新时间（Network Update Time，NUT）。这NUT的时间间隔（Network Update Interval，NUI）配置好后是固定的，并周期重复着。这里，NUI代表着ControlNet网络上预定数据传输的最快更新速率。例如，以5ms的NUI运行的网络无法以快于5ms的速率发送数据。图4-75所示为NUT的示意。

图4-75 网络更新时间示意

这里，每个NUI分都为3个时段。

1）预定时段：如图4-76所示，在此时段，各站点按地址编号从低到高访问媒体一小段时间，确保上述生产者和消费者标签数据（远程I/O及模拟量数据及点对点的互锁数据）的都得以实时传输。ControlNet数据传输的确定性、实时性就是有了这个时段才得以保证。

这里，好像也有一个隐含令牌在站点间传输，但实际上当然没有了。它的各个站点只是根据自身地址由时间确定访问权。在同一时间，也只允许一个站点有这个访问权。不是自己的访问时间，站点要不在监听，要不在等待不在线站点是否确实不在线（需要一个跟踪时间，Slot Time，网络站点地址不连续时将出现此情况）。这跟踪时间的长短取决于网络覆盖长度及使用的中继器的数量，约为0.025ms。

图4-76 网络更新时间示意

提示：站点最好为连续编号，已减少等待时间。预定时段不为地址大过SMAX的站点分配访问权。所以，SMAX的设定要能覆盖要求使用预定时段所有站点。

2）未预定时段：它分配访问权也是按地址顺序轮流。一个站点可以有1、2或多次机会获得访问权，但不保证各站点都能获得。同时，它的地址轮流是在0到UMAX之间进行。而UMAX为所有可能配置最高站址，比SMAX要大，缺省为SMAX+8。图4-77所示为非预定时段站点访问的示意。

图4-77 非预定时段站点访问的示意

从图知，这里网络访问权也是各个站点也是轮流，但每NUI分配到的只是部分站点。如图先是7、8、9，接着为8、9、10、11（不管8、9在上一时段是否完成），再为9、10、11、12（12为UMAX，不管9、10、11在上一时段是否完成）。这里首次可访问的站点是轮流递增的。但这不意味着一定为它所用，只是为它的使用提供优先权。它不用依次留给下一个站点用。

由于各站点在非预定时段访问权是不确定的，所以它只用于没有严格时间限制的数据传输。如：建立连接传输；点对点信息数据传输；程序的上载与下载等。

3）维护：是NUI的最后部分。用作网络维护。在此时段，称为仲裁器（moderator，所连接的MAC ID站址最小站点）的站点把仲裁帧广播传送给各个站点，以保持各站点的网络参数（如UNI、SMAX、UMAX及前述网络跟踪时间）一致及定时器同步。与NUT的预定和未预定部分的时间相比，网络维护所需的时间很短。它只需传送125字节数据，约占0.2毫秒。尽管它占的时间短，但很重要。因为ControlNet与CompoNet一样，是基于时间控制。所以，不仅各个站点要有准确的定时器，而且，各个站点的定时器还必须保持同步。否则网络访问的冲突将是不可避免的。

用户可使用网络配置工具选择NUI等参数。这些参数可保存在站址最低的站点或其他备用站点上。如最低站址出现故障，则次最低站点将接替网络维护。

提示：ControlNet每个站点的接口芯片（ASIC）都有作为仲裁器（moderator或称Keeper）的能力。最低地址站点如果出现故障，则次次最低站点将接替实现它的仲裁功能。

从上分析可知，这里的关键是确定UTI。其最小值除了应保证预定时段所有站点预定数据及维护时段仲裁器维护数据（125字节）发送外，还要给非预定时段保留一定时间，至少有一个站点能发送可能最大长度为510字节的数据。已知ControlNet网络的波特率为5Mbit/s，由此当然可计算出最小NUI数值。实际当然不必这样具体计算，多可运用相关网络配置软件处理。只是也从此可知，它的预定数据传输量，即于此有关的连接数，也是受限制的。

链路层另一问题是数据帧的组织。其媒体访问控制帧[Media Access Control（MAC）frames]格式如图4-78所示。

图4-78 ControlNet帧格式

这里一个MAC帧为一组打包数据。其中可能含有多个链接数据包（Link packets）。这链接数据包是指站点设定的标签数据。从图知，MAC帧先是帧PRE（先导），接着为起始界定符（SD），再就是源站点地址（SRC），然后是MAC数据（一个个链接数据包），再后为CRC校验码，最后结束界定符。帧之间有当然也要留有间隙。至于链接数据包的格式如图4-79所示。

(www.xing528.com)

图4-79 链接数据包帧格式

它有帧长度字节、控制字节、连接标识（connection ID，CID）及标签数据4部分组成。这里CID是在标签数据配置是自动生成的，提供其他站点判断这组标签是否为其所需。CID有两种格式：固定连接格式，占2个字节，记录服务编码及目标地址；通用连接格式，占3个字节，记录唯一的特定连接ID。

（3）传输网路层

ControlNet使用两种信息传输格式：

1）非连接信息传输。用于建立连接过程及传送不常用的、低优先级的信息。它常使用上述非预定时段，在站点中，其资源被称为未连接管理器（UCMM）。符合标准的ControlNet产品接收其他站点的要求时，应使UCMM使能。

2）连接信息传输。在ControlNet上，每个站点的资源优先用于诸如显式信息传输和实时的I/O数据传输。具体可通过UCMM予以保留或配置，以用于有关通信服务。

打开连接的过程称连接开始，发起连接的站点称连接源，简称源。相反，响应连接要求的站点称连接目标，简称目标。

ControlNet有两种信息传输连接：显式和隐式（I/O数据）。显式信息传输连接是点对点的关系，它的建立适合两站点间的请求/响应的信息传输。在性质上讲，这些连接是通用的，可用于访问站点任意可访问项。显式信息传输使用的是上述NUI的非预定时段。

相反，隐式信息传输连接则用于在规定的时间间隔内，重复传输用户的指定I/O数据。在性质上讲，它是多播的。常设为1对多的关系，目的是用好生产者/消费者关系的潜力。隐式信息传输使用的是上述NUT的预定时段，以确保数据传输的确定性。

ControlNet支持3类网络通信能力的产品：信息类，适配器类及扫描器类。每类支持一组基本的通信服务，但也可选用其他服务。

信息类产品：支持非计划的显式信息传输（连接和非连接），这信息为其他类产品所发送或接收。信息类产品是显式信息连接要求的目标；同时也是这些要求的源。但它不能在NUT预定时段发送或接收实时I/O数据。

这些类产品包括：

用于程序上载和下载到HMI、机器人和PLC的计算机接口卡；

用于支持HMI采集控制系统数据应用程序的计算机接口卡或其他硬件；

不要求实时I/O响应的软件应用；

网络配置与诊断工具。

适配器类产品：是扫描器类产品计划I/O数据连接要求的目标。它不能发送或接收预定时段的I/O数据，除非扫描类产品要求它这么做。它不能预定存储或生成数据。适配器类产品可接受来自全部其他类产品的非预定显式传送要求（连接和非连接）。也可用非预定信息传送与任意类的产品交换数据（点对点），但不能要求发起这个关系。

这些类产品包括：

生产和消费实时预定数据的I/O机架适配器；

根据PLC或其他控制器要求，发送和接收实时预定数据的磅秤、焊接机、驱动器和机器人；

与计算机接口卡、PLC相互发送和接收非预定数据的磅秤、焊接机、驱动器和机器人；

与PLC之间发送和接收预定和非预定数据的HMI。

扫描类产品：是要求与适配器类产品预定I/O数据连接的源，也是要求与其他扫描器类产品非预定点对点连接的源头。也可能是来自其他类产品非预定显式连接要求的源或目标。也能向或从全部其他类产品发送或接收非预定信息。

这些类产品包括：

可与I/O机架适配器、PLC、机器人、磅秤、焊接机和HMI产品发送和接收计预定实时数据的PLC、控制器和机器人；

可与其他PLC、机器人、磅秤、计算机插卡、焊接机和HMI产品发送和接收非预定数据的PLC、控制器和机器人；

用于基于计算机控制的计算机接口卡。

（4）应用层

也是高层。与CompoNet、DeviceNet一样也是用严格面向对象的CIP协议。具体不再赘述。

3.ControlNet拓扑结构

ControlNet网络支持多种拓扑结构。最简单的形式是一个干线，可使用分接头和1m的支线向其中连接站点，如图4-80a所示。如使用中继器可创建其他拓扑，如图4-80b所示为星形结构，再如图4-80c所示为环形结构。同轴电缆中继器通常用在干线和星形拓扑中。光纤介质可用在干线和星形拓扑结构中，它也是实现环形冗余的唯一方法。

图4-80 ControlNet拓扑结构示例

图4-80 ControlNet拓扑结构示例（续）

在ControlNet网络中，最大距离取决于分段中的站点数。分段是指两个终结器（终端电阻）之间的主干部分。使用中继器可添加更多分段或延长距离。在ControlNet中，只有两个分接头时，分段最大距离为1000m。而每增加一个分接头，最大距离要减少16.3m。下式可用以计算最大分段距离：

允许的最大分段长度=1000m（3280ft）-16.3m（53.4ft）×[分接头数-2]

如果允许最大距离不符要求，则要增加中继器。可用图4-81确定是否需要中继器（假定使用1786-RG6）。

4.ControlNet规格

ControlNet规格见表4-21所示。

图4-81 确定是否需要中继器简图

表4-21 ControlNet规格

5.ControlNet特点

1）使用生产者/消费者网络模式读写基于Logix的系统中的预定数据，而不是使用传统的源/目标（主/从）模式。使用传统模式，控制器靠轮询输入模块以获取其输入状态。而使用生产者/消费者网络模式，控制器不要去轮询数字输入模块，相反，输入模块会在发生状态变化（COS）时或定期生成（多路广播）其数据。更新的频率取决于配置期间选择的选项以及输入模块在网络中的位置。因此，输入模块是输入数据的生成者，而控制器是数据的使用者。控制器还可以生成由其他控制器使用的数据。

使用生成者/使用者网络模型可降低网络流量，提高传输速率，可最大限度地优化了带宽的利用率和便于控制信息的同步；同时还可以在ControlNet和DeviceNet或EtherNet/IP上的设备之间进行通信，而无需额外编写应用程序代码。无需在桥接模块中配置路由表，这大大简化了维护和模块的更换。

2）ControlNet是大覆盖范围（用光缆最大距离为30km、用同轴电缆加中继器可达6km）高数据吞吐量（最大帧可达510字节）、高传输速度（5Mbit/s）、多站点（最多可达99个站点）的控制和I/O网络，可构成多主、主/从、对等的通信结构。媒体访问算法可确保控制信息传送时间的准确性、确定性。可利用预定功能传输时效性强的控制信息（即I/O数据和控制联锁），实时处理大量I/O数据。还可利用未预定数据的传输方式，传输其他信息（即时效性不强的消息，如程序上载和下载）。而且这些其他信息传输也不会干扰时效性强的消息传输。

3）灵活的拓扑结构（总线形、树形、星形等），简单且灵活的安装方式可供选择。

4）站点可在线接入与移出，可以从任何一个站点访问整个网络，给PLC编程及诊断，实现网络存取。网络配置、维护简单。

5）具有灵活的安装选择，网络介质可选用铜、光纤、光纤环、冗余介质、本安材料可使用各种标准的低价同轴电缆，也可使用具有强抗干扰性和本征安全性的光纤，多种介质选择（同轴电缆、光纤和其他）。

6）冗余并支持媒体冗余方式。正是ControlNet的这些特点AB公司才把它作为如下应用。即：作为ControlLogix平台的缺省网络；作为远程I/O（RIO）网络的代替网络；作为多个分布式DeviceNet网络的骨干网；作为对等连锁网络；代替AB公司使用多年的Data High-way Plus网络。