ControlNet现场总线技术

ControlNet 现场总线技术
佟为明,林景波,李凤阁
(哈尔滨工业大学罗克韦尔自动化实验室,黑龙江150001)
摘　要:ControlNet 是由罗克韦尔自动化公司推出的一种开放的国际标准现场总线,是面向控制层的高速实时控制和I/O 网络,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。

本文在给出ControlNet 的特点、优点与应用领域的基础上,介绍了其体系结构与协议分层、应用隐性令牌传递技术的媒体访问控制机制、用于建立连接并对其进行维护的网络与传输层、用于描述产品通信功能的对象模型与设备描述。

关键词:ControlNet ;确定性和可重复性;隐性令牌;对象模型中图分类号:TP3 文献标识码:A 文章编号:1002-2279(2005)02-0059-03
ControlNet Fieldbus Technology
TON G Wei -ming ,L IN Jing -bo ,L I Feng -ge
(Harbin Institute of Technology -Rockwell A utom ation L ab ,Heilongjian 150001,China )
Abstract :ControlNet is an open ISO Fieldbus that developmented by Rockwell Automation.It is a high speed real -time control and I/O network ,widely used in the digital and continual process con 2trol fields ,it provides full determinism and repeatability.On introduced the characters ,advantages and the application fields ,detailed the Integrated Architecture ,the protocol lays ,the media access mechanism that adopts implicit token passing technology ,the Network and Transport lays that provide connection buildings and maintains ,the Object Model used to describe the communication functions of products and the device profiles.
K ey w ords :ControlNet ;Determinism and Repeatability ;Implicit Token Ring ;Object Model
1　引　言
ControlNet 是一种高速的工业控制网络,是开
放、实时、具有确定性和可重复性(Determinism &Repeatability )的现场总线,是由美国罗克韦尔自动化公司于1997年推出的。

同年7月,为了促进ControlNet 技术的发展、推广和应用,罗克韦尔自动化等22家公司联合发起成立了控制网国际组织CI (ControlNet International )。

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商服务的非盈利性独立组织,其成员单位包括Rockwell Automation 、ABB 、Honeywell 、Toshiba 等众多世界著名厂商。

2000年1月、2002年2月ControlNet 分别成为国际标准IEC61158第2版、第3版的类型2(Type 2)。

2　ControlNet 的特点、优点与应用
ControlNet 的主要技术特点可归纳为:物理层
介质:R G6同轴电缆、光纤;网络拓扑:总线形、星
形、树形及其任何拓扑的混合;单网段长度:使用同轴电缆,1000m 、带2个节点,250m 、带48个节点;使用光纤,短距离系统为300m ,中等距离系统为7km ;中继器数目:串行使用,最大支持5个中继器,连接6个网段;并行使用,最大支持48个中继器,连接48个网段;中继器类型:ac &dc 高压型和dc 低压型;带中继器最大拓扑长度:使用同轴电缆,5000m ;使用光纤,30km ;网络节点数:使用中继器,可编址节点多达99个;不带中继器,最多48个节点;设备供电方式:设备采用外部供电;节点插拔:节点可带电插拨,安装与更换方便;网络速度:5Mbps (最大);I/O 数据个数:不限;I/O 数据触发方式:轮询、状态改变/周期;网络功能:同一链路支持控制信息、I/O 数据、编程数据;网络模型:生产者/消费者;网络刷新时间:可组态2100ms 等15种。

ControlNet 是一种最现代化的开放网络,是当今世界上各种工业控制层现场总线中性能最好、最可靠的网络,其突出的优
作者简介:佟为明(1964-),男,黑龙江省宁安市人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向:现场总线与智能电器、字式继电保护测控装置
与系统、开关电源与谐波抑制以及电磁兼容技术等。

收稿日期:2003-12-17
第2期
2005年4月
No.2
Apr.,2005
微　处　理　机
MICROPROCESSORS
点是:
(1)ControlNet 是高速的控制和I/O 网络,具有增强的I/O 性能和点对点通信能力,支持多主方式,可以经由任何一个节点(甚至适配器)访问整个网络。

(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。

(3)先进的生产者/消费者网络模型,最大限度地优化了带宽的利用率,并可构成多主、主/从、对等的通信结构;媒体访问算法确保了控制信息传送时间的准确性。

(4)
ControlNet 具有灵活的安装选择,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,并支持媒体冗余方式。

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%的速率增长)。

ControlNet 可广泛应用于交通运输、汽车制造、冶
金、矿山
、电力、食品、造纸、水泥、石油化工、娱乐及
其它各个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、现代集团公司以及美国宇航局等政府机构都是ControlNet 的用户。

3　ControlNet 体系结构
ControlNet 体系结构与拓扑结构分别如图1、图2所示。

ControlNet 支持冗余方式,如图3所示。

图1　ControlNet 体系结构
图2　ControlNet 拓扑结构
图3　ControlNet 冗余方式
4　ControlNet 协议分层
ControlNet 协议分层及其与OSI 模型的比较如
图4所示。

由图可见,ControlNet 没有OSI 七层模
型中的会话层,ControlNet 的对象与对象模型相当于OSI 的应用层,数据管理相当于OSI 的表示层,报文路由传输与连接管理相当于OSI 的传输层和网络层。

图4　ControlNet 协议分层与OSI 的比较
5　ControlNet 的媒体访问控制(MAC )机制
ControlNet 采用隐[Jingle1]性令牌传递机制,
且网络上每个节点被分配一个唯一的MAC ID ,只有获取令牌的节点才可发送数据。

但是ControlNet 网络上并没有真正的令牌在传递,每个节点监视收到的每个数据帧的源节点地址,并在该数据帧结束之后,将隐性令牌寄存器的值设置为收到的源MAC ID 加1。

如果隐性令牌寄存器的值等于某个节点本身的MAC ID ,则该节点即可发送报文。

由于所有节点的隐性令牌寄存器中的值都相同,因此即避免了冲突的发生。

ControlNet 中被称为网络刷新时间(network update time —NU T )的周期通常分为三个主要部分:预定时段,未预定时段和维护时段,如图5所示。

预定时段用来传送对时间有苛刻要求的数据或称预定数据,如I/O 信息、控制器互锁信息等。

在每一个NU T 预定时段内,欲发送预定数据的各个节点访问媒体的机会都是相同的,即有一次且仅有一次发送预定数据的机会。

这可保证网络在NU T
预定时段内发送的数据是可预测的、确定的。

在
NU T 的未预定时段内,欲发送未预定数据的每一个节点都可享有机会以round -robin 方式来发送对时间无苛刻要求的数据,直到所分配的NU T 时段用完。

根据用完预定时段后NU T 所剩时间的多少,
在每个NU T 中,各节点在未预定时段内访问媒体
的机会可不同,即可有0次、1次或多次机会来发送未预定数据。

当维护时段到来时,所有节点停止发
・06・2005年　
微　处　理　机
送数据。

在维护时段内,具有最小MAC ID 的节点、即协调节点发送一个维护报文(协调帧),此报文可维持网络上每个节点的NU T 定时器的同步和发布一些重要的网络链路参数。

图5　NU T 的构成
6　网络与传输层
ControlNet 中网络层和传输层用于建立连接并
对其进行维护,该功能的实现主要涉及未连接报文
管理器UCMM (Unconnected Message Manager )对象、连接路由器对象、连接管理者对象、传输连接、传输类以及应用连接。

连接是不同节点两个或多个应用对象之间的一种联系,是终端节点之间数据传送的路径或虚电路。

终端节点可以跨越不同的系统和不同的网络,但因连接的资源是有限的,所以设备要限制连接的数量。

ControlNet 上的报[Jingle2]文传送可以是面向连接的和面向非连接的。

对于面向连接的通信,ControlNet 需要建立和维护连接;资源为某个特定的应用事先保留(节点可能用尽其所有资源);可减小对所接收数据包的处理。

对于面向非连接的通信,不需建立或维护连接;资源未事先保留(未连接资源不会用光);每个报文的附加量增多。

UCMM 是向没有事先建立连接的设备发送请求的一种方式,支持任何控制与信息协议CIP (con 2trol and information protocol )的服务。

报文路由器收到UCMM 报文后,去掉UCMM 的报头,将请求传送给特定的对象类,尽管报文有一部分附加量,但绕过了连接建立的过程。

UCMM 主要用于一次性的操作或非周期性的请求。

7　对象模型
7.1　对象模型的基本概念
ControlNet 使用抽象的对象模型来描述产品的
通信功能。

与DeviceNet 相似,ControlNet 通过类、
实例、属性、服务、行为等术语来描述对象的结构、功能和动作;为了对众多的类、实例、属性、服务等进行标识,定义了相应的标识符,并对它们进行编址。

7.2　对象库
ControlNet 通过对象库对所定义的诸多对象进行管理。

对象库中的对象可分为与通信相关的对象
和与应用相关的对象。

与通信相关的对象有:①ControlNet 对象:为网络参数提供接口;②连接管理器:建立设备内部对象间连接和为报文提供路由管理;③传输管理:处理实时连接;④报文路由器:将设备从网络上接收的Lpacket 传送到相应的内部对象;⑤Keeper 对象:为网络设备提供使用与NU T 中预定时段有关的数据;⑥连接组态对象和时间表对象:由实时连接启动器使用。

应用对象一般随着产品类型的不同而不同。

有些应用对象是公用的,它们为许多不同产品提供特定功能接口,如标识对象、组合对象、参数对象等。

7.3　基本对象模型
ControlNet 的对象模型从功能实现上可分为可选对象和必选对象。

可选对象对设备的行为不产生影响,可提供超出设备基本功能要求的功能;必选对象是实现设备基本功能要求所必须选择的对象,是
实现设备互换性、互操作性的前提条件之一。

在必选对象中有标识对象、报文路由器对象、连接管理器对象和连接对象,它们是ControlNet 的每个设备必须支持的。

通常,每个设备还需支持未连接报文管理器UCMM 对象。

由必选对象等构成的基本对象模型如图6所示。

图6　基本对象模型
8　设备描述
ControlNet 使用设备描述来实现设备之间的互
操作性、同类设备的互换性和行为一致性。

设备描述有专家达成一致意见的标准描述和一般的或厂商自定义的非标准描述。

CI 负责在技术规范中发布设备描述。

根据ControlNet 技术规范,每个厂商为其每个ControlNet 产品发布一致性兼容声明,其内容涉及此设备所遵循的技术规范的发布日期和版本号,设备中实现的所有协议选项和设备遵循的设备描述。

设备描述的内容如下:为设备类型确定对象模型,即设备对象模型;列出对象接口;描述此设备类型的生产和消费数据类型;确定配置数据以及访问
这些数据的公共接口。

(下转第64页)・
16・　2期佟为明等:ControlNet 现场总线技术
状态.发生解码器中断则说明发现正确的同步信息,
可转入下一个状态。

3)DVD 扇区搜索状态
在DVD 扇区搜索状态中,可发生解码器中断、同步信息错误中断和格式错误中断。

发生解码器中断说明发现目标扇区,可转入读DVD 状态。

格式
错误中断说明扇区格式出错或找到的扇区己在目标扇区之后,这是不可恢复的错误,要重新进入Seek 寻址状态。

若是同步信息错误中断,则返回DVD 同步搜索状态。

4)读DVD 状态在读DVD 状态下,数据流停止中断说明刚读入的扇区是最后一个扇区,驱动器已没有更多的内存空间来接收后续的扇区数据,数据流只好中断。

解码器中断说明刚读入的扇区数据正确。

其他中断说明出错,不可恢复时,重新Seek 。

盘片格式处理模块4种状态的转移如图6所示。

图6　盘片格式处理模块状态图
(2)盘片格式处理模块的中断
驱动盘片处理模块状态转移的中断有4类:解
码器中断;同步信息错误中断;格式错误中断;数据流停止中断。

各中断均发生在扇区开始处附近,但值得注意的是解码器中断是前一个扇区产生的,其他中断则是当前扇区产生的。

1)解码器中断,说明该状态的处理正常,顺利触发下一状态;
2)数据流停止中断。

造成“数据流停止中断”的原因通常是驱动器内存已占满,这时盘片处理进程不得不停止,并在命令伺服处理进程把光头位置保持不动的同时,将该错误通知A TAPI 处理进程,然后进入空闲状态。

当主机需要更多的数据时,盘片格式处理进程再次从A TAPI 处理进程接到Seek 命令,而进入Seek 寻址状态。

3)格式错误中断。

发生格式错误的原因是读入的扇区地址错误,这可以通过扇区的头信息来判定。

发生该错误后,重新进行扇区搜索。

4)同步信息错误中断。

同步信息错误包含没有同步信息和同步信息来的过早两种情况,无论哪种情况,都需要重新进行同步搜索
4　结束语
在本文中,我们分析了将主数据记录到盘片上的过程,熟悉了DVD 的数据结构。

根据DVD 的数据结构,以及与视盘系统主控程序其他模块的通信,实现了DVD 盘片格式处理模块。

该模块是基于中断驱动状态转移机制的,任意时刻,只能处于一种状态,在一个扇区读出时间以内,模块的大部分状态至少需要执行一次,这样的机制有效地提高了程序执行效率。

参考文献:[1]　SAMSUN G EL ECTRON IC Co.,Ltd.DVD858/
DVD878KV Digital Video Disc Player Service Manual [S].1997-05.[2]　DVD Specification for Read -only Disc (Version 1.0)
[S].1996-08.
[3]　P.J.Wehrenberg ,Apple Comput.Inc.,Santa Clara ,
CA ,USA CD and competing technologies in an applica 2tion driven environment [R ],40th IEEE Com puter S oci 2ety International Conference (COMPCON ’95),1995.[4]　关林风.光盘驱动器原理和维修技术[M ].北京:科学
出版社,2001.[5]　钟光明.CD/VCD/DVD/LD 光盘播放机原理与维修大
全[M ].北京:高等教育出版社,2000.
(上接第61页)
9　结　论
罗克韦尔自动化公司推出的面向控制层的实时现场总线ControlNet ,是一种高效、可靠、组态与编程简单、结构灵活的高速确定性和可重复性网络,是工业控制网络中性能最优的国际标准现场总线。

ControlNet 得到了世界众多公司的支持,在包括我国在内的世界各国均得到了越来越广泛的应用,目前安装节点已达几十万个,发展和应用前景十分广阔。

参考文献:
[1]　佟为明,林景波.现场总线概述[J ].低压电器,2002;
(4):34-39.[2]　佟为明,穆明,林景波.现场总线标准[J ].低压电器
[J ],2003;(2):32-36.[3]　ControlNet International.ControlNet S pecification [S ].
Release 2.0,including Errata 2,1999.[4]　ControlNet International.Open DeviceNet Vendor associ 2
ation[S].CIP Common S pecification ,Release 1.0,2000.[5]　Feng -Li Lian ,Moyne ,J.R ,Tibury ,D.M.Performance
evaluation of control networks :Ethernet ,ControlNet ,and DeviceNet [J ].IEEE Control S ystems Magazine ,2001;21(1):66-83.[6]　Viktor Schiffer.The CIP Family of Fieldbus Protocol and
its Member -Ethernet/IP [J ].Emerging Technologies and Factory Automation ,2001;(1):377-384.
・46・2005年　
微　处　理　机。