ControlNet网络技术

ControlNet现场总线技术
概述
• ControlNet是IEC61158现场总线标准的子集。 • ControlNet是由美国罗克韦尔公司于1997年推出的面向控制 层的实时性现场总线。1997年7月，Rockwell等22家企业联 合发起成立了ControlNet International (CI)组织。CI主要负 责全世界范围内推广发展 ControlNet 技术，提供测试软件及 独立的合格性测试。出版发行ControlNet 技术说明书和产品 目录以及组织设计和使用ControlNet的培训等工作。
参数设置
由CTDMA控制规则可知：
NUT=tscheduled+tunscheduled+tmaintenance
式中:tscheduled,tunscheduled,tmaintenance 分别对应系统的预定时间、未预定时间和维护时间。若在 每一个 NUT 内, 所有Scheduled 节点都有数据发送 , 且每个 MAC 帧中 Lpacket 部分的长度都达到了其规定的最大值 510个字节;同时,无预定时间段中由于CTDMA协议保证了 至少要有一个节点发送数据
未预定时段(unscheduled)
• 未预定时段内 , 用来传送对时间无苛刻要求的数据 , 这部 分时间内，所有传送显性报文的节点按循环、顺序的拿 到隐性令牌。在一次NUT中，这种循环不断重复，直到 所分配的NUT时段用完。根据用完预定时段后NUT所剩 时间的多少 , 在每个 NUT 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。 CTDMA 算法根据网上控制信息流的负载量， 在不影响预定时段的前提下，保证至少有一个节点再一 次NUT中可拿到隐性令牌上网传送显性报文。
通信模式
• ControlNet在单根电缆上支持两种信息传输：一 种是对时间有苛刻要求的控制信息和 I/O 数据， ControlNet授予他们最高优先权，保证其不受其 他信息的干扰，二是无时间苛求的信息和程序上 / 下载，他们被授予较低的优先权，在保证第一 种信息传输的条件下进行传递。
• 用户具有对这种信息的控制能力，可选择控制和 I/O数据的刷新速率，并确知数据的传输时刻。
未预定时段(unscheduled)
• 未预定时段服务范围从0到UMAX的最大值。另 外，UMAX总是大于或等于SMAX。地址大于 SMAX而小于UMAX的节点只能传送 unscheduled信息。地址小于SMAX的节点可传 送scheduled和未预定时段信息。地址大于 UMAX的节点无法在网络上通信。
维护用时段(maintenance)
• 当维护时段到来时,所有节点停止发送数据，在维护时段 内,具有最小MAC ID的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 NUT定时器的同步和发 布一些重要的网络链路参数。 • 在每个NUT中，节点地址从1到SMAX的每个节点都 允许在Scheduled 时段中传输数据，如果某个节点由于 某种原因从网络上丢失，其下一个节点必须等待一个 slot-time 时间，一个slot-time 时间是信号在链路上走一 个来回所需的最小时间，它的计算取决于链路的物理特 性。如果网络上的某个节点没有要发送的数据则会发送 一个NULL帧。因而，scheduled时段的边界有时会随着 每个节点的利用率而改变。
概述

• ControlNet 使用的同轴电缆全部距离能够长达 6Km ，可寻址节点最多为 99 个，两节点间最长 距离最长可达1000m，48个节点距离可达250m; 采用光纤和中继器后 , 通信距离可达几十公里， 支持大多数介质结构，网络结构可采用总线、树 型、星型等结构或组合结构。使用时，用户可根 据需要扩展物理长度，增加节点数量，提高安全 性能。
应用领域
• 随着国际自动化系统网络技术的不断进步， ControlNet International 到目前为止，成员公司 已扩展到 50 多个，其中不乏世界知名的大公司， 如 ABB Roboties 、 Honeywell Inc 、 Toshiba International 。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。
• CTDMA 预定时段用来传送对时间有苛刻要求的数据或称预定数 （并存时间域多路访问）算法保证对控制信息有 据 , 如I/O 信息、控制器互锁信息等。在每一个 NUT 预定 发送需求的每一个节点在这一部分中都有一次循环，以 时段内 ,欲发送预定数据的各个节点访问媒体的机会都是 顺序的机会拿到隐性令牌上网传送信息。每个节点可传 相同的 ,即有一次且仅有一次发送预定数据的机会，这可 输最多 510位。这一部分的带宽已预先组态和保存以支 保证网络在 NUT预定时段内发送的数据是可预测的、确 持实时数据传输。 定的。每一个地址在0和SMAX (SMAX表示NUT中需利 预定时段服务范围从0到SMAX。节点地址大于 用预定时段时段传送控制信息的具有最高网络地址的节 SMAX的节点在预定时段部分中不发送信息。 点)之间的节点都可保证在每一个NUT中获取一次传输机 不同的应用程序对预定时段的数据发送有不同的要 会。 求，如果以同一速率发送所有数据，其速率将是很低的。
ControlNet链路层的NUT划分
• ControlNet 中被称为网络刷新时间 NUT(work update time)的周期通常分为三个主要部分：
• 预定时段
网络刷新间隔 (NUI)
预定时段
非预定时段
维护时段
• 未预定时段
网络刷新时间
(NUT)
• 维护时段
Time
预定时段(scheduled)
参数设置
从上面对 MAC 层的分析中可以看到 , 要想使用好 C on t rol N e t, 其 中最 主 要的 是 要对 NUT,SMAX,UMAX,RPI 等参数进行设置。用户应 根据网络的实际配置情况对它们进行初步计算 ,然 后组态软件。 • NUT 的大小决定了系统的循环周期，太大 , 系统的实时性变差 ;太小,影响了预定时间和无预 定时间 , 使得系统的控制信息和显性报文的发送 得不到保证 . 下面从理论上分析决定 NUT 大小的 因素。
参数设置
因此：
tscheduled=T×SMAX,
tunscheduled=T 式中T为节点发送一个最大MAC帧所需的时间。从上 式中可以看到 , 当网络的结构、长度和所带的节点数等物 理特性确定后, tmaintenance和T值也就确定了,因此NUT 的大小主要受SMAX值的影响。由ControlNet的MAC方法 可知,网络编址的的合理与否对网络性能影响很大
参数设置
• 使用ControlNet应注意以下几点：
•
（1）对ControlNet进行编址时，应把需要 发送实时信息的节点都给与比较低的地址。
（2）因为对应于每个空地址，网络都要等 待一个槽时间，因此网络上最好不要有比SMAX 和UMAX小的空地址。
•
前景
• ControlNet 网络采用生产者 / 消费者模式 , 通过 CTDMA 控制机制 , 结合隐性令牌的传递方法 , 保 证了系统的实时性和确定性。它最适用于对时间 有苛刻要求的工业现场 , 是一种高速的、确定性 的网络 . 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,目前安装节点已达几十万个 ,发展和应用前景 十分广阔。
技术特点
• （1）CtrolNet是高速的控制和I/O网络，具有增 强的I/O 性能和点对点通讯能力，支持多主方式， 可以从任何一个节点访问整个网络。 • （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。
技术特点
• （3）先进的生产者/消费者网络模型，最大限度 的优化了带宽的利用率，并可构成多主、主 / 从、 对等的通讯结构；媒体访问算法确保了控制信息 传送时间的准确性。 • （4）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介质访问方式
• ControlNet数据链路层的介质存取控制协议
• ControlNet链路层的NUT划分
ControlNet数据链路层的介质存取控制 协议
• ControlNet采用了一个特殊的令牌传递机制叫隐性令牌传递机制 , 网络上每个节点分配一个唯一的MAC地址（如1到99），像普通 每个节点监视收到的数据帧的源节点地址→结束→隐性令牌寄存器的值 置为收到的源 MAC地址＋1→等于某节点MAC地址→该节点发送数据 令牌传递总线一样，持有令牌的节点可以发送数据。但是，网络 上并没有真正的令牌在传输。相反，每个节点监视收到的每个数 据帧的源节点地址，在该数据帧结束之后，每个节点设置一个隐 因为所有节点的隐性令牌寄存器在任意时刻的值相同，这就避免了冲突 性令牌寄存器，其值为收到的源MAC地址加1。如果隐性令牌寄 的发生。如果某个节点没有要发的数据，则只须发一个空的数据帧。 存器的值等于某个节点自己的 MAC 地址，然后该节点就可以立 刻发送数据。
通信模式
• ControlNet技术采用了一种通信模式，以生产者 /消费者模式取代了传统的源 /目的模式。他不仅 支持传统的点对点通信，而且允许同时向多个设 备传递信息。生产者 / 消费者模式使用时间片算 法保证各节点实现同步，从而提高了带宽利用率。
生产者/消费者模式
• 用一种形象的方式来描述两者的区别，一个班有30同学， 现在需要把当前的确切时间告知某些同学，在源/目的模 式中时间被告知每个人,其中有的同学可选择听，另一些 则选择不听，在信息传输过程中，时间已发生变化，因 此时间在告知第一个同学以后就变得不准确了。而在生 产者/客户模式中，时间被同时告知室内所有的同学，有 的同学可选择听，其他的可选择不听。这样就不会出现 信息失真的现象，室内人数的增减也不会影响通信时间 和效率。因而保证了高效率和高确定性。