ControlNet现场总线详解

一个典型的基于同轴电缆的ControlNet网络组成：干线电缆、终端电阻 （75Ω）、分接头、支线电缆、ControlNet设备等。
支持传输介质冗余：所有设备都支持冗余，以冗余的方式相接，两个通 道都启用。
ControlNet是一个与地隔离的网络，应该保证网络不会意外接地。
Trunk Cable
Trunk Cable Termination Required 75 Drop Cable 1 meter Tap Required
CTDMA算法保证在不影响预定时段的前提下，每个 NUT中至少有一个节点可发送数据。
注意事项: SMAX 和 UMAX
• Scheduled Maximum Node (SMAX) - 需严格调度 数据的节点数若超过SMAX 则该网络节点将不能 按严格调度方式传送.
• Unscheduled Maximum Node (UMAX) - 需非严格 调度数据的节点数若超过 UMAX 则该网络节点 将不能在 ControlNet上通信.
节点
节点
节点
设备供电方式：外部供电
节点插拔：可带电插拔
网络速度：5Mbit/s（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2～100ms
优点：
1、对在同一链路上的I/O、实时互锁、对等通信报文传送和编程操作，均具 有相同的带宽。支持多主方式。
MAC ID：0～SMAX
节点访问媒体的机会是相同的，有且仅有一次发送 预定数据的机会，保证网络在预定时段内发送的数 据是可预测的、确定的。 不同的数据不同的发送速率。ControlNet支持8种不 同的速率，是NUT的二进制倍数。 用户选择请求数据包间隔，网络组态工具设臵实际 数据包间隔。
网络刷新时间
隐性令牌传递：并非真正的令牌
规则：一个节点一个MAC地址（惟一） 每个节点监视收到的数据帧的源节点地址→结束→隐性令牌 寄存器的值臵为收到的源MAC地址＋1→等于某节点MAC地址→ 该节点发送数据 避免冲突：所有节点的隐性令牌寄存器值相同，节点本身的 MAC地址不同 隐性令牌传递逻辑是由CTDMA算法控制的。
－中继器：工作在物理层的设备，其功能是双向接收、处理并重发物理 信号。
用途：1、用于网络拓展
2、用于传输介质或拓扑结构的切换 分类：
普通中继器：两个网络接口
环中继器：3个网络接口，支持介质冗余
MAC协议
数据链路层协议以NUT的固定而重复的时间周期为基准。 功能：负责整个网络仲裁，确定信息发送的优先权。
Lpacket
• • • •
所有的信息传送均通过打包进行 每一节点在每次传送时只能传送一个主信息包 每个主信息包可包含一个或多个副信息包 每个副信息包均包含一个应用信息
链路数据包：长度、控制、标签、链路数据组成。
网络与传输层：建立连接和维护
ControlNet报文传送： 面向连接 需要建立和维护连接，资源事先保留 面向非连接 不需要建立和维护连接，资源未事先保 留 UCMM：向没有事先建立连接的设备发送请求的一 种方式，支持CIP服务，主要用于一次性的操作或非 周期性的请求。 传输连接：表示特定应用之间关系的特征，其连接 的端点是传输对象的实例。
－可选对象：对设备行为无影响，可提供超出基本功能要求的 功能。
－必选对象：实现设备互换性、互操作性
设备描述：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。
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功能。 3、采取新的通信模式以生产者/消费者的模式取代了传统的源/目的的模式。 它支持点对点通讯，而且允许同一时间向多个设备通信。 4、安装简单、扩展方便以及介质冗余、本质安全、良好诊断功能应用领域。
ControlNet网络协议
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。 特点： 可传输多种不同类型的数据，包括I/O数据、配臵和故障诊 断、程序上下载等 面向连接 显式报文在非预定时段传输，隐式报文在预定时段传输 生产者/消费者模型，支持多播通信 支持多种通信模式：主从、多主、对等或组合 支持多种I/O数据触发方式：四种 用对象模型描述应用层协议，方便编程 提供设备描述，保证互操作性、互换性
ControlNet（总线型）
干线
节点
节点
节点
节点 最多99个节点
节点
带1m长支线的 分线器
每个网段最多为48个节点
ControlNet （星型）
中继器 节点 节点 节点
节点
节点
节点 节点 最多99个节点 节点 节点
每个网段最多为48个节点
ControlNet （环形）
节点

节点
节点
节点 光缆 最多99个节点 每个网段最多为48个节点
主要特点：支持节点标识符重复检测；支持报文破分。
物理层：3个子层
－物理层信号（PLS）子层：定义与信号有关的内容，如波特率、信号编码等
物理媒体连接（PMA）子层：定义设备内的物理部件。收发器、连接器等 传输介质子层：定义与传输介质有关的内容。线缆、网络拓扑结构等
网络元件：
－同轴电缆，拓扑结构：主干－分支型，加中继器后几种形式均可。
ControlNet现场总线
概述
ControlNet基础技术是美Rockwell Automation公司自 动化技术研究发展起来的。1995年10月开始面世，1997 年7月由Rockwell等22家企业发起成立ControlNet国际 化组织(CI)，是个非赢利独立组织，主要负责向全世界 推广ControlNet技术（包括测试软件）。目前已有50多 个公司参加，如ABB Roboties 、Honeywell Inc.、日 本横河、东芝、Omron等大公司。 ControlNet是实时的控制层网络，在单一物理介质链路 上，可以同时支持对时间有苛刻要求的实时I/O数据的 高速传输，以及报文数据的发送，包括编程和组态数据 的上载/下载以及对等信息传递等。在所有采用 ControlNet的系统和应用中，其高速的控制和数据传输 能力提高了实时I/O的性能和对等通讯的能力。
• 用户可根据自己的需要组态网络(例如改变SMAX)
维护时段：所有节点停止发送数据 协调节点：MAC ID最小
发送维护报文（协调帧）完成NUT定时器的同步， 发布重要网络参数
协调节点发送重同步协调帧→重启NUT→节点接收协 调帧→比较→不一致→节点失效 在两个连续的NUT中未收到协调帧→最低MAC ID节 点承担协调节点→第三个NUT维护时段发送协调帧→ 遇到比其低的MAC ID节点→停止协调角色 协调帧在每个NUT都要发送，以调整参数，并为新 加入的节点提供参数。
非预定时段：传送对时间无苛求的显式报文或I/O报 文（非预定数据）。
MAC ID：0～UMAX 各节点均有机会发送非预定数据直到非预定时段的 时间用完。 节点发送数据的机会不同，可为0到多次，取决于 NUT所剩的时间。 当前访问媒体的节点MAC ID＝前一个NUT中第一个 节点的MAC ID＋1 令牌起始：前一个协调帧USR所指定的MAC ID，每 个NUT到来，USR＋1
主要技术特点
物理层介质：RG6同轴电缆、光纤
网络拓扑：总线形、星形、树形及混合
单网段长度：同轴电缆，1km、2节点，250m、48节点；光纤，短300m， 中7km 中继器数目：串行；并行 中继器类型：交直流高压型，直流低压型 带中继器最大拓扑长度：同轴电缆5km，光纤30km 网络节点数：带中继器99，不带48
传输类：应用接口至传输服务可通过所支持的传输类来实现， 定义了Class0～Class6 ，7种传输类型。 Class3：传输非实时的客户/服务器模式的显式报文，双向连接 Class1：传输实时I/O的隐性报文，单向连接
对象模型：与DeviceNet相似
对象库：与通信有关的对象、与应用有关的对象 基本对象模型：
网络间隔 #1
网络间隔 #2
网络间隔 #3
网络间隔 #4
网络间隔 #5
Time
1 2 3 4
3 4 5 1 1
1 2 3 4 严格调度
5 1
2 严格调度 非严格调度 网络间隔 1
非严格调度
2
3 4 严格调度
4
5
1
网络间隔 3
非严格调度
网络间隔 2
严格调度的数据将在每一次网络间隔内被传送一次 非严格调度的数据则可以在多个网络间隔内有选择的传送
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层
7 6 5 4 3
对象和对象模型 数据管理 空 报文路由器 传输 连接管理器 逻辑链路控制（LLC）
数据链路层
2 介质存取控制（MAC） 物理层信号子层 物理层中间附加子层 （PMA） 控制网络分层模型
物理层
1
OSI 7层参考模型
数据链路层：
－LLC子层：遵从IEEE802.2标准
Tap Separation (No Min.
75
Node
Node
Node
Node
Node
－光纤：适用于有防爆要求的应用场合 ControlNet支持的光纤有3种：短距，300m；中距，7km；长 距，20km
通信方式：
点对点：两个节点之间、节点的中继器之间或两个中继 器之间的连接 环网：多个节点之间的连接，节点（设备）需具备环中 继功能。带两个接口 －屏蔽双绞线：8芯，仅用于两个NAP之间的点对点连接 与ControlNet网络直接连接的节点为永久节点，通过NAP 与永久节点相连的节点为临时节点。 注意：使用NAP时不能同时将临时节点的NAP和同轴电 缆接口连接到不同的设备上。
MAC帧：协议数据单元PDU 格式：前同步、起始界定符、源MAC ID、链路数据包、CRC和结束界定符
MAC Packet
Preamble Start Source Delimiter MAC ID 0 - 510 BytesMax CRC End Delimiter
Lpacket
Lpacket
.........
－MAC子层：同时间域多路访问（CTDMA）协议，把 网络时间分成时间片，即网络更新时间（NUT）。
NUT分为3个部分：预定时段、非预定时段和网络维护 时段。
预定时段：每个预定的节点(在一个循环的顺序次序 的基础上)保证有一个机会进行传送信息。 有时间苛求的信息必须在这段时间传送出去，比如 I/O数据的传输。
链路层工作方式
预定时段
网络刷新间隔 (NUI) 非预定时段 维护时段
网络刷新时间
(NUT)
Time
Concurrent Time Domain Multiple Access
网络刷新时间（NUT）分配
NUT分为3个部分：预定时段、非预定时段和网络维 护时段。
预定时段：传送对时间有苛刻要求的控制信息。