第8章 ControlNet控制网络

第8章ControlNet控制网络工业网络的配置信息层离散设备层自动化和控制层24vdc509-BOD过程设备层FTPPLCPLC河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室ControlNet网络ControlNet网络概述ControlNet网络模型ControlNet网络物理层ControlNet数据链路层河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室为什么要学习ControlNet总线？ControlNet是一种高速的工业控制网络;ControlNet是开放、实时、具有确定性和可重复性(Determinism&Repeatability)的现场总线。ControlNet是世界一流的自动化控制和信息解决供应商——美国罗克韦尔自动化(RockwellAutomation)公司推出的最优的工业控制网络技术——NetLinx的控制层网络，也是罗克韦尔电子化制造（E-manufacturing）概念的主要技术之一。8.1概述河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室ControlNet的由来、组织机构与ControlNet是由美国罗克韦尔自动化公司于1997年推出的一种新的面向控制层的实时性现场总线。1997年7月由罗克韦尔自动化等22家公司联合发起成立了控制网国际组织CI（ControlNetInternational）。CI是一个为用户和供货商服务的非盈利性的独立组织。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（Type2）。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室8.1概述ControlNet的特点、优点与应用ControlNet网络使用生产者/消费者模型。生产者/消费者模型允许一个发送设备（生产者）与多个接收设备（消费者）之间交换时间紧要的应用信息。确定性控制网络使用一种隐性令牌传递机制来提高效率。协议使用一种基于时间的预定机制，它可使网络设备以确定性的、可预测性的方式来访问媒体，同时也防止了网络碰撞。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室8.1概述ControlNet的主要技术特点可归纳为：（1）物理层介质：RG6同轴电缆、光纤。（2）网络拓扑：总线形、星形、树形及其任何拓扑的混合。（3）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。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室8.1概述（4）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。（5）中继器类型：ac&dc高压型和dc低压型。（6）带中继器最大拓扑长度：使用同轴电缆，5000m；使用光纤，30km。（7）网络节点数：使用中继器，可编址节点最多为99个；不带中继器，最多48个节点。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室8.1概述（8）设备供电方式：设备采用外部供电。（9）节点插拔：节点可带电插拨，安装与更换方便。（10）网络速度：5Mbps（最大）。（11）I/O数据个数：不限。（12）I/O数据触发方式：轮询、状态改变/周期。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室8.1概述（13）网络功能：同一链路支持控制信息、I/O数据、编程数据。（即单一网络实现实时控制、报文传送、设备组态）（14）网络模型：生产者/消费者。（15）网络刷新时间：可组态2~100ms。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室8.1概述ControlNet突出优点：（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，可以从任何一个节点（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。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室8.1概述ControlNet突出优点：（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。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室8.1概述ControlNet网络突出特点实时性、确定性和可重复性突出的原因：（1）应用层使用CIP协议，基于生产者/消费者通信模式；（2）数据链路层的MAC子层采用CTDMA（同时间域多路访问）协议；（3）网络通信波特率恒为5Mbps，不受通信距离影响，在单位时间传输相对较多的数据。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室ControlNet网络ControlNet网络概述ControlNet网络模型ControlNet网络物理层河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室三种网络模型比较Ethernet物理层CSMA/CDIPTCP封装UDPControlNet物理层DeviceNet物理层ControlNetCTDMACANCSMA/NBA应用层设备描述数据链路层物理层网络层传输层新的通讯技术：ATM,USB,FireWire,...CIP报文路由，连接管理（ConnectionManagement）CIP数据管理服务显式报文（ExplicitMessages）、I/O报文CIP应用层应用对象库半导体阀传动装置机器人其他CIP河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室ControlNet网络ControlNet网络概述ControlNet网络模型ControlNet网络物理层河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室ControlNet物理层特性距离500米典型距离20km带中继器单段网络节点数99节点/单网段物理介质RG-6同轴电缆光缆布线铠装，高柔度，防腐地埋等.终端电阻类型75终端电阻，网络两端通信比特率5Mbps拓扑结构主干－分支形星形树形环形点对点ControlNet河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室ControlNet物理层传输介质子层物理媒体连接子层（PMA）物理层信号子层（PLS）河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室ControlNet传输介质同轴电缆光纤屏蔽双绞线（仅用于构建临时连接）河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室同轴电缆节点节点节点节点7575没有最小分接器间隔支线电缆1米干线电缆要求终结器干线电缆节点介质是RG-6同轴电缆使用电视工业标准电缆(75)廉价抗噪声干扰(2层金属膜加2层金属编织物屏蔽)使用BNC或TNC标准的连接器（不同的IP防护等级）客户指定的分接器使设备和电缆匹配，以避免反射干扰和提供简单的节点安装干线的任何地方允许安装分接器河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室同轴电缆－分接器四种分接器：1、直线式T型2、直线式Y型3、直角式T型4、直角式Y型河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室同轴电缆规范单段能够用于两节点之间：两个节点长达1000米48个节点长达250米最多48个节点设备的数量21632482505007501000同轴电缆干线长度米单段图表如果系统处于该区域不需要中继器如果系统处于该区域需要中继器网段最长距离＝1000m－16.3m×(节点数-2)河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室同轴电缆拓扑结构总线型拓扑结构(串行使用中继器)**非必须使用中继器树型拓扑结构（并行使用中继器）星型拓扑结构（将中继器用作集线器）河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室同轴电缆－冗余ControlNet网络支持传输介质冗余。启动每个设备的A、B双通道，并防止反接。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室ControlNet冗余方式ControlNet传输介质同轴电缆光纤屏蔽双绞线（仅用于临时连接）河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室光纤用于短距离传输，最大传输距离300m；用于中等距离传输，最大传输距离7km；用于长距离传输，最大传输距离20km。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室光纤中继器类型河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室光纤的拓扑结构除同轴电缆的拓扑结构外，还可构成环形结构，形成自愈式环网。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室光纤网的连接河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室光纤网络设备类型光缆节点分接器中继适配器光纤中继模块中继器供电电源河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室ControlNet传输介质同轴电缆光纤屏蔽双绞线（仅用于临时连接）河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室临时连接ControlNet仅在两个网络访问端口（NetworkAccessPort－NAP）间点对点连接时采用8芯屏蔽双绞线STP，即NAP电缆。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室计算机连接到ControlNetCablefrom1784-PCCTapfrom1784-KTC(X)15and1784-PCIC河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室网络访问端口（NAP）ABNAPABControlNetLED's网络存取端口(RJ45)同轴电缆介质连接(可选冗余介质BNCs)模块前面板(典型)河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室屏蔽双绞线ControlNet采用8芯屏蔽双绞线，仅用于两个NAP间的点对点连接。NAP用于建立系统配置、诊断或控制器编程时所需的临时连接，能够在任一一点实现。长度不能超过10m。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室ControlNet物理层传输介质子层物理媒体连接子层（PMA）物理层信号子层（PLS）河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室物理层信号－曼彻斯特编码河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室曼彻斯特编码每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号。从高到低跳变表示“1”，从低到高跳变表示“0”。跳变即作为数据信号标志，也是时钟信号的标志。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室ControlNet网络ControlNet网络概述ControlNet网络模型ControlNet网络物理层ControlNet数据链路层河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室ControlNet数据链路层介质访问控制原理MAC帧格式河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室介质访问控制原理MAC子层的任务是解决网络上所有的节点共享一个信道所带来的信道争用问题。ControlNet采用的MAC协议是一种令牌总线协议。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室令牌总线协议网络拓扑形式是总线形。令牌的传递逻辑是环形。网络必须具有初始化功能，生成令牌传递次序。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室令牌总线协议河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室隐性令牌传递机制采用同时间域多路访问（ConcurrentTimeDomainMultipleAccess－CTDMA）协议。NetworkInterval#1TimeNetworkUpdateTimeNetworkInterval#2NetworkInterval#3NetworkInterval#4NetworkInterval#5非预定时段*预定时段河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室CTLR1HMIDrive1TemperatureSensorDrive3Drive2CTLR2CyclicRate100msCyclicRate200msCyclicRate50msCyclicRate25ms周期性数据交换河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室隐性令牌传递依据extNetworkUpdateInterval(NUI)ScheduledServiceConcurrentTimeDomainMultipleAccessUnscheduledServiceNetworkMaintenanceServicethe“Guardband”TimeNetworkUpdateTime(NUT)河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室隐性令牌传递依据ext预定时段数据传输对时间有苛求的控制和I/O数据：I/O控制和控制器间对等互锁指定最高的优先权确定性和可重复性非预定时段数据传输无时间苛求信息：报文发送和程序上载/下载指定较低的优先权不允许牺牲控制和I/O数据功能河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室预定时段CTDMA协议传输I/O报文，即对时间有苛刻要求的报文。CTDMA协议保证每个有I/O报文发送需求的节点在该时段中有一次发送机会。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室预定时段ext如果某个节点从网络上丢失，其下一个节点需要等待一个Slottime才能发送数据。如果轮到某个节点发送，而它没有数据需要发送，那就发送一个无效帧（NullFrame）。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室预定时段ext1234n1234nSMAXMaximumschedulednetworkaddress最大预定性节点由用户自定义134n该边界的移动取决于预定性带宽的利用率Example:node#3等待一个slottime因为#2设备关闭Time河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室隐性令牌传递依据ext预定时段数据传输以确定的和可重复的速率发送数据有时间苛求I/O和控制器之间的互锁非预定时段数据传输无时间苛求的对等报文发送和编程数据河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室隐性令牌传递依据ext预定时段数据传输对时间有苛求的控制和I/O数据：I/O控制和控制器间对等互锁指定最高的优先权确定性和可重复性非预定时段数据传输无时间苛求信息：报文发送和程序上载/下载指定较低的优先权不允许牺牲控制和I/O数据功能河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室非预定时段CTDMA传输所谓的显式报文，即对时间没有苛求的报文，如程序的上载/下载报文、故障诊断报文、设备配置报文等。UMAX表示有显式报文发送需求的节点中的最大节点地址。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室非预定时段ext789UMAX最大的非预定性网络节点地址Default=99891011每个节点可能传送多次或一次都不传送l前一时段的网络地址加1获取机会传送数据Time129101112河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室CTDMA技术实例NetworkUpdateTimeNetworkInterval#1TimeNetworkInterval#2NetworkInterval#3NetworkInterval#4NetworkInterval#51234345121234511234451ScheduledUnscheduledNetworkInterval1ScheduledUnscheduledNetworkInterval2ScheduledUnscheduledNetworkInterval3河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室网络维护时段协调帧用于同步网络上所有节点的内部时钟，以及公布一些重要的网络参数，如NUT、SMAX、UMAX等。由网络地址最小的节点，发送“协调帧”进行维护，其他所有节点不发送数据。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室网络维护时段ext网络上的每个节点把所接收到的协调帧里的网络参数和自己所存储的网络参数进行对比，如果不同就禁用自己。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室网络编址赋予发送有时间苛求I/O和控制器之间互锁信息的节点比较低的地址；网络不能有比SMAX小的空地址，保留1~2个比UMAX小的空地址。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室看守节点（Keeper）ControlNet网络上至少有一个节点充当Keeper。保存和应用网络参数（包括NUT、SMAX、UMAX等）和预定连接信息的能力。可把ControlNet分为单看守网络和多看守网络。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室ControlNet数据链路层介质访问控制原理MAC帧格式河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室MAC帧格式前导码开始分隔符SourceMACID0-510BytesMaxCRC结束分隔符LpacketLpacketLpacket.........MACPacketMAC数据帧有效字节数为510B。帧头附加了4B，包括2B的各位均为1的前导码，1B的开始分隔符，1B的源MAC地址。帧尾附加了3B，包括2B的循环冗余校验，1B的结束分隔符。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室Lpacket格式大小控制数据标签大小域表示整个Lpacket的字节对数目（3~255），大小1B。标签域用于标识Lpacket的特定信息。有两种：-传输显式报文用，称为固定标签；-传输隐式报文用，称为普通标签，即CID。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室Lpacket的CID实例PLC-5Adapter#1Adapter#2Adapter#3LpacketLpacketLpacketMACPacketLpacketLpacketLpacketPLC-5传送1个MAC数据帧包含3个LpacketsAdapter#1通过CID#1并抛弃CID#2和#3Adapter#2通过CID#2并抛弃CID#1和#3Adapter#3通过CID#3并抛弃CID#1和#2CID#1CID#2CID#3CID#1CID#2CID#3ControlNet河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室ControlNet组网网络规划与安装设备和网络配置河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室网络规划需要上网的设备，以及每台设备对网络通信功能的需求；需要进行通信的清单，即哪些设备之间需要进行何种通信；即到底是传输对时间有苛求的数据，还是传输对时间没有苛求的数据，还是两者都需要。每项通信的性能指标要求；包括对实时性、确定性、可重复性的要求、通信数据量的大小、I/O数据输入/输出的容许最大时间间隔、可以承受的费用。网络工作的环境条件情况。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室设备配置本地配置：利用设备提供的拨码开关、跳线、人机界面等，直接在设备上进行配置远程配置：远程配置利用ControlNet提供的显式通信。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室远程配置的条件计算机安装ControlNet网卡和驱动具有ControlNet设备配置软件操作员应具有EDS文件河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室设备配置软件功能将设备EDS文件读入配置软件的数据库中；对EDS文件的内容进行解释；将用户选定的参数值写入设备。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室配置软件-RSNetworxforControlNetPLCI/O网络组态在线/离线组态RSLinx作为接口ControlNetCard1784-KTCX,1784-PCCRSLinxRSLogix5RSNetWorxRSLogix5000河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室RSNetWorx软件网络规划用户在RSLogix5000软件中创建或更改连接后，需要使用RSNetWorx软件对ControlNet网络进行规划。主要包括以下任务：1、计算每个连接API时间。2、进行预定义连接规划。河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室实例:网络规划网络刷新时间组态为5ms。ConnectionA每个网络刷新时间内更新一次,它的实际数据包间隔时间为5ms.ConnectionB每两次网络刷新时间内更新一次,它的实际数据包间隔时间为10ms.ConnectionC每四次网络刷新时间内更新一次,它的实际数据包间隔时间为20ms.河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室实例:网络规划（ext）NetworkUpdateInterval1NetworkUpdateInterval6NetworkUpdateInterval5NetworkUpdateInterval4NetworkUpdateInterval3NetworkUpdateInterval2Time__________5ms__________10ms__________15ms__________20ms__________25ms__________30msConnectionAConnectionBConnectionAConnectionCConnectionAConnectionBConnectionAConnectionAConnectionBConnectionAConnectionCNetworkUpdateTime=5msActualPacketIntervalforConnectionA=5msActualPacketIntervalforConnectionB=10msActualPacketIntervalforConnectionC=20ms河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室周期性I/O连接SCANNER1Drive1TemperatureSensorDrive3Drive2CyclicRate100msCyclicRate200msCyclicRate50msCyclicRate25ms河南机电高等专科学校罗克韦尔自动化实验室