现场总线技术-第七章-ControlNet-现场总线技术及其应用-教学课件

现场总线技术及其应用第7讲胡青松2023/7/301第7章ControlNet

7.1 ControlNet概述7.2

ControlNet物理层7.3

ControlNet数据链路层7.4 ControlNet应用层7.5 ControlNet设备开发7.6 ControlNet组网7.7 ControlNet应用实例2023/7/3027.1 ControlNet概述控制网网络是一种高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输。它为对等通信提供实时控制和报文传送服务，它作为控制器和I/O设备之间的一条高速通信链路，综合了现有的各种网络的能力。2023/7/3037.1 ControlNet概述ControlNet具有很高的确定性和可重复性，并且在网络上连接或断开设备时能够保持不受影响。从而确保了可靠性、同步性以及协调的实时性。2023/7/3047.1 ControlNet概述1995年10月，罗克韦尔自动化公司推出ControlNet。1997年7月，成立ControlNetInternational（CI）组织，同时罗克韦尔自动化公司将ControlNet的所有权转移给CI。2000年1月，现场级现场总线标准IEC61158得以通过，是IEC61158所纳入的八种现场总线之一。2023/7/3057.1 ControlNet概述同时间域多路访问2023/7/306ControlNet应用层特点可以传输多种不同类型的数据，包括I/O数据、配置和故障诊断、程序上下载等；面向连接，通讯之前必须建立连接；用不同的方式传输不同类型的报文，具体到ControlNet，是把显式报文放在非预定时段传输，把隐式报文放在预定时段传输；基于生产者/消费者模型，提供对多播通讯的支持；支持多种通讯模式：主从、多主、对等，或三者的任意组合；支持多种I/O数据触发方式：轮询、选通、周期或状态改变;用对象模型来描述应用层协议，方便开发者编程实现；为各种类型的ControlNet设备提供设备描述，以保证互操作性和互换性。2023/7/307ControlNet物理层的主要技术特点通讯波特率：ControlNet只支持一种通讯波特率，即5Mbps。传输介质：同轴电缆或光纤，另外在临时连接中使用屏蔽双绞线。拓扑结构：当传输介质为同轴电缆时，拓朴结构可以为主干－分支型、星型、树型或3者的任意混合；当传输介质为光纤时，拓朴结构可以为环网或点对点；当传输介质为屏蔽双绞线时，拓朴结构只能为点对点。连接器：标准BNC连接器或标准TNC连接器。最大长度（带中继器）：30km以上。网段的容许最大长度：与通信波特率、传输介质、节点数有关。在使用5Mbps的通信波特率、传输介质为同轴电缆的情况下，节点数为2时的网段最大长度为1000米，节点数为48时的为250米。也就是每增加一个节点，所容许的最大长度减少约16米。中继器虽然不占用节点地址，但与普通节点一样，也会使得网段的容许最大长度减少约16米。传输介质为光纤时，最大长度为3000m。2023/7/308ControlNet物理层的主要技术特点节点数：一个ControlNet网络最多可以有99个节点。单个网段最多可以有48个节点，如果网络上的节点数超出48个，就需要使用中继器进行扩展。中继器数目：一个ControlNet网络最多可以串联使用5个中继器，或并联使用48个中继器。LED指示灯：两个，一个指示ControlNet网络工作状态，另外一个指示设备工作状态。供电：网络不提供电源，即ControlNet设备是外部供电的。可选的介质冗余，以提高系统可靠性。可选的本质安全。可带电插拔设备。提供临时的网络访问接口（NetworkAccessPort–NAP），方便配置、编程等。2023/7/309ControlNet数据链路层有关的主要技术特点数据包长度：0-510字节；网络更新时间：0-100ms；CRC校验：使用16位多项式的改进CCITT法；支持节点ID重复检测；支持报文破分（Messageragmentation）。2023/7/30107.2ControlNet物理层2023/7/3011ControlNet的传输介质ControlNet选用了三种传输介质：同轴电缆、光纤、屏蔽双绞线（仅用于临时连接）。根据传输介质的不同，ControlNet物理层的PMA子层的定义、PLS和PMA子层接口的定义也不同。2023/7/3012定义对比传输介质PMAPLS与PMA的接口信号同轴电缆收发器，变压器，连接器RxDataRxCarrierTxDataOutTxDataBarNetEnable光纤收发器，连接器RxDataRxCarrierTxDataOutNetEnable屏蔽双绞线光隔离（可选），收发器，连接器RxPTCTxPTC2023/7/30137.2.2基于同轴电缆的ControlNet传输介质特点优点：使用灵活，成本低，容易购买。缺点：接线不方便，BNC接头制作麻烦。网络拓扑结构通常采用主干－分支型拓扑结构，通过使用中继器可以组成其他拓扑结构。如：主干－分支型、树型、星型或它们之间的任意组合。分接头直线式T型分接头、直线式Y型分接头、直角式T型分接头、直角式Y型分接头。2023/7/3014典型的ControlNet由干线电缆、终端电阻、分接头、支线电缆、ControlNet设备等组成。终端电阻的作用是为了防止信号反射，阻值75Ω。干线分接头之间没有最小距离限制。为了便于以后扩展，可以在分接头之间安装一个75Ω电阻电缆插孔连接器，在干线电缆上保留一个空间，以便将来安装分接头或于干线电缆相连接。2023/7/3015一些注意事项一般应该避免在网络干线上安装空闲的分接头，如果有空闲的分接头，必须加装虚负载。ControlNet是一个与地隔离的网络，应该保证网络不会意外接地。基于同轴电缆的ControlNet设备的PMA包括的部件有收发器、变压器和连接器。收发器负责发送和接收物理信号。变压器用于收发器和传输介质之间的隔离。连接器用于连接设备和传输介质。基于同轴电缆的ControlNet设备的PMA结构。2023/7/3016PLS与PMA接口定义2023/7/30177.2.3基于光纤的ControlNet传输介质特点优点：抗干扰能力强，传输距离长，具有本质安全。缺点：成本高。网络拓扑结构

采用点对点方式或环网方式。点对点方式用于两个节点、节点和中继器之间或者两个中继器之间的连接。环网用于多个节点之间的连接。支持的光纤1、用于短距离系统，最大传输距离300m；2、用于中等距离系统，最大传输距离7km；3、用于长距离系统，最大传输距离20km。2023/7/3018一些注意事项组成环网的每个ControlNet设备必须具有环中继功能，每个设备有两个接口，接口之间通过光纤首尾连接，如图7.4。一个光纤连接需要两根光纤，一根用于发送数据，一根用于接收数据。基于光纤的ControlNet设备的PMA包括的部件有收发器和连接器。基于光纤的ControlNet设备的PMA结构，如图7.5。2023/7/3019PLS与PMA接口定义2023/7/30207.2.4基于屏蔽双绞线的ControlNetControlNet采用8芯屏蔽双绞线，仅用于两个NAP（NetworkAccessProtocol）之间的点对点连接。大多数ControlNet设备都带有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。与ControlNet网络直接连接的节点为永久节点，通过NAP与永久节点相连的称为临时节点。临时节点通过与之相连的永久节点提供的中继功能与其他永久节点通讯。2023/7/3021一些注意事项两个NAP之间的连线长度不能超过10m。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设备上。NAP不能用于两个网段之间的连接。基于屏蔽双绞线的ControlNet设备的PMA包括的部件有隔离器、收发器和连接器。如果该设备要充当临时节点时，其收发器要光隔离，否则不需要。连接器用的是RJ－45屏蔽式连接器。其引脚定义为：2023/7/3022一些注意事项基于屏蔽双绞线的ControlNet设备的PMA结构，如图7.7。TxPTC：为0，表示PMA发给PLS的是高电平，为1，则是低电平。RxPTC：为0，表示PLS发给PMA的是高电平，为1，则是低电平。2023/7/30237.2.5中继器中继器的功能双向接收、处理并重发物理信号中继器的用途1、在节点数或网段长度超出限值时，用于网络扩展；2、用于传输介质或者拓扑结构的切换。ControlNet中继器的种类普通中继器：有两个网络接口，连接两个网段。环中继器：有三个网络接口，一个首要接口，与非冗余网段相接，另外两个次要接口，使用时多个环中继器的两个次要接口首尾相接，形成环网。2023/7/30247.3ControlNet数据链路层7.3.1MAC协议原理CTDMA协议7.3.2MAC帧两种帧的帧格式（MAC&LinkPacket）7.3.3内部结构7.3.4外部接口2023/7/30257.3.1MAC协议原理基本功能：要在不太可靠的物理链路上，通过数据链路层协议实现可靠的数据传输。帧是数据链路层数据的传输单位。具体过程：发送方将网络层传下来的分组附上数据链路控制信息构成帧交给物理层，接收方把物理层交来的数据去除帧的数据链路控制信息后上交网络层。2023/7/3026媒体访问控制子层（MAC）：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；逻辑链路控制子层（LLC）：把要传输的数据组成帧，并且解决差错控制和流量控制的问题。提供三种服务：不可靠的数据报服务、确认的数据报服务、可靠的面向连接的服务。2023/7/3027CTDMA协议CTDMA－ConcurrentTimeDomainMultipleAccess（同时间域多路访问）NUT－networkupdateinterval

CTDMA示意图2023/7/3028CTDMA协议－预定时段预定时段－隐式报文的传输基于生产者/消费者模型隐式令牌环机制（节点数目1～SMAX）预定时段长度不固定根据I/O对数据刷新率的要求来设置NUT2023/7/3029隐性令牌传递机制网络上并没有真正的令牌在传递；每个节点都有一个隐性令牌寄存器，每个节点都不听的监听每个数据帧的源节点地址，当该帧传输完毕后，就把隐性令牌寄存器的值设为监听到的源节点地址加1；节点发现其隐性令牌寄存器的值正好与其MAC地址相同，就可以立即发送数据。2023/7/3030CTDMA协议－非预定时段非预定时段－显式报文的传输组态时保证此时段足够一个节点发送容许的最长数据包（节点数目1～UMAX）循环Robin法（逐次加1）确定第一个节点的地址2023/7/3031CTDMA协议－网络维护时段网络维护时段－发送“协调帧”由网络地址最小的节点发送（单看守网络当中的看守节点）“协调帧”的作用：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；它在每个NUT上都要发送协调节点意外停止工作后的情况：当其它节点在连续两个NUT中都没有收到协调帧时，其它节点的MAC地址最小的结点会从第3个NUT开始发送协调帧；当发现另一个节点MAC地址比它低，就不再充当协调节点2023/7/3032CTDMA协议－网络编址原则应把有隐性报文(实时信息)发送需求的节点给予较低的地址网络上最好不要有比SMAX和UMAX小的空地址，因为对应于每一个空地址，网络都要等待一个槽时间2023/7/3033单看守与多看守网络根据看守节点的数目是否大于一个划分为什么要设置看守节点：看守节点存有网络扫描列表，并且具有保存和应用网络参数和预定连接信息的能力，负责接收网络配置信息，并分配预定连接信息给各个连接发起者看守节点的连接：单看守网络中，任何预定连接的建立都必须通过看守节点；当预定连接建立后，该连接一直工作，看守节点离线也不造成影响；多看守网络中，只要有个看守节点在线，预定连接就可以建立2023/7/30347.3.2MAC帧ControlNet的MAC帧格式ControlNet的LinkPacket帧格式2023/7/3035Lpacket每个MAC帧可以包括0个或多个Lpacket，没有Lpacket的MAC帧为无效帧；大小域：表示的是整个Lpacket的字节对的数目；控制域：位0和位4表示的似乎Lpacket的类型；位1表示标签域的字节数是单数还是偶数，位2表示数据域的字节数是单数还是偶数，其余4bit保留；标签：标识Lpacket的特定信息，用来传输显示报文的称为固定标签，传输隐式报文的为普通标签；2023/7/30367.3.3内部结构应用层TxLLCRxLLC访问控制器(ACM)RxMTxM串行器逆串行器DLL管理站管理实体物理层暂时存储从站管理实体或应用层接收到的服务数据单元，并决定下一个应该发送什么

。负责发送和接收控制帧和报文头信息，并且决定传输的定时和持续时间长短。

从访问控制器接收要求发送的MAC帧头、帧尾以及链接包的请求，然后把它们破分为字节符号交给串行器。

接收字节符号，并转换成串行的MAC符号交给物理层。另外，还负责生成CRC。

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7.3.4外部接口

ControlNet数据链路层的外部接口是它为上面的应用层，下面的物理层，边上的站管理实体所提供服务的集合。

站管理实体的功能:定义对象接口，使得每层的变量和事件可以被访问；定义公共的用户接口，包括网络状态发光二极管指示灯，设备状态指示灯，以及用于设置网络地址的拨码开关等；协调连接参数的改变，从而保证灵活性；同步网络上两个节点的时钟。2023/7/3038

发送服务：把待发送的Lpacket加入队列中。

队列维护服务：用于Lpacket队列的管理。

标签过滤器管理服务：用于标签过滤器的管理。

接收服务：表明节点的数据链路层已经接收到了Lpacket。

网络同步服务：表明节点开始使用一个新的NUT（网络更新时间）。

同步参数改变服务：同步改变网络参数ControlNet数据链路层提供的服务2023/7/3039

事件报告服务：将发生的事件报告给站管理实体。

循环冗余校验错误指示服务：通知站管理实体循环冗余校验错误发生。

当前协调节点指示服务：通知站管理实体当前哪个节点是协调节点。

上电服务：让数据链路层开始工作。

使能协调节点服务：使节点开始充当协调节点。

使能只听服务：使节点只接收数据而不发送数据。ControlNet数据链路层提供的服务2023/7/30407.4ContolNet应用层ControlNet应用层用的是CIP协议。为了设备开发的方便，ControlNet规范也用对象模型来描述CIP协议。为了保证设备之间的互操作性和同类设备之间的互换性，ControlNet规范也提供设备描述。2023/7/30417.5ControlNet设备开发7.5.1需求分析7.5.2硬件和软件开发7.5.3EDS文件编写2023/7/30421、ControlNet设备开发定义ControlNET设备开发是指为设备开发ControlNet接口，使之具备ControlNet通信能力。7.5.1需求分析2023/7/3043获得ControlNet规范

CI(ControlNetInternational)负责出版和推广ControlNet规范，规范包括了ControlNet网络协议和ControlNet产品的硬件、软件及通信要求。开发商可以从CI获得ControlNet规范(同时获得一个设备供货商ID），根据ControlNet规范进行ControlNet产品开发。2、设备开发规范7.5.1需求分析2023/7/30443、设备开发方式ControlNet设备开发有两种方式：一种是基于单板机一种是开发嵌入式系统通过在单板机上安装ControlNet网卡、网卡驱动、ControlNet配置软件等，可以免掉几乎全部的硬件工作并且充分利用单板机上强大的操作系统设备更紧凑，成本更低7.5.1需求分析2023/7/30454、需求分析的方面7.5.1需求分析确定设备所要具有的网络通信功能列表‘确定设备所需要具备的特色，比如支持介质冗余、支持本质安全等；根据需求确定所要开发的设备的类型；每个设备所具有的网络通信功能应该仅仅是ControlNet所提供的全部功能的子集；ControlNet设备分成三类：扫描器、适配器、信息器。2023/7/3046

1、按网络通信功能分根据设备所具有的网络通信功能的不同，可把ControlNet设备分成以下三类：扫描器类适配器类信息器类ControlNet设备分类2023/7/3047信息器适配器扫描器ControlNet设备功能示意图设备复杂度设备功能显式通信的客户机或服务器；隐式通信的客户机或服务器；显式通信的客户机或服务器；隐式通信的服务器;显式通信的客户机或服务器；ControlNet设备分类2023/7/3048

2、按设备具体功能分ControlNet通信接口卡网桥/网关及设备接口模块显示/操作员接口电动机控制设备网络组态工具软件连通其他网络设备或计算机到ControlNet实现不同协议网络之间的通信和提供设备上网的接口提供实时、快速的人机交互接口连接和控制ControlNet网络上的电动机用于组建网络、配置网络参数和设备参数ControlNet设备分类2023/7/30497.5.2硬件和软件的开发1、ControlNet产品开发硬件开发：把ASIC芯片、收发器、隔离变压器、时钟收发器等组合在一起软件开发：软件开发就是实现CIP（ControlandInformationProtocol）2023/7/3050图1、ControlNet产品组成图ControlNet设备ControlNet样本软件专用软件ControlNetASICs网络访问端口接口组件同轴电缆接口组件ASIC固化程序ControlNet媒体产品ControlNet使能软件ControlNet使能硬件2、ControlNet产品组成提供使能硬件访问功能，并定义产品的行为集成底层的ControlNet协议并提供到网络的物理连接是开发商设计的用于实现产品功能或应用的软件实现ControlNet产品所需的基本网络功能,包括开放/关闭连接，保持连接，接收和传输数据，支持规范和产品的基本要求并支持其他各类ControlNet产品的接口包括一个RJ45连接器和收发器，提供一个全速的网络连接为ControlNet网络开发的专用集成电路提供ControlNet节点的基本类，处理大部分ControlNet协议以减轻CPU负担允许ASIC访问网络上的物理信号ControlNetASIC芯片主要有CNA10和SMAC。CNA10由CI提供，实现了ControlNet数据链路层协议，带有双口RAM接口，最多可支持15个连接。适用于开发适配器类型或者简单的扫描器类型的ControlNet设备。SMAC由罗克韦尔公司提供，它最多可支持127个连接，适用于开发扫描器类型设备。7.5.2硬件和软件的开发2023/7/30513、ControlNet产品认证ControlNet产品的一致性测试由CI负责。ControlNet测试软件具有远程测试功能，开发商可通过网络进行远程产品测试7.5.2硬件和软件的开发2023/7/30527.5.3EDS文件编写为了方便用户配置设备，设备开发者需要编写EDS文件。所谓EDS文件，是提供配置设备所需信息的文件，所提供的信息有设备的一般信息、设备的参数列表、每个参数可能的取值等。EDS文件由ASCII码组成的，可以用文本编辑器进行编辑。ControlNet的EDS文件分成几个区，依次是文件、设备、参数类、参数、参数组、汇编、ControlNet物理层、设备类型、端口、看守、预定、连接管理器、能力、模块。其中，除了文件区、设备区、设备类型区以外，其它区都是可选的。为了保证EDS文件能够被ControlNet设备配置软件使用，ControlNet协议对EDS的数据编码、命令语言、语法进行了严格的规定。对于同一设备，为其ControlNet接口编写的EDS文件和为其DeviceNet或EtherNet/IP接口编写的EDS文件差别不大，只是若干可选区不一样。2023/7/30537.6ControlNet组网1网络规划和网络安装。2设备配置和网络配置。

2023/7/3054网络规划步骤：需求分析网络选择部件选择制定网络方案7.6ControlNet组网2023/7/3055网络规划首先是需求分析，要获取的需

求有关信息包括以下几个方面：1需要上网的设备清单。(以及每台设备对通信功能的需求，即传输对时间有无苛刻的数据)2需要进行通信的清单。（即那些设备之间要进行通信，通信性质是怎样的）3每项通信指标的要求。（实时性，确定性，可重复性，通信数据量的大小）4网络工作环境的情况。（湿度，温度，振动，电磁干扰等）

2023/7/3056根据需求选择网络,本讲选择只选用ControlNet.然后选择网络部件,包括网络设备,网线,连接器等根据应用需求,制定网络方案,此时需注意的问题有:1各台设备的摆放位置.2连接距离.3注意网络安全2023/7/3057网络安装网络安装要按有关设备的说明书来操作,妥善处理隔离、接地、屏蔽等问题.检查网络,解决存在的问题.2023/7/3058设备配置和网络配置

设备配置的两种基本方法:1利用设备提供的跳线,拨码开关直接在设备上进行配置.2在ControlNet连接的计算机上远程配置.2023/7/3059实现远程设备配置的条件:

计算机上要装有ControlNet网卡以及网卡驱动,并且连在ControlNet上.

计算机上装有ControlNet设备配置软件.

操作员拥有进行设备配置所必需的一些信息.2023/7/3060ControlNet设备配置软件的基本功能

1把设备的EDS文件读入配置软件的数据库中.2对EDS文件的内容进行解释，将每个参