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1、自动控制系统课程设计报告 ControlNet技术简介及控制网组态软件RSnetworx for ControlNet 课程设计时间：2010年9月13日-26日 设计地点：东北大学罗克韦尔自动化实验室 指导教师：设计学生： 第一部分：控制网技术简介一 ControlNet的历史及发展状况工业现场控制网络的许多应用不仅要求在控制器和工业器件之间的紧耦合，还应有确定性和可重复性。在ControlNet出现以前，没有一个网络在设备或信息层能有效的实现这样的功能要求。 ControlNet是由在北美工业自动化领域中在技术和市场占有率稳居第一位的美国罗克韦尔自动化公司（Rockwell Automat
2、ion）于1997年推出的一种新的面向控制层的实时性现场总线网络。 ControlNet是一种最现代化的开放网络，它提供如下功能：l 在同一链路上支持I/O信息，控制器实时互锁，以及对等通信报文传送和编程操作。l 对于离散和连续过程控制和应用场合，均具有确定性和可重复性功能。ControlNet采用了开放网络技术一种新发明的解决方案生产者/客户（Producer/Cousturmer）模型，它具有精确同步化的功能。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推广不到一年，制造商已安装了20000个以上的节点，应用到几百个工
3、程项目。近年来，ControlNet广泛应用于交通运输、汽车制造、冶金、矿山、石油化工、娱乐及很多其他领域的工厂自动化和过程自动化。世界上许多大公司都是ControlNet的用户。二 ControlNet的技术规范：1 Control Net简介简单的说：ControlNet是一个高速的工业控制网络，在同一电缆上同时支持I/O信息和报文信息，包括程序、组态、报文、诊断等信息，集中体现了控制网网络对控制、组态、采集等信息的完全支持，ControlNet是基于生产者/客户这一网络模型，该模型为网络提供更高有效性、一致性和柔韧性。从专用网络到公用标准网络，工业网络开发商给用户带来了很多好处，但不幸的
4、是，带来了许多互不相容的网络，如果将网络的扁平体系和高性能的需要加以考虑的话，我们就会发现，为了增强网络的性能，我们有必要在自动化和控制网络之一层引进一种包含市场上所有网络优良性能的一种全新的网络，另外还应考虑到的是数据的传输时间是不可预测的，以及保证传输时间不受设备加入或离开网络的影响。所有的这些实际问题推动了ControlNet的开发和发展，他正是满足不同需要的一种实时的控制层的网络。ControlNet可连接以下典型的设备：l 逻辑控制器l I/O机架及其他I/O设备l 人机界面设备l 造作员界面设备l 马达控制设备l 变频器l 机器人l 软件l 气动阀门l 过程控制设备l 网桥/网关等
5、 ControlNet提供了市场上任何单一网络不能提供的性能：l 高速（5Mbits/s）的控制和I/O网络，增强的I/O性能和点对点通信能力，多主机支持，同时支持编程和I/O通讯的网络，可以从任何一个节点，甚至是适配器访问整个网络。l 柔性的安装选择。使用可用的多种标准的低价的电缆，可选的媒体冗余，每个子网可支持最多99个节点，并且可放在主干网的任何地方。l 先进的网络类型，对I/O信息实现确定和可重复的传送，媒介访问算法确保传送时间的准确性，生产者/客户模型最大限度优化了带宽的利用率，支持多主机、多点传送和点对点的应用关系。l 使用软件进行设备组态和编程，并且使用同一网络。ControlN
6、et物理媒介可以使用电缆和光缆，电缆使用RG-6/U同轴电缆，其特点是廉价，抗干扰强，安装简单，使用标准BNC连接器和无缘分接器(Tap),分接器允许节点放置在网络的任何地方，每个网段可延伸1000米，并且可用中继器（Repeater）进行扩展。在户外、危险极高电磁干扰环境下可使用光纤，当与同轴电缆混接时可延伸到25K米，其距离仅受光纤的质量限制。媒质访问控制使用时间片算法（Time Slice）保证每个节点之间的同步带宽的分配。保证实时数据的特性，带宽预先保留或预定（Scheduled）用来支持实时数据的传送，余下的带宽用于非实时或未预定数据的传送，实时数据包括I/O信息和控制器之间对等信息
7、的互锁，而非实时数据包括显性报文和连接的建立。2 Controlnet的主要技术特点：l 网络功能：统一链路支持控制信息、I/O数据、编程数据l 网络拓补：线形、星形、树形、以及以上的任何拓补的混合l 网络速度：5Mbits/s(最大)l 单段网长度：（同轴电缆）1000m带个2节点，250m带48各界点。（光纤）3000ml 中继器数目：（串行）最大支持5个中继器，连接6个网段。（并行）最大支持48个中继器，连接48个网段。l 中继器类型：ac&dc高压型和dc低压型l 设备供电：设备采用外部供电l 网络模型：生产者/客户l 连接器：标准同轴电缆BNCl 物理层介质：RG6同轴电缆、光纤l
8、网络节点数：99个最大可变址节点，不带中继器的网段最多48个节点l 带中继其最大拓补：（同轴电缆）5000m，（光纤）30+Kml 应用层界面：面向对象层设计，包括设备对象模型，类/实例/属性，设备行规(Profile)l 网络刷新时间：可组态2-100msl 数据分组大小：可变长0-510字节l 网络和系统属性：可带点插拔，确定性和可重复性，可选本征安全，网络重复节点检测，报文分段传送（块传送）3 ControlNet物理层1） 媒体冗余性Control Net支持低价的物体媒介冗余特性，当组建冗余系统时，要求网络上的所有设备以冗余的方式相连接，这样系统将以冗余的方式工作。支持冗余连接的设备
9、可以连接到非冗余的系统，然后组态时设置只是用一个通道即可。2） 分接器组件 分接器通过1m的支线电缆把设备连接到网络上，所需的分接器取决于连接到网络上设备的个数，分解器有4种：直线式T型分接器，直线式Y型分接器,直角式T型分接器和直角式Y型分接器。 一般来说最好不要安装不用的或空闲的分接器，以免带来传输噪声而造成信号反射，为了便于将来的扩展，可以在分接器之间使用一个75欧姆电阻电缆插孔连接器，在干线电缆中保留一个空间，以便将来分接器的安装或与干线电缆的连接。3） 网络访问端口(NAP) 大多数设备提供网络访问接口(Network Access port-NAP),用于系统调整、纠错或控制器编程
10、等临时连接，可直接通过RJ-45接口访问整个控制网络，而非某个产品。连接到临时设备的电缆可达10m长。注意：使用NAP时不能同时将NAP和同轴电缆连接不同的设备，也不能用NAP将网段相连接。 4) Control Net物理层术语： 网络：是相连的所有接点的集合，任何一对连接路径可包括中继器和网关 链路：是专用地址范围为1-99之间所有接点的集合，由一个或多个的段组成 段：通过分接器并接并带有终结器，但不含中继器的干线电缆段。 干线电缆：一个电缆系统的母线或核心部分 干线电缆段：任何两个分接器之间的电缆长度 中继器（R）：一个有两端口的有源物理层部件，它能把在一个段上获得的所有信息传输和在线到
11、另一个段上。 分接器(T)：设备和Control Net之间的连接器，分接器通过一条干线电缆把设备连接到网络上。 网桥：两个链路之间的信息传递装置 节点（N）：任意连接到Control Net网络电缆系统的物理设备，它需要一个网络地址，以便在网络上操作，一个链路最多可包含99个节点。 端接器：一个装有75欧姆电阻器的BNC标准插头。4 Control Net数据链路层的介质存取控制 网络上个节点要通信时，哪个节点有优先权在网上发送数据？几个节点同时在网上发送数据，发生“碰撞”时，谁有权继续发送？各种网络的MAC协议就是负责整个仲裁的。 令牌总线协议（IEEE802.4）是一个线性的、多支路树形
12、或分段的拓补结构，网络上的节点逻辑上组成了一个环。在ControlNet中，每个节点知道它前一个和后一个节点的地址，在网络运行时，持有令牌的节点可以发送数据，知道发完要发送的所有数据或者用完令牌持有时间，然后该节点再重新生成一个新的令牌并传递给网络中下一个逻辑节点。如果某个节点没有要传送的数据，它只需将令牌传递给下一个节点即可，由于令牌传递的对象是逻辑意义上的下一个节点，因而与其物理地址无关。以这种方式，令牌在逻辑上循环传递。每次只有一个节点可以发送数据，因而数据帧不可能发生碰撞。ControlNet对于某个令牌持有者离线和不把令牌传给其下一个逻辑节点，由某种机制重新产生令牌。 Control
13、Net采用了一种特殊的令牌传递机制，叫做隐性令牌传递(implicit token passing)。网络上每个节点分配一个唯一MAC地址（从1到99），像普通令牌传递总线一样，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，在该数据帧结束后，每个节点设置一个隐形令牌寄存器（implicit token register）,其值为收到的源MAC地址加1。如果隐形令牌寄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，这就避免了冲突的发生。如果某个节点没有要发送的数据，则只需发一个空的数据帧（null frame
14、）。 ControlNet传递隐形令牌的逻辑是通过特别设计的时间分片存取算法来控制，即用并行时间域多路存取（Concurrent Time Domain Multiple Access-CTDMA）算法。在每一个网络更新时间NUT内自动调节网络上的每个节点拿到隐形令牌传送信息的机会。ControlNet的技术规范规定可组态的NUT时间为0.5ms100ms。ControlNet的MAC帧 ControlNet的MAC帧格式如图a所示，帧头部附加量是7个字节，包括Preamable、开始分隔位、源MAC地址以及CRC和结束分隔位。数据帧叫链连接帧Lpacket(Link Packet Frame
15、),其格式如图b所示。 每一个节点在每次传送机会到来时只能发送一个并且仅一个MAC帧，每个MAC帧可包括0个或多个Lpacket,如果MAC帧包括0个Lpacket，则被称为NULL帧。每个Lpacket包括一些“应用信息”，并且可发送给网络上的不同节点，由Lpacket组成的帧在每个MAC帧的大小不能超过510个字节。 Lpacket包含许多字段，其中CID是用来标志每个Lpacket本身的特定信息。这些标识符对每个特定的应用数据集合是唯一的。也可以预定义为某种特殊含义，而不管哪个节点要接受它，要连接的数据的内容和大小与标识符（CID）有紧密联系。ControlNet的数据传输是基于生产者/客户模型，生产者是数据的发送者，它将数据Lpacket放到网络上,而消费者时数据的接收者，任何有兴趣的消费者都可以根据标识符进行过滤，把特定的数据(Lpacket)从
