工业网络技术第8课

2011年06月7日现场总线技术与应用东北大学秦皇岛分校ControlNet控制网络2011年06月7日现场总线技术与应用工业网络配置信息层离散设备层自动化和控制层24vdc509-BOD过程设备层FTPPLCPLC2011年06月7日现场总线技术与应用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2011年06月7日现场总线技术与应用ControlNet网络概述•1995年10月，由罗克韦尔自动化开发；•1996年10月，罗克韦尔自动化发布ControlNet规范；•1997年7月，RA将ControlNet所有权转交给ControlNet国际（CI），成为开放型网络；•2000年1月，成为IEC61158现场总线国际标准。2011年06月7日现场总线技术与应用ControlNet网络概述ext•高速(5Mbps)确定性实时控制I/O网络•单一网络实现实时控制、报文传送、设备组态•灵活的安装方式•先进的网络能力–确定性–确切的知道数据何时会发送–可重复–传输时间间隔恒定，不受网络上节点的增/删的影响–生产者/消费者网络模式（Producer/consumerModel）：支持多主（Multi-master），多点传送（Multicast）输入以及点到点（Peer-to-peer）通讯2011年06月7日现场总线技术与应用ControlNet网络特点•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。2011年06月7日现场总线技术与应用ControlNet网络•ControlNet网络概述•ControlNet网络模型•ControlNet网络物理层2011年06月7日现场总线技术与应用ControlNet网络模型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CIP2011年06月7日现场总线技术与应用ControlNet网络•ControlNet网络概述•ControlNet网络模型•ControlNet网络物理层2011年06月7日现场总线技术与应用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）2011年06月7日现场总线技术与应用ControlNet物理层ext•数据链路层的MAC子层与PLS子层接口•PLS子层与PMA子层的接口•PMA子层与传输介质子层的接口2011年06月7日现场总线技术与应用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ControlNetALLEN-BRADLEY789456123.0------------------'--F1F6F2F7F3F8F4F9F5F10PanelView550^v2011年06月7日现场总线技术与应用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）2011年06月7日现场总线技术与应用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）2011年06月7日现场总线技术与应用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2011年06月7日现场总线技术与应用同轴电缆ext－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2011年06月7日现场总线技术与应用同轴电缆规范•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)2011年06月7日现场总线技术与应用同轴电缆拓扑结构•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）2011年06月7日现场总线技术与应用同轴电缆－冗余•ControlNet网络支持传输介质冗余。•启动每个设备的两个通道，并防止反接。2011年06月7日现场总线技术与应用ControlNet传输介质•同轴电缆•光纤•屏蔽双绞线（仅用于临时连接）2011年06月7日现场总线技术与应用光纤•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。2011年06月7日现场总线技术与应用光纤中继器类型2011年06月7日现场总线技术与应用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。2011年06月7日现场总线技术与应用光纤网的连接2011年06月7日现场总线技术与应用ControlNet传输介质•同轴电缆•光纤•屏蔽双绞线（仅用于临时连接）2011年06月7日现场总线技术与应用网络访问端口（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)2011年06月7日现场总线技术与应用屏蔽双绞线•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。•长度不能超过10m。2011年06月7日现场总线技术与应用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）2011年06月7日现场总线技术与应用物理层信号－曼彻斯特编码2011年06月7日现场总线技术与应用曼彻斯特编码•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。2011年06月7日现场总线技术与应用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2011年06月7日现场总线技术与应用ControlNet数据链路层•介质访问控制原理•MAC帧格式2011年06月7日现场总线技术与应用介质访问控制原理•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。2011年06月7日现场总线技术与应用令牌总线协议•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。2011年06月7日现场总线技术与应用令牌总线协议ext2011年06月7日现场总线技术与应用隐性令牌传递机制•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2011年06月7日现场总线技术与应用周期性I/O连接SCANNER1Drive1TemperatureSensorDrive3Drive2CyclicRate100msCyclicRate200msCyclicRate50msCyclicRate25ms2011年06月7日现场总线技术与应用隐性令牌传递依据extNetworkUpdateInterval(NUI)ScheduledServiceConcurrentTimeDomainMultipleAccessUnscheduledServiceNetworkMaintenanceServicethe“Guardband”TimeNetworkUpdateTime(NUT)2011年06月7日现场总线技术与应用隐性令牌传递依据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2011年06月7日现场总线技术与应用预定时段•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。2011年06月7日现场总线技术与应用预定时段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）。2011年06月7日现场总线技术与应用预定时段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Time2011年06月7日现场总线技术与应用I/O数据发送实例2011年06月7日现场总线技术与应用隐性令牌传递依据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2011年06月7日现场总线技术与应用隐性令牌传递依据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2011年06月7日现场总线技术与应用非预定时段•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。2011年06月7日现场总线技术与应用非预定时段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Time1291011122011年06月7日现场总线技术与应用CTDMA技术实例NetworkUpdateTimeNetworkInterval#1TimeNetworkInterval#2NetworkInterval#3NetworkInterval#4NetworkInterval#51234345121234511234451ScheduledUnscheduledNetworkInterval1ScheduledUnscheduled