现场总线技术-第七章-ControlNet--现场总线技术及其应用-教学ppt课件.ppt
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1、现场总线技术及其应用现场总线技术及其应用第7讲胡青松2023/1/101第第第第7 7章章章章 ControlNetControlNet 7.1ControlNet概述概述7.2 ControlNet物理层物理层7.3 ControlNet数据链路层数据链路层7.4ControlNet应用层应用层7.5ControlNet设备开发设备开发7.6ControlNet组网组网7.7ControlNet应用实例应用实例2023/1/1027.17.1 ControlNetControlNet概述概述概述概述l控制网网络是一种高速确定性网络,用于对时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
2、的应用场合的信息传输。间有苛刻要求的应用场合的信息传输。l它为对等通信提供实时控制和报文传送服务,它为对等通信提供实时控制和报文传送服务,它作为控制器和它作为控制器和I/O设备之间的一条高速通信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。链路,综合了现有的各种网络的能力。2023/1/1037.17.1 ControlNetControlNet概述概述概述概述lControlNet具有很高的确定性和可重复性,并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响。从而确保了可靠性、同
3、步性以及协调的实时性。时性。2023/1/1047.17.1 ControlNetControlNet概述概述概述概述l1995年年10月,罗克韦尔自动化公司推出月,罗克韦尔自动化公司推出ControlNet。l1997年年7月,成立月,成立ControlNet International(CI)组织,同时罗克韦尔自动组织,同时罗克韦尔自动化公司将化公司将ControlNet的所有权转移给的所有权转移给CI。l2000年年1月,现场级现场总线标准月,现场级现场总线标准IEC61158得得以通过,是以通过,是IEC61158所纳入的八种现场总线之所纳入的八种现场总线之一。一。2023/1/105
4、7.17.1 ControlNetControlNet概述概述概述概述同时间域多路访问2023/1/106ControlNetControlNet应用层特点应用层特点应用层特点应用层特点 l可以传输多种不同类型的数据,包括可以传输多种不同类型的数据,包括I/O数据、配置和故障数据、配置和故障诊断、程序上下载等;诊断、程序上下载等;l面向连接,通讯之前必须建立连接;面向连接,通讯之前必须建立连接;l用不同的方式传输不同类型的报文,具体到用不同的方式传输不同类型的报文,具体到ControlNet,是,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把显式报文放在非预定时段传输,把隐式报文放在预
5、定时段传输;段传输;l基于生产者基于生产者/消费者模型,提供对多播通讯的支持;消费者模型,提供对多播通讯的支持;l支持多种通讯模式:主从、多主、对等,或三者的任意组支持多种通讯模式:主从、多主、对等,或三者的任意组合;合;l支持多种支持多种I/O数据触发方式:轮询、选通、周期或状态改变数据触发方式:轮询、选通、周期或状态改变;l用对象模型来描述应用层协议,方便开发者编程实现;用对象模型来描述应用层协议,方便开发者编程实现;l为各种类型的为各种类型的ControlNet设备提供设备描述,以保证互操作设备提供设备描述,以保证互操作性和互换性。性和互换性。2023/1/107ControlNetCo
6、ntrolNet物理层的主要技术特点物理层的主要技术特点物理层的主要技术特点物理层的主要技术特点 l通讯波特率通讯波特率:ControlNet只支持一种通讯波特率,即只支持一种通讯波特率,即5Mbps。l传输介质传输介质:同轴电缆或光纤,另外在临时连接中使用屏蔽双绞线。:同轴电缆或光纤,另外在临时连接中使用屏蔽双绞线。l拓扑结构拓扑结构:当传输介质为同轴电缆时,拓:当传输介质为同轴电缆时,拓朴朴结构可以为主干分结构可以为主干分支型、星型、树型或支型、星型、树型或3者的任意混合;当传输介质为光纤时,拓者的任意混合;当传输介质为光纤时,拓朴朴结构可以为环网或点对点;当传输介质为屏蔽双绞线时,拓结构
7、可以为环网或点对点;当传输介质为屏蔽双绞线时,拓朴朴结结构只能为点对点。构只能为点对点。l连接器连接器:标准:标准BNC连接器或标准连接器或标准TNC连接器。连接器。l最大长度(带中继器)最大长度(带中继器):30km以上。以上。l网段的容许最大长度网段的容许最大长度:与通信波特率、传输介质、节点数有关。:与通信波特率、传输介质、节点数有关。在使用在使用5Mbps的通信波特率、传输介质为同轴电缆的情况下,节的通信波特率、传输介质为同轴电缆的情况下,节点数为点数为2时的网段最大长度为时的网段最大长度为1000米,节点数为米,节点数为48时的为时的为250米。米。也就是每增加一个节点,所容许的最大
8、长度减少约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最大长度减少约16米。传输介质为光纤时,最大长度为米。传输介质为光纤时,最大长度为3000m。2023/1/108ControlNetControlNet物理层的主要技术特点物理层的主要技术特点物理层的主要技术特点物理层的主要技术特点l节点数节点数:一个:一个ControlNet网络最多可以有网络最多可以有99个节点。单个网段最个节点。单个网段最多可以有多可以有48个节点,如果网络上的节点数超
9、出个节点,如果网络上的节点数超出48个,就需要使用个,就需要使用中继器进行扩展。中继器进行扩展。l中继器数目中继器数目:一个:一个ControlNet网络最多可以串联使用网络最多可以串联使用5个中继器,个中继器,或并联使用或并联使用48个中继器。个中继器。lLED指示灯指示灯:两个,一个指示:两个,一个指示ControlNet网络工作状态,另外一网络工作状态,另外一个指示设备工作状态。个指示设备工作状态。l供电供电:网络不提供电源,即:网络不提供电源,即ControlNet设备是外部供电的。设备是外部供电的。l可选的介质冗余可选的介质冗余,以提高系统可靠性。,以提高系统可靠性。l可选的本质安全
10、可选的本质安全。l可带电插拔设备可带电插拔设备。l提供临时的网络访问接口提供临时的网络访问接口(Network Access Port NAP),方便),方便配置、编程等。配置、编程等。2023/1/109ControlNetControlNet数据链路层有关的主要数据链路层有关的主要数据链路层有关的主要数据链路层有关的主要技术特点技术特点技术特点技术特点 l数据包长度:数据包长度:0-510字节;字节;l网络更新时间:网络更新时间:0-100ms;lCRC校验:使用校验:使用16位多项式的改进位多项式的改进CCITT法;法;l支持节点支持节点ID重复检测;重复检测;l支持报文破分(支持报文破
11、分(Message ragmentation)。)。2023/1/10107.2 ControlNet7.2 ControlNet物理层物理层物理层物理层2023/1/1011ControlNetControlNet的传输介质的传输介质的传输介质的传输介质lControlNet选用了三种传输介质:同轴电缆、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)。光纤、屏蔽双绞线(仅用于临时连接)。l根据传输介质的不同,根据传输介质的不同,ControlNet物理层的物理层的PMA子层的定义、子层的定义、PLS和和PMA子层接口的定义子层接口的定义也不同。也不同。2023/1/1012
12、定义对比定义对比定义对比定义对比传输介质PMAPLS与PMA的接口信号同轴电缆收发器,变压器,连接器RxData RxCarrier TxDataOut TxDataBar NetEnable光纤收发器,连接器RxData RxCarrier TxDataOut NetEnable屏蔽双绞线光隔离(可选),收发器,连接器RxPTCTxPTC2023/1/10137.2.27.2.2基于同轴电缆的基于同轴电缆的基于同轴电缆的基于同轴电缆的ControlNetControlNetl传输介质特点传输介质特点优点:使用灵活,成本低,容易购买。优点:使用灵活,成本低,容易购买。缺点:接线不方便,缺点:接
13、线不方便,BNC接头制作麻烦。接头制作麻烦。l网络拓扑结构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。或它们之间的任意组合。l分接头分接头直线式直线式T型分接头、直线式型分接头、直线式Y型分接头、直角式型分接头、直角式T型分接型分接头、直角式头、直角式Y型分接头。型分接头。2023/1/1014典型的典型的典型的典型的ControlNetControlNet由干线电缆、终端电阻、分接头、支线电缆、由干线电缆、终端电阻、分接头、
14、支线电缆、ControlNet设备等组成。设备等组成。终端电阻的作用是为了防止信号反射,阻值终端电阻的作用是为了防止信号反射,阻值75。干线分接头之间没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75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。头或于干线电缆相连接。2023/1/1015一些注意事项一些注意事项一些注意事项一些注意事项l一般应该避免在网络干线上安装空闲的分接头,如果有空闲的分接一般应该避免在
15、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。头,必须加装虚负载。lControlNet是一个与地隔离的网络,应该保证网络不会意外接地。是一个与地隔离的网络,应该保证网络不会意外接地。l基于同轴电缆的基于同轴电缆的ControlNet设备的设备的PMA包括的部件有收发器、变压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。和传输介质之间的隔离。连接器用于连接设备和传输介质。l基于同轴电缆的基于同轴电缆的ControlNet设备的设备的
16、PMA结构。结构。2023/1/1016PLSPLS与与与与PMAPMA接口定义接口定义接口定义接口定义2023/1/10177.2.37.2.3基于光纤的基于光纤的基于光纤的基于光纤的ControlNetControlNetl传输介质特点传输介质特点优点:抗干扰能力强,传输距离长,具有本质安全。优点:抗干扰能力强,传输距离长,具有本质安全。缺点:成本高。缺点:成本高。l网络拓扑结构网络拓扑结构 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
17、点之间的连接。网用于多个节点之间的连接。l支持的光纤支持的光纤1、用于短距离系统,最大传输距离、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,最大传输距离用于长距离系统,最大传输距离20km。2023/1/1018一些注意事项一些注意事项一些注意事项一些注意事项n组成环网的每个组成环网的每个ControlNet设备必须具有环中继功能,每个设备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,如图有两个接口,接口之间通过光纤首尾连接,如图7.4。n一个光纤连接需要两根光纤,一根用于发送数据,一
18、根用于接收数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。据。n基于光纤的基于光纤的ControlNet设备的设备的PMA包括的部件有收发器和连接器。包括的部件有收发器和连接器。n基于光纤的基于光纤的ControlNet设备的设备的PMA结构,如图结构,如图7.5。2023/1/1019PLSPLS与与与与PMAPMA接口定义接口定义接口定义接口定义2023/1/10207.2.47.2.4基于屏蔽双绞线的基于屏蔽双绞线的基于屏蔽双绞线的基于屏蔽双绞线的ControlNetControlNetlControlNet采用采用8芯屏蔽双绞线,仅用于两个芯屏蔽双绞线,仅用于两个NAP
19、(Network Access Protocol)之间的点对点连接。之间的点对点连接。l大多数大多数ControlNet设备都带有设备都带有NAP,用于建立系统配置、诊用于建立系统配置、诊断或控制器编程断或控制器编程时时所需的临时连接。所需的临时连接。与与ControlNet网络直接连接的节点为永久节点,通过网络直接连接的节点为永久节点,通过NAP与永久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。提供的中继功能与其他永久节点通讯。2023/1/1021一些注意事项一些注意事项一些注意事项一些
20、注意事项n两个NAP之间的连线长度不能超过10m。n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。n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RJ45屏蔽式连接器。其引脚定义为:2023/1/1022一些注意事项一些注意事项一些注意事项一些注意事项l基于屏蔽双绞线的基于屏蔽双绞线的ControlNet设备的设备的PMA结构,如图结构,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:
21、为0,表示PLS 发给PMA的是高电平,为1,则是低电平。2023/1/10237.2.57.2.5中继器中继器中继器中继器l中继器的功能中继器的功能双向接收、处理并重发物理信号双向接收、处理并重发物理信号l中继器的用途中继器的用途1、在节点数或网段长度超出限值时,用于网络扩展;、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。、用于传输介质或者拓扑结构的切换。lControlNet中继器的种类中继器的种类普通中继器普通中继器:有两个网络接口,连接两个网段。:有两个网络接口,连接两个网段。环中继器环中继器:有三个网络接口,一个首要接口,与非冗余:有三个网络接口,
22、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。器的两个次要接口首尾相接,形成环网。2023/1/10247.3 ControlNet7.3 ControlNet数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层7.3.1 MAC 协议原理协议原理qCTDMA协议协议7.3.2 MAC 帧帧q两种帧的帧格式(两种帧的帧格式(MAC&Link Packet)7.3.3 内部结构内部结构7.3.4 外部接口外部接口2023/1/10257.3.1 7.3.1 MAC MAC 协议原理协议原理协议原理协议原理l基
23、本功能:要在不太可靠的物理链路上,通过数据链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。层数据的传输单位。l具体过程:发送方将网络层传下来的分组附上数据链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层交来的数据去除帧的数据链路控制信息后上交网络层。交网络层。2023/1/1026l媒体访问控制子层(媒体访问控制子层(MAC):解决网络上所有: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;
24、的节点共享一个信道所带来的信道争用问题;l逻辑链路控制子层(逻辑链路控制子层(LLC):把要传输的数据: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。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。数据报服务、可靠的面向连接的服务。2023/1/1027CTDMACTDMA协议协议协议协议qCTDMAConcurrent Time Domain Multiple Access(同时间域多路访问)同时间域多路访问)qNUTnetwork update interval CTDMA
25、示意图2023/1/1028CTDMACTDMA协议协议协议协议预定时段预定时段预定时段预定时段q预定时段隐式报文的传输预定时段隐式报文的传输基于生产者基于生产者/消费者模型消费者模型隐式令牌环机制(节点数目隐式令牌环机制(节点数目1SMAX)预定时段长度不固定预定时段长度不固定根据根据I/O对数据刷新率的要求来设置对数据刷新率的要求来设置NUT2023/1/1029隐性令牌传递机制隐性令牌传递机制隐性令牌传递机制隐性令牌传递机制l网络上并没有真正的令牌在传递;网络上并没有真正的令牌在传递;l每个节点都有一个隐性令牌寄存器,每个节点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
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