ControlNet协议结构组成_工作原理_应用特点

ControlNet技术由Rockwell Automation于1995年首次开发，因为它力求领先于最新的技术趋势。此后，这一开放式工业网络协议完全由ControlNet International负责处理。不过，后来ControlNet的管理和支持已转移给ODVA（开放设备网络供应商协会），以便它处理通用工业协议系列中的所有协议。

ControlNet提供不同的功能，例如实时联锁、I/O带宽、点对点消息传递等。ControlNet网络主要旨在提高制造和过程自动化的时间关键型应用数据传输的生产效率。

基本概念

ControlNet是一种开放式工业网络协议，它对OSI模型七层中的较高层使用CIP（通用工业协议）。ControlNet设计人员对传输层、网络层、数据链路和物理层的CIP层进行了调整，以适应ControlNet网络要求。

该协议的主要目的是通过编程将逻辑设置为网络上的特定时间，从而提供一致、高速的控制和I/O数据传输。与该网络通信的不同设备包括PLC（可编程逻辑控制器）、HMI、I/O机箱、驱动器、机器人和个人计算机。它通常用于与预定通信完美配合的应用程序。

该网络的数据传输速度为5Mbps，处于EtherNet/IP的三个著名网络的中间范围，范围为10Mbps – 1Gbps，DeviceNet范围为125 – 500Kbps。

架构组成

ControlNet协议用于工业自动化应用，它使用CIP（通用工业协议）来促进不同OSI层之间的互连。该协议旨在通过编程提供一致的数据传输和高速控制。因此它将逻辑设置为网络上方的特定时序并有助于快速数据传输。该网络包括不同的设备，例如PLC、I/O机箱、个人计算机和驱动程序。

连接器和电缆

值得注意的是，ControlNet使用通过BNC连接器的RG-6同轴电缆。ControlNet中使用的连接器为BNC连接器。BNC连接器是一种小型、易于连接或断开的射频连接器，用于同轴电缆。该连接器主要设计用于保持电缆相似的特性阻抗，包括正在制造的50欧姆和75欧姆类型。

通常情况下，它用于高达约2GHz和高达500伏的射频和视频连接。这些连接器可简单地与电视、收音机和其它射频电子设备中的小型至极小型同轴电缆一起使用。因此它们通常用于早期的计算机网络，如IBM PC网络、ARCnet和10BASE2变体。

ControlNet允许用户选择电缆类型，其中这些电缆具有柔性或直埋性质。此外，这些电缆还可用于任何环境。对于ControlNet，还有一些不同的应用需要更长的距离，并且还在布线中使用光纤（OFC）。这里需要注意的是，它最多支持网络上99个节点。

ControlNet中的节点只是通过MAC ID地址进行分配。此外，每个节点还标识后继和前驱地址。ControlNet接口中可用的每个节点主要包括一个预定时间（令牌）。因此，在这个网络中，一次只有一个节点被传输，这最终将避免因采取不安全的命题而导致的数据冲突。如果ControlNet布置得当，它会非常可靠和稳定。此外，与其它基于工业自动化的网络相比，它在较长时间内需要更少的维护。

控制网络拓扑

在设计网络时，ControlNet拓扑可以是干线、树型或星形。

• 干线-支线拓扑；干线-支线拓扑仅使用一根细电缆或粗电缆，网络限制之间的主要距离因电缆长度和数据速度而异。在这种拓扑结构中，节点可以通过短分支直接连接到主线。这种拓扑结构分别为信号和功率分配提供双绞线总线。
• 树形拓扑；树形拓扑是一种看起来像树的网络拓扑，该拓扑包括一个中心节点，每个节点都通过单个通道简单地连接到该节点。这种拓扑的主要优点是星形和总线拓扑的组合、错误检测、耐用性、设备支持、网络增长等。这种拓扑经常用于连接办公室或家庭中的多个设备，例如计算机、打印机等。这种拓扑有助于创建总线网络，其中每个设备都简单地连接到中间服务器。
• 星型拓扑；星形拓扑是一种网络拓扑，其中每个设备单独连接到一个中央节点（称为集线器/交换机），这个拓扑看起来像一个星形。此拓扑通过将每个主机独立连接到集线器来帮助减少传输线路故障的影响。因此，每个主机都可以通过从集线器发送和接收来与所有其他主机进行通信。

物理介质

ControlNet协议物理介质主要包括Taps、片段、终端电阻、网桥和中继器，下面将分别介绍下。

• Taps是物理介质类型之一，允许用户借助分接电缆将节点固定到主干上。它们有不同的类型，如T型或Y型和直角，在配置ControlNet网络时具有灵活性。
• 在每个干线电缆末端，使用一个75Ω终端电阻，称为段和分接头的干线电缆组在每一端都有终端电阻。每个网段的长度主要取决于与主干相连的设备。
• 中继器可用于通过简单地连接各网段来扩展ControlNet网络。网桥是在网络之间用作通信连接的设备，这些设备转发网络数据包信息。

令牌环

ControlNet中的节点被分配一个MAC ID地址，其中每个节点也识别其后继和前驱地址。在这里每个节点都包含通过令牌决定的预定时间。当节点控制了令牌时，它会发送数据帧，直到令牌达到其时间限制。之后可以形成一个新的令牌，并将其传递给下一个逻辑后继者。

定时

ControlNet计时是通过NUT或网络更新时间完成的，该时间取决于永久和重复的时间周期。网络更新时间设置为2到100毫秒持续时间，它包括三个主要部分：计划、非计划和保护带。在ControlNet中，节点包括由NUT同步的定时器，NUT一致地分隔节点之间的进入时间。

消息传递

ControlNet协议主要利用连接和未连接两种类型的消息传递。

• 该协议中的连接消息传递主要使用每个节点中用于特定目的的资源，例如传输或实时I/O数据以及频繁显式消息的事务。使用未连接的消息管理器留出连接的资源并与可用的通信服务一起安排。
• 非连接消息用于连接建立过程，也用于低优先级和稀有消息。这种消息传递始终使用未调度的带宽，设备内的未连接资源称为UCMM（未连接消息管理器）。为了获得一致性声明，ControlNet协议产品需要执行UCMM以接受来自其他类型设备的请求。

工作原理

在 ControlNet中，一次只能发送一个节点，这将防止发生任何数据冲突。一旦节点停止发送并且没有领先于令牌，则ControlNet已将条件写入其中，将再次生成令牌并将其传输到进一步的逻辑后继节点。

ControlNet是一个开放的控制网络，可以满足实时和高吞吐量的应用需求。该协议支持从一个控制器到另一个控制器的互锁以及实时I/O控制、阀门和驱动器。此外，它还在过程和离散应用中提供控制网络。

将微控制器配置/编码为ControlNet节点

将微控制器配置为ControlNet节点涉及设置必要的硬件和软件组件，以实现通过ControlNet网络进行通信。以下是将微控制器配置为ControlNet节点的步骤概要：

• 选择兼容的微控制器：选择支持ControlNet协议或具有CAN（控制器局域网）接口和兼容收发器等必要硬件功能的微控制器。
• 获取ControlNet通信堆栈：获取所选微控制器的ControlNet通信堆栈/库。该协议栈提供了必要的功能和协议来实现ControlNet网络上的通信。
• 硬件设置：
  • 使用CAN接口将微控制器连接到ControlNet网络，这通常涉及将微控制器的CANH和CANL引脚连接到CAN收发器的相应引脚。
  • 根据微控制器的规格提供电源和任何其它所需的连接。
• 固件开发：
  • 使用你获得的ControlNet通信堆栈/库编写微控制器的固件，该固件将处理与ControlNet网络的通信。
  • 实现必要的功能来处理与ControlNet网络上其他设备的数据交换。
• 设备配置：
  • ControlNet网络上的每个节点都分配有一个唯一的节点地址，确保微控制器的节点地址配置正确，该地址用于识别网络上的节点。
• 网络集成：
  • 将微控制器与控制系统的其余部分集成，这可能涉及将传感器、执行器或其他设备连接到微控制器，并定义其与整个系统的交互方式。

有哪些可用的ControlNet通信堆栈/库？

 一些流行的ControlNet通信堆栈/库包括：

• Rockwell Automation/Allen-Bradley ControlNet Stack：罗克韦尔自动化是工业自动化和控制解决方案的著名提供商，他们提供的ControlNet 通信堆栈通常与其ControlLogix可编程逻辑控制器和其他自动化设备一起使用。
• Anybus ControlNet Stack：Anybus是HMS Networks的一个品牌，为各种工业协议（包括ControlNet）提供通信堆栈。他们的堆栈允许将 ControlNet功能轻松集成到工业设备中。
• Softing ControlNet Stack：Softing是另一家提供工业通信解决方案的公司，他们提供了一个ControlNet堆栈，使开发人员能够在其应用程序中实现ControlNet通信。
• CIP （Common Industrial Protocol） Toolkit：CIP工具包是ODVA（开放设备网络供应商协会）提供的工具、示例代码和文档的集合，用于实施基于CIP的协议（例如ControlNet和DeviceNet）。
• ProSoft Technology ControlNet Solutions：ProSoft Technology提供各种工业通信解决方案，包括ControlNet产品和开发服务。

在选择特定的ControlNet通信堆栈/库之前，请考虑以下因素：

• 兼容性：确保堆栈/库与微控制器的硬件和软件平台兼容。
• 供应商支持：检查特定供应商使用的堆栈的可用支持级别。

ControlNet与Profibus

ControlNet和Profibu之间的差异主要表现在以下几个方面：

主要优点

ControlNet的优点包括以下内容。

• 具有高速度。
• 该网络具有确定性的数据传输。
• ControlNet布置得当则极其可靠和稳定。
• 该协议具有灵活的拓扑选择。
• 对于过程和离散应用都具有确定性和可重复的性能；
• 能够在任何网络点更换或移除供电节点
• 需要较少的维护。
• 每个节点最多允许99个设备。
• 非常灵活并使用复杂的数据。

主要缺点

ControlNet的缺点包括以下几点内容。

• 硬件成本较高。
• 与其它协议相比，故障排除非常困难。
• 它不在单根电缆中提供信号和电源。

应用特点

ControlNet的应用包括以下内容。

• ControlNet提供高速控制、可靠的I/O数据传输，并通过编程将逻辑设置为网络之上的特定时间。
• 该网络提供不依赖于执行时间的关键消息传递，且不会干扰控制和I/O数据的传输。
• 它是一种用于工业自动化应用的开放式工业网络协议。
• 这些是开放的控制网络，可以简单地满足实时和高吞吐量需求的应用。
• 提供了离散和过程应用中的控制网络。
• 它是一个主要用于交换循环数据的调度通信网络。
• 允许用户控制大型扩散模型以支持额外的输入条件。

总结

简单来说，ControlNet是工业领域使用的网络协议。由于物联网和自动化解决方案需要更快的速度、更多的数据和一致的数据处理，因此ControlNet的快速速度将使其在焊接控制、视觉系统、机器人、运动控制等不同应用中有所帮助。

与以太网/DeviceNet 相比，ControlNet协议用于时间敏感、冗余和确定性应用。该协议无需中继器即可运行，传输距离可达1000米，可连接多达99个设备，数据传输速率为5Mbps，并提供多种拓扑结构。