【文章內容簡介】 時從同一生產者取用此同一數(shù)據消費。從而可以實現(xiàn)網絡節(jié)點的精確同步，提高帶寬的有效使用率；其他的設備加入網絡后并不增加網絡負載，因為它們同樣可以消費這些相同的信息，并且所有數(shù)據可以同時到達。此時采用該模式既可以支持系統(tǒng)的主從、多主或對等通信結構，也可以支持其任意組合的混合系統(tǒng)結構，還可在同一鏈路上傳送任意信息類型相混合的數(shù)據。顯然，與典型的源/目的地模式相比，生產者/消費者模型是一種更為靈活高效的處理機制?？梢哉f，基于此模式的 ControlNet 是當今世界市場上各種工業(yè)控制底層現(xiàn)場總線網絡中性能較為可靠的網絡。 ControlNet 現(xiàn)場總線的仲裁方式ControlNet 是一種新的面向控制層的實時性現(xiàn)場總線網絡，在同一物理介質鏈路上提供對時間有苛求的控制信息和 I/O 數(shù)據以及無時間苛求的信息發(fā)送，包括程序的上/ 下載，組態(tài)數(shù)據和點對點的報文傳送等通訊支持，是具有高度確定性、可重復的高速控制和數(shù)據采集網絡，I/O 性能和端到端通訊性能都較傳統(tǒng)網絡有較大提高。表 21 給出了ControlNet 現(xiàn)場總線技術和其他總線技術的主要性能比較。北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文7表 21 幾種現(xiàn)場總線技術的性能比較性能指標 ControlNet DeviceNet Profibus ASI FF級別 現(xiàn)場級、設 備級 傳感器級、 設備級 現(xiàn)場級、設備級 傳感器級 現(xiàn)場級發(fā)起組織羅克韋爾－AB 羅克韋爾－AB 西門子 ASi 國際 FF 基金會投入日期 1997 年 1994 年DP:1994,PA:1995 1993 年 1995 年拓撲結構星形、樹形、總線形線形、總線供電總線、環(huán)形、星形總線、環(huán)形星形、樹形多降、總線供電通信速率 5Mb/s125kb/s,300 kb/s,500kb/s－12Mb/s, kb/s,1 Mb/s, Mb/s最多節(jié)點 99 64 127 31 個從站 每段 240 個最多 65000 個最大無中繼距離同軸：5km光纖：30km 500m電纜：光纖： 100m ::500m總線冗余 可 不能 可 不能 可有關標準IEC61158 子集 歐洲標準EN50254歐洲標準EN50252IEC61158 子集 歐洲標準 EN50170歐洲標準EN50295IEC61158基本子集最大幀長 510 字節(jié) 8 字節(jié) 244 字節(jié)31 從站：4 入/4 出 信息對象/設備仲裁 時間片多路 音頻載波多路 令牌傳送 主/從，周 調度/周期，非調度/非周北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文8方法 存取CTDMA，生產者/消費者存取，生產者/消費者期查詢 期，生產者/消費者通信方法主/從，多主，對等主/從，多主 主/從，對等 主/從，周 期查詢 服務器/客戶機網絡效率 高 高 不高 不高 高相比可知，ControlNet 網絡具有吞吐量高、體系結構靈活、組態(tài)和編程簡單、信息交換可靠等特點，是一種適合工業(yè)控制信息傳輸與控制的實時控制系統(tǒng)。眾所周知，以太網采用“沖突檢測載波偵聽多路訪問” （CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）仲裁機制，這一般不具有工業(yè)控制所要求的可靠性、確定性。因此，為適應工業(yè)控制需求，ControlNet 采用了一個特殊的令牌傳遞機制，叫做隱性令牌傳遞（Implicit Token Passing） 。網絡上每個節(jié)點分配一個唯一的 MAC地址（從 1 到 99） ，像普通令牌傳遞總線一樣，持有令牌的節(jié)點可以發(fā)送數(shù)據。但是，網絡上并沒有真正的令牌在傳輸。相反，每個節(jié)點監(jiān)視收到的每個數(shù)據幀的源節(jié)點地址，在該數(shù)據幀結束之后，每個節(jié)點設置一個隱性令牌寄存器（Implicit Token Register） ，其值為收到的源 MAC 地址加 1。如果隱性令牌寄存器的值等于某個節(jié)點自己的 MAC 地址，然后該節(jié)點就可以立刻發(fā)送數(shù)據。因為所有節(jié)點的隱性令牌寄存器在任意時刻的值相同，這就避免了沖突的發(fā)生。如果某個節(jié)點沒有要發(fā)的數(shù)據，則只須發(fā)一個空的數(shù)據幀（Null Frame） 。ControlNet 中傳遞隱性令牌的邏輯是通過特別設計的時間分片存取算法――并存時間域多路存?。–oncurrent Time Domain Multiple Access CTDMA）來控制的。根據實時數(shù)據的特性，一些帶寬預先保留和預定用來支持實時數(shù)據的傳送，余下的帶寬則用于非實時和未預定數(shù)據的傳送。因此，它在保證對時間有苛求的控制信息傳輸?shù)耐瑫r，也能在同一物理介質鏈路上傳送其它無時間苛求的信息。在每一個網絡刷新時間（Network Update Time NUT）內自動調節(jié)網絡上各節(jié)點拿到隱性令牌傳送信息的機會。ControlNet的技術規(guī)范規(guī)定可組態(tài)的 NUT 時間為 ～100ms （目前市場上可提供的有關產品的最小可組態(tài)的 NUT 為 2ms） 。網絡刷新時間（NUT）分為三個部分：預定信息傳送時間、非預定信息傳送時間和維護時間，詳細內容如表 22 所示。表 22 網絡刷新時間網絡刷新時間（NUT） 功能預定信息傳送時間 傳送預定節(jié)點（在一個循環(huán)的左右順序次序的基礎上）的有時間苛求的信息。北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文9非預定信息傳送時間傳送非預定節(jié)點（按順序進行循環(huán)傳送，一直到分配給非預定傳送的時間用完為止）沒有時間苛求的信息?？刂凭W保證至少有一個非預定節(jié)點有機會傳送數(shù)據，提供給非預定節(jié)點的時間取決于預定節(jié)點的通信量。維護時間 能夠自動調整，以使 NUT 大小不變，并保證其他節(jié)點同步。NUT（網絡刷新時間）是由用戶自己選擇的，它將不停地掃描網絡上的設備節(jié)點，并根據節(jié)點上設備類型的不同，按照 ControlNet 的時間片算法在 NUT 內為它們分配時間段。由此可知，ControlNet 網絡具有預見數(shù)據何時能夠可靠傳輸?shù)侥繕说哪芰?，并且?shù)據的傳輸時間不受網絡節(jié)點添加/刪除或網絡繁忙等狀況的影響而保持恒定 [3]。 ControlNet 現(xiàn)場總線的網絡體系結構現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，不僅要求現(xiàn)場設備完成本地的控制、監(jiān)視、診斷等任務，還要能通過網絡與其他控制設備及 PLC 進行對等通信。工業(yè)現(xiàn)場控制網絡的許多應用也不只要求在控制器和工業(yè)器件之間的緊耦合，還應有確定性和可重復性。ControlNet 是高度確定性、可重復的網絡。在實際應用中，通過網絡組態(tài)時選擇性設定有計劃的 I/O 分組或互鎖時間，這些要求能得到更進一步的保證。因此，ControlNet非常適用于一些控制關系關聯(lián)復雜，要求控制信息同步、協(xié)調實時控制、數(shù)據傳輸速度較高的應用場合。如協(xié)同工作的驅動系統(tǒng)，焊接控制，運動控制，視覺系統(tǒng)，復雜的批次控制， 有大量數(shù)據傳送要求的過程控制系統(tǒng)，有多個控制器和人機界面共存的系統(tǒng)等。對于有多個基于 PC 的控制器之間不同 PLC 之間 PLC 與 DCS 之間存在通訊要求的場合，ControlNet 也非常適用。ControlNet 允許多個各自擁有獨立或共享 I/O 的控制器之間相互通訊或以靈活的方式組織互鎖。在羅克韋爾推出的工業(yè)網絡平臺方案——“NetLinx”體系中，ControlNet 處于核心地位，網絡結構如圖 21 所示。北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文10圖 21 ControlNet 邏輯網絡體系ControlNet 總線不僅可以與多種設備或子網直接相連，還能夠通過掃描器連接下層的 DeviceNet 設備網和 FF 現(xiàn)場總線等產品；同時，通過通信接口模塊連通上層的信息以太網，實現(xiàn)控制網絡與信息網絡的集成，共享信息資源。組態(tài)軟件是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)普遍應用的人機接口（HMI）監(jiān)控軟件，是控制網絡底層總線與現(xiàn)場設備直接進行數(shù)據交換的軟件接口和控制網絡與信息網絡集成的橋梁。RSView3RSView SE 是基于 Windows 環(huán)境（Windows 98，Windows NT）的工業(yè)監(jiān)控軟件，使用方便、直觀、可靠，同時允許用戶進行圖形觀察和組態(tài)整個網絡。它全面支持 ActiveX 技術，同時支持 OPC 的服務器和客戶端模式，既可以通過 OPC 和硬件通訊，又可以向其它軟件提供 OPC 的服務。同時 Windows 為 RSView 和基于 Windows 的應用軟件提供接口，利用 DDE（dynamic data exchange）技術，與 Windows 的應用程序間進行數(shù)據交換，實現(xiàn)本地控制網絡與上層信息網絡之間的信息共享，從而為用戶提供更為集中的數(shù)據操作環(huán)境，實現(xiàn)系統(tǒng)集成。綜上所述，ControlNet 控制網是一種高速確定性網絡，用于對時間有較高要求的應用場合的信息傳輸，它為對等通信提供實時控制和報文傳送服務。它作為控制器和 I/O設備之間的一條高速通信鏈路，綜合了現(xiàn)有的 RI/O 和 DH 鏈路的能力。因為它的高速率，使其可以支持高度分布式的自動化系統(tǒng)，特別是那些具有高速數(shù)字量 I/O 和大量模擬量I/O 的系統(tǒng)?？刂凭W結合了輸入/輸出網絡和點對點信息網絡的功能，既可以滿足對時間苛求的控制數(shù)據傳輸（如 I/O 刷新、控制器到控制器的互鎖）的需要，又可以滿足對時間非苛求的數(shù)據傳輸（如程序上傳、下載、信息傳送）的需要 [4]。 小結本章對現(xiàn)場總線控制技術，尤其是 ControlNet 總線技術的技術特點和應用范圍進行了深入分析，著重闡述了它的通訊模式、仲裁方式以及其網絡體系結構，并與其它常見北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文11總線技術進行了對比。北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文12第 3 章 系統(tǒng)硬件概況 系統(tǒng)概況為了保證數(shù)據采集的準備性和安全性，系統(tǒng)采用雙機熱備，以避免由于特殊原因使數(shù)據丟失。系統(tǒng)中所要控制的執(zhí)行機構包含：電動球閥 16 個、電動閘閥 7 個、變頻器 1臺、攪拌器 1 臺。所需要采集的數(shù)據量為：壓力 10 點、差壓 2 點、溫度 26 點、地溫 30點、液位 1 點、流量 2 點。總體設計方案見如圖 31 所示。圖 31 系統(tǒng)設計方案圖其中：1．PLC 采用美國 ROCKWELL 公司先進的 ControlLogix 系列產品，可靠性高，具有雙機熱備功能，性能穩(wěn)定；同時采用了高速傳送、實時 I/O 的控制網絡（ControlNet）通信技術，實現(xiàn)了過程數(shù)據采集、實時傳輸和過程控制，增強下位機的擴展性和數(shù)據采集的實時性。通過軟件編程實現(xiàn)對遠程儀表（設備） 、傳感器及執(zhí)行機構的數(shù)據采集、處理與控制，實現(xiàn)總體設計功能和系統(tǒng)熱備功能。2．下位機擴展采用采用美國 ROCKWELL 公司的模擬輸入、輸出模塊、數(shù)字輸入、北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文13輸出模塊以及專用的 Pt 電阻（測溫 RTD）輸入模塊，對現(xiàn)場儀表、傳感器、Pt 電阻（測溫）及執(zhí)行機構的數(shù)據進行采集與控制。 功能模塊程序選擇的模塊如表 31 所示。表 31 PLC 配置清單表序號 部件名稱 型號 數(shù)量（套）1 CPU 處理器 1756L55M24 22 熱備通訊模塊 1757SRM 23 電源 1756PA75 44 4 槽熱備框架 1756A4 25 CNET 通訊模塊 1756CNBR 46 17 槽框架 1756A17 27 空槽蓋板 1756N2 98 16 路模擬量輸入模塊,36 針 1756IF16 49 16 路開關量輸入模塊,20 針 1756IB16 910 16 路繼電器輸出模塊,36 針 1756OW16I 511 6 路熱電阻輸入模塊,20 針 1756IR6I 612 8 路模擬量輸出模塊,20 針 1756OF8 1 CPU 模塊ControlLogix 控制器可提供系統(tǒng)規(guī)?？勺兓目刂破鹘鉀Q方案，可以訪問大量的 I/O點（數(shù)字量 I/O 最多為 128，000 個，模擬量 I/O 最多為 4000 個） 。ControlLogix 控制器能夠通過 ControlLogix I/O 框架的任一槽內，而且多個控制器可安裝在同一框架內，它們之間通過背板進行通訊，而運行是相互獨立的。本方案中的 CPU 模塊采用 ROCKWELL 的 1756L55M24（內存數(shù)據和邏輯， I/O 為 208K 字節(jié)，有非易失內存；最大功率損耗 ，最大熱耗散，5V 時的背板電流 ） ，共兩塊，分別插入兩個 A4 框架的第 0 槽，不需接線。為實現(xiàn)控制器冗余，要滿足到如下要求：1．冗余控制器系統(tǒng)需要一個 Logix5555 控制器；2．由于在副控制器內數(shù)據需要緩存，所以控制器內需要兩倍的數(shù)據存儲空間；3．冗余控制器必須在 ControlNet 網絡上。北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文14 SRM 熱備模塊SRM 熱備模塊采用 ROCKWELL 的 1757SRM/B（最大電壓 30V，最大電流100mA） ，共兩塊，分別插入兩個 A4 框架的第 3 槽，SRM 熱備模塊間采用專用光纖相互連接。1757SRM 冗余模塊是提供主框架和副框架之間的高速數(shù)據傳輸。每個框架需要一個 1757SRM 模塊。該模塊支持最多每個框架內有五個 1756CNB 模塊。 電源模塊1756 機架上的 ControlLogix 電源模塊直接給機架背板提供 ，5V 和 24V直流電源。可使用非冗余（1756PA72，PB72，PA75，PB75 ）和冗余（1756