【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 問(wèn)” （CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）仲裁機(jī)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(yīng)工業(yè)控制需求，ControlNet 采用了一個(gè)特殊的令牌傳遞機(jī)制，叫做隱性令牌傳遞（Implicit Token Passing） 。網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)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(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)。但是，網(wǎng)絡(luò)上并沒有真正的令牌在傳輸。相反，每個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)視收到的每個(gè)數(shù)據(jù)幀的源節(jié)點(diǎn)地址，在該數(shù)據(jù)幀結(jié)束之后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)自己的 MAC 地址，然后該節(jié)點(diǎn)就可以立刻發(fā)送數(shù)據(jù)。因?yàn)樗泄?jié)點(diǎn)的隱性令牌寄存器在任意時(shí)刻的值相同，這就避免了沖突的發(fā)生。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有要發(fā)的數(shù)據(jù)，則只須發(fā)一個(gè)空的數(shù)據(jù)幀（Null Frame） 。ControlNet 中傳遞隱性令牌的邏輯是通過(guò)特別設(shè)計(jì)的時(shí)間分片存取算法――并存時(shí)間域多路存取（Concurrent Time Domain Multiple Access CTDMA）來(lái)控制的。根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的特性，一些帶寬預(yù)先保留和預(yù)定用來(lái)支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送，余下的帶寬則用于非實(shí)時(shí)和未預(yù)定數(shù)據(jù)的傳送。因此，它在保證對(duì)時(shí)間有苛求的控制信息傳輸?shù)耐瑫r(shí)，也能在同一物理介質(zhì)鏈路上傳送其它無(wú)時(shí)間苛求的信息。在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間（Network Update Time NUT）內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)拿到隱性令牌傳送信息的機(jī)會(huì)。ControlNet的技術(shù)規(guī)范規(guī)定可組態(tài)的 NUT 時(shí)間為 ～100ms （目前市場(chǎng)上可提供的有關(guān)產(chǎn)品的最小可組態(tài)的 NUT 為 2ms） 。網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間（NUT）分為三個(gè)部分：預(yù)定信息傳送時(shí)間、非預(yù)定信息傳送時(shí)間和維護(hù)時(shí)間，詳細(xì)內(nèi)容如表 22 所示。表 22 網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間（NUT） 功能預(yù)定信息傳送時(shí)間 傳送預(yù)定節(jié)點(diǎn)（在一個(gè)循環(huán)的左右順序次序的基礎(chǔ)上）的有時(shí)間苛求的信息。非預(yù)定信息傳送時(shí)間傳送非預(yù)定節(jié)點(diǎn)（按順序進(jìn)行循環(huán)傳送，一直到分配給非預(yù)定傳送的時(shí)間用完為止）沒有時(shí)間苛求的信息?？刂凭W(wǎng)保證至少有一個(gè)非預(yù)定節(jié)點(diǎn)有機(jī)會(huì)傳送數(shù)據(jù)，提供給非預(yù)定節(jié)點(diǎn)的時(shí)間取決于預(yù)定節(jié)點(diǎn)的通信量。維護(hù)時(shí)間 能夠自動(dòng)調(diào)整，以使 NUT 大小不變，并保證其他節(jié)點(diǎn)同步。NUT（網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間）是由用戶自己選擇的，它將不停地掃描網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)上設(shè)備類型的不同，按照 ControlNet 的時(shí)間片算法在 NUT 內(nèi)為它們分配時(shí)間段。由此可知，ControlNet 網(wǎng)絡(luò)具有預(yù)見數(shù)據(jù)何時(shí)能夠可靠傳輸?shù)侥繕?biāo)的能力，并且數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間不受網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)添加/刪除或網(wǎng)絡(luò)繁忙等狀況的影響而保持恒定 [3]。 ControlNet 現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，不僅要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成本地的控制、監(jiān)視、診斷等任務(wù)，還要能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與其他控制設(shè)備及 PLC 進(jìn)行對(duì)等通信。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用也不只要求在控制器和工業(yè)器件之間的緊耦合，還應(yīng)有確定性和可重復(fù)性。ControlNet 是高度確定性、可重復(fù)的網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)時(shí)選擇性設(shè)定有計(jì)劃的 I/O 分組或互鎖時(shí)間，這些要求能得到更進(jìn)一步的保證。因此，ControlNet非常適用于一些控制關(guān)系關(guān)聯(lián)復(fù)雜，要求控制信息同步、協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)傳輸速度較高的應(yīng)用場(chǎng)合。如協(xié)同工作的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，焊接控制，運(yùn)動(dòng)控制，視覺系統(tǒng)，復(fù)雜的批次控制， 有大量數(shù)據(jù)傳送要求的過(guò)程控制系統(tǒng)，有多個(gè)控制器和人機(jī)界面共存的系統(tǒng)等。對(duì)于有多個(gè)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(chǎng)合，ControlNet 也非常適用。ControlNet 允許多個(gè)各自擁有獨(dú)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(wǎng)絡(luò)平臺(tái)方案——“NetLinx”體系中，ControlNet 處于核心地位，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。圖 21 ControlNet 邏輯網(wǎng)絡(luò)體系ControlNet 總線不僅可以與多種設(shè)備或子網(wǎng)直接相連，還能夠通過(guò)掃描器連接下層的 DeviceNet 設(shè)備網(wǎng)和 FF 現(xiàn)場(chǎng)總線等產(chǎn)品；同時(shí)，通過(guò)通信接口模塊連通上層的信息以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成，共享信息資源。組態(tài)軟件是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)普遍應(yīng)用的人機(jī)接口（HMI）監(jiān)控軟件，是控制網(wǎng)絡(luò)底層總線與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的軟件接口和控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)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(shí)允許用戶進(jìn)行圖形觀察和組態(tài)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。它全面支持 ActiveX 技術(shù)，同時(shí)支持 OPC 的服務(wù)器和客戶端模式，既可以通過(guò) OPC 和硬件通訊，又可以向其它軟件提供 OPC 的服務(wù)。同時(shí) Windows 為 RSView 和基于 Windows 的應(yīng)用軟件提供接口，利用 DDE（dynamic data exchange）技術(shù)，與 Windows 的應(yīng)用程序間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)本地控制網(wǎng)絡(luò)與上層信息網(wǎng)絡(luò)之間的信息共享，從而為用戶提供更為集中的數(shù)據(jù)操作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。綜上所述，ControlNet 控制網(wǎng)是一種高速確定性網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)時(shí)間有較高要求的應(yīng)用場(chǎng)合的信息傳輸，它為對(duì)等通信提供實(shí)時(shí)控制和報(bào)文傳送服務(wù)。它作為控制器和 I/O設(shè)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?yàn)樗母咚俾?，使其可以支持高度分布式的自?dòng)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)。控制網(wǎng)結(jié)合了輸入/輸出網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息網(wǎng)絡(luò)的功能，既可以滿足對(duì)時(shí)間苛求的控制數(shù)據(jù)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(duì)時(shí)間非苛求的數(shù)據(jù)傳輸（如程序上傳、下載、信息傳送）的需要 [4]。 小結(jié)本章對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，尤其是 ControlNet 總線技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍進(jìn)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(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并與其它常見總線技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比。第 3 章 系統(tǒng)硬件概況 系統(tǒng)概況為了保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)備性和安全性，系統(tǒng)采用雙機(jī)熱備，以避免由于特殊原因使數(shù)據(jù)丟失。系統(tǒng)中所要控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含：電動(dòng)球閥 16 個(gè)、電動(dòng)閘閥 7 個(gè)、變頻器 1臺(tái)、攪拌器 1 臺(tái)。所需要采集的數(shù)據(jù)量為：壓力 10 點(diǎn)、差壓 2 點(diǎn)、溫度 26 點(diǎn)、地溫 30點(diǎn)、液位 1 點(diǎn)、流量 2 點(diǎn)?？傮w設(shè)計(jì)方案見如圖 31 所示。圖 31 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖其中：1．PLC 采用美國(guó) ROCKWELL 公司先進(jìn)的 ControlLogix 系列產(chǎn)品，可靠性高，具有雙機(jī)熱備功能，性能穩(wěn)定；同時(shí)采用了高速傳送、實(shí)時(shí) I/O 的控制網(wǎng)絡(luò)（ControlNet）通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了過(guò)程數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)傳輸和過(guò)程控制，增強(qiáng)下位機(jī)的擴(kuò)展性和數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程儀表（設(shè)備） 、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集、處理與控制，實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)功能和系統(tǒng)熱備功能。2．下位機(jī)擴(kuò)展采用采用美國(guó) ROCKWELL 公司的模擬輸入、輸出模塊、數(shù)字輸入、輸出模塊以及專用的 Pt 電阻（測(cè)溫 RTD）輸入模塊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表、傳感器、Pt 電阻（測(cè)溫）及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào) 部件名稱 型號(hào) 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(guān)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(wèn)大量的 I/O點(diǎn)（數(shù)字量 I/O 最多為 128，000 個(gè)，模擬量 I/O 最多為 4000 個(gè)） 。ControlLogix 控制器能夠通過(guò) ControlLogix I/O 框架的任一槽內(nèi)，而且多個(gè)控制器可安裝在同一框架內(nèi)，它們之間通過(guò)背板進(jìn)行通訊，而運(yùn)行是相互獨(dú)立的。本方案中的 CPU 模塊采用 ROCKWELL 的 1756L55M24（內(nèi)存數(shù)據(jù)和邏輯， I/O 為 208K 字節(jié)，有非易失內(nèi)存；最大功率損耗 ，最大熱耗散，5V 時(shí)的背板電流 ） ，共兩塊，分別插入兩個(gè) A4 框架的第 0 槽，不需接線。為實(shí)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(gè) Logix5555 控制器；2．由于在副控制器內(nèi)數(shù)據(jù)需要緩存，所以控制器內(nèi)需要兩倍的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；3．冗余控制器必須在 ControlNet 網(wǎng)絡(luò)上。 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(gè) 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(jù)傳輸。每個(gè)框架需要一個(gè) 1757SRM 模塊。該模塊支持最多每個(gè)框架內(nèi)有五個(gè) 1756CNB 模塊。 電源模塊1756 機(jī)架上的 ControlLogix 電源模塊直接給機(jī)架背板提供 ，5V 和 24V直流電源?？墒褂梅侨哂啵?756PA72，PB72，PA75，PB75 ）和冗余（1756PA75R，PB75R）電源模塊，本方案中電源模塊采用 ROCKWELL 的 1756PA75（額定輸入電壓 120V ac 或 220V ac，最大有功輸入功率 95W，最大視在輸入功率 240VA，最大變壓器負(fù)載 238VA，頻率 4763Hz，最大背板輸出電流 dc、 dc、10A@5V dc、@24Vdc，共 75W） ，共四塊，分別外掛在四個(gè)框架上。該模塊需接三根線：L1 接 220V 交流電源，L2／N 接零線，剩余一根接地線。其功率如圖 32 所示。圖 32 電源模塊功率示意圖 CNET 模塊CNET 模塊采用 ROCKWELL 的 1756CNBR 模塊，共四塊，分別插在兩個(gè) A4 框架的第 1 槽、A7 框架的第 0 槽。每個(gè)模塊上有 A、B 兩個(gè) ControlNet 接口，互為冗余，使用時(shí)將四個(gè) A 口用專用通信支線電纜和通信電纜連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，四個(gè) B 口連成另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)互為冗余。 模擬輸入模塊模擬輸入模塊采用 ROCKWELL 的 1756IF16 模塊（輸入電壓0～、0～、－～，輸入電源 4～20mA） ，共四塊，插在 1 站的A17 框架的第 4 槽中。 模擬輸出模塊模擬輸入模塊采用 ROCKWELL 的 1756OF8（模塊輸入電壓0～、0～、～，輸入電源 4～20mA） ，共 1 塊，插在 1 站的A17 框架的第 11 槽中。 RTD 模塊RTD 模塊采用 ROCKWELL 的 1756IR6I 模塊，共 6 塊，插在 1 站的 A17 框架的第10 槽中。 開關(guān)量輸入模塊開關(guān)量輸入模塊采用 ROCKWELL 的 1756IB16 模塊（輸入點(diǎn)數(shù) 16，電壓類型12/24V 直流，工作電壓 10～，輸入延遲 2ms，最小導(dǎo)通輸入電流 ，最大導(dǎo)通狀態(tài)電流 10V，最大狀態(tài) ，負(fù)載電流 100mA） ，共 9 塊，插在 2 站的 A17 框架的第 9 槽中。 開關(guān)量輸出模塊開關(guān)量輸入模塊采用 ROCKWELL 的 1756OW16I 模塊（最大輸出延遲時(shí)間 10ms，工作電壓 10～265V 交流或 5～150V 直流，輸出電流 ～2A） ，共 5 塊，插在 2 站的A17 框架的第 11114 槽中。 冗余的實(shí)現(xiàn)冗余電源的實(shí)現(xiàn)如圖 33 所示。圖 33 冗余電源示意圖冗余控制器實(shí)現(xiàn)如圖 34 所示。圖 34 冗余控制器示意圖 小結(jié)系統(tǒng)硬件是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)軟件程序之前，要對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有個(gè)深入的了解，本章詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和各模塊的選型，介紹了系統(tǒng)的概況，使讀者對(duì)總體的設(shè)計(jì)有個(gè)大致了解。第 4 章 下位系統(tǒng)軟件概況 下位軟件概況PLC 的控制包括 ControlNet 網(wǎng)絡(luò)的控制管理和流程控制兩部分。其中網(wǎng)絡(luò)控制管理通過(guò) ROCKWELL ControlNet 網(wǎng)絡(luò)專用的 RSLinx 作為網(wǎng)絡(luò)配置軟件，RSNetWorx 作為網(wǎng)絡(luò)的管理軟件。使用這兩個(gè)軟件進(jìn)行相關(guān)的配置和管理，就能正確的使用掛在ControlNet 網(wǎng)絡(luò)上的 PLC 單元。通過(guò)本系統(tǒng)的獨(dú)立控制部分，管理者可輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)于任何流程的控制，只要形成清晰的控制思路，通過(guò)對(duì)每一個(gè)閥門的控制，即可實(shí)現(xiàn)任意的控制流程，如進(jìn)油流程、自循環(huán)流程、旁接流程、清管流程、倒罐流程、高壓泄放流程等。流程的控制通過(guò) PLC 程序?qū)崿F(xiàn)，編程軟件為 ROCKWELL 的 RSL