分布式计算机控制课程总结 Control Net总线简介
Control Net是一种高速的工业控制网络，是开放、实时、具有确定性和可重复性（Deter-minism&Repeatability)的现场总线。Control Ne是世界一流的自动化控制和信息解决方案供应商—美国罗克韦尔自动化公司推出的优秀的3层工业控制网络体系的控制层网络，也是罗克韦尔电子化制造概念的主要技术之一。在同一电缆上同时支持I/O信息和报文信息（包括程序、组态、诊断等信息），集中体现了控制网络对控制（Control)、组态（Configuration）、采集（Collect）、等信息的完全支持，Control Ne基于生产者\消费者这一先进的网络模型，该模型为网络提供更高有效性、一致性和柔韧性。Control Net是实时的控制层网络，在单一物理介质链路上，可以同时支持对时间有苛刻要求的实时I/O数据的高速传输，以及报文数据的发送，包括编程和组态数据的上载/下载以及对等信息传递等。在所有采用Control Net的系统和应用中，其高速的控制和数据传输能力提高了实时I/O的性能和对等通讯的能力。
Control Net是一种高度确定性网络，因为它能够可靠地预报数据传递完成的时间。同样，Control Net也因其可重复特性而闻名，该特性保证了传输时间为可靠的常量，且不受网络上节点的增加或减少的影响。这些都是保证实现可靠、高度同步和高度协调的实时性能的至关重要的要求。不同于其他基于双绞线的网络。Control Net使用光纤介质的最远可达30公里，速度都始终保持在5Mbps而不会随距离衰减，并可在噪声环境中使用。这些都使得Control Net当之无愧地成为连接远程I/O和对等PLC主站的最理想的网络.
另外，某些Control Net属性使其非常适合于过程工业。处理器热备和ControlNet介质的冗余保证了更高的系统可用性。ControlNet同样支持可选的本征安全介质降低了系统成本，在任何环境中的系统中都非常的灵活。不仅如此，创新的Control Net到Foundation Field bus总线的链接设备很好地融合了FFHI总线及Control Net稳定性的优点。其中包括通过Control Net和FFHI总线上载/下载数据.
一. Control Net系统原理
Control Net是基于生产者/消费者模式(Producer／Consumer Model)的网络。Control Net允许在同一链路上有多个控制器共存，支持输入数据或端到端的多路发送，这就大大的减少了网络上的交通量，提高了网络效率和网络性能。
Control Net是高度确定性、可重复性的网络。Control Net能预见数据何时能够可靠传输到目标的能力，同时数据的传输时间不受网络节点添加/删除情况或网络繁忙状况而保持恒定的能力。在实际应用中，通过网络组态时选择性设定有计划I/O分组或互锁时间，这些要求能得到更进一步的保证。
生产者/消费者模式允许网络中所有的节点同时获取来自同一数据源的数据。最终，该模式提高了效率，因为数据只发送一次，而与数据使用者(Consumer)的数量无关，并且具有精确的同步性。因为数据将同时到达每一个节点。生产者－消费者模式的优点在于：多个节点可以同时消费(Consume，即读取)来自同一个生产省(Producer，即数据源)所提供的数据。节点间易于同步，可以获得更为精确的系统性能，设备可以实现自主通信，无需系统主站。Control Net提供了简单、高度确定而且灵活的传输数据方式。Control Net在执行操作、数据实时监控时不会影响到I／O控制的性能。因此，Control Net非常适用于一些控制关系有复杂关联、要求控制控制信息同步、协调实时控制、数据传输速度要求较高的应用场合。
Control Net的明显优点是：同一链路上满足I/O数据、实时互锁、端到端报文传输和编程/组态等信息应用的多样要求；是确定性、可重复性的控制网络，适合离散控制和过程控制；同一链路上允许有多个控制器同时共存；输入数据和端到端信息的多路发送支持；可选的介质冗余和本征安全；安装和维护的简单性；网络上节点居于对等地位，可以从任意节点实现网络存取；灵活的拓扑结构（总线型、树型、星型等）和介质选择（同轴电缆、光纤和其它）。
二. Control Net概貌
（1）、 应用领域
随着国际自动化系统网络技术的不断进步，Control Net International 到目前为止，成员公司已扩展到50多个，其中不乏世界知名的大公司，如ABB Roboties、Honeywell Inc、Toshiba International。Control Net可广泛应用于交通运输、汽车制造、冶金、矿山、电力、食品、造纸、水泥、石油化工、娱乐及其它各个领域的工厂自动化和过程自动化。
（2）、技术特点
a）、Control Net是高速的控制和I/O网络，具有增强的I/O性能和点对点通讯能力，支持多主方式，可以从任何一个节点访问整个网络。
b）、对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性。
c）、先进的生产者/消费者网络模型，最大限度的优化了带宽的利用率，并可构成多主、主/从、对等的通讯结构；媒体访问算法确保了控制信息传送时间的准确性。
d）、具有灵活的安装选择，可使用各种标准的低价同轴电缆，也可使用具有强抗干扰性和本征安全性的光纤，并支持媒体冗余方式。
（3）、通信模式
Control Net在单根电缆上支持两种信息传输：一种是对时间有苛刻要求的控制信息和I/O数据，Control Net授予他们最高优先权，保证其不受其他信息的干扰，二是无时间苛求的信息和程序上/下载，他们被授予较低的优先权，在保证第一种信息传输的条件下进行传递。用户具有对这种信息的控制能力，可选择控制和I/O数据的刷新速率，并确知数据的传输时刻。
Control Net技术采用了一种通信模式，以生产者/消费者模式取代了传统的源/目的模式。他不仅支持传统的点对点通信，而且允许同时向多个设备传递信息。生产者/消费者模式使用时间片算法保证各节点实现同步，从而提高了带宽利用率。用一种形象的方式来描述两者的区别，一个班有30同学，现在需要把当前的确切时间告知某些同学，在源/目的模式中时间被告知每个人,其中有的同学可选择听，另一些则选择不听，在信息传输过程中，时间已发生变化，因此时间在告知第一个同学以后就变得不准确了。而在生产者/客户模式中，时间被同时告知室内所有的同学，有的同学可选择听，其他的可选择不听。这样就不会出现信息是真的现象，室内人数的增减也不会影响通信时间和效率。因而保证了高效率和高确定性。
Control Net使用的同轴电缆全部距离能够长达6Km，可寻址节点最多为99个，两节点间最长距离最长可达1000m，48个节点距离可达250m;采用光纤和中继器后,通信距离可达几十公里，支持大多数介质结构，网络结构可采用总线、树型、星型等结构或组合结构。使用时，用户可根据需要扩展物理长度，增加节点数量，提高安全性能。
三. Control Net的技术特点
工业现场控制网络的许多应用不仅要求在控制器和工业器件之间的紧耦合, 还应有确定性和可重复性。现代控制系统中, 不仅要求现场设备完成本地的控制、监视、诊断等任务, 还要能通过网络与其他控制设备及PLC 进行对等通信。基于此, 罗克韦尔自动化公司推出了一种新的面向控制层的实时性现场总线网络———Cont rolNet , 它使用以太网工业协议作为其信息网络, 为上层网络计算机系统提供读取工厂数据的途径。同样作为国际标准( IEC61558) 的控制网, 可满足实时、高产量应用系统的控制要求。设备网属工业设备层的网络, 提供简单工业设备(如传感器和激励器) 与高层设备(如PLC 控制器和计算机) 之间的联接。
它作为控制器和I/ O 设备之间的一条高速通信链路, 综合了现有的RI/ O 和DH + 链路的能力。控制网结合了输入/ 输出网络和点对点信息网络的功能, 既可以满足对时间苛求的控制数据传输(如I/ O 刷新、控制器到控制器的互锁) 的需要, 又可以满足对时间非苛求的数据传输(如程序上传、下载、信息传送) 的需要。控制网适用于实时、高信息吞吐量的应用场合, 因为它的这种高速率, 控制网可以支持高度分布式的自动化系统, 特别是那些具有高速数字量I/ O 和大量模拟量I/ O 的系统。控制网能够处理在一根电缆上的所有控制数据: 点对点信息传送、远程编程、故障查询、I/ O 刷新和PLC 处理器之间的信息互锁。通过采用专利性的介质存取方法, 对时间苛求的数据传输总是拥有比对时间非苛求的数据传输更高的优先权, 因而I/ O刷新和PLC 之间的互锁永远比程序上传、下载和一般信息传输更为优先, 这使得控制网上的数据传输具有确定性和可重复性。
四. Control Net 网络通信协议
众所周知, 以太网采用“碰撞检测载波侦听多路访问”仲裁机制一般不具有工业控制所要求的可靠性、确定性。而在工业控制网络中, Cont rolNet数据链路层的介质存取控制(MAC) 协议采用的是“优先级仲裁”机制, 即“非破坏性逐位仲裁载波侦听多路访问”的令牌传递总线型网络。这是确定性的网络, 因为最大的等待时间在发送报文帧前可以由令牌环绕一周的时间表征。令牌总线协议( IEEE80214) 有线型、多支路型、树型或段型拓扑结构。在逻辑上令牌总线所有站点构成一个环,就控制网来说, 每个站点知道自己前一个和后一个站点的地址, 在网络运行期间, 持有令牌的站点可以发送数据帧直到数据帧发送完毕。或者用完令牌持有时间, 然后该站点重新产生一个新的令牌并传给它逻辑上相邻的下一个站点, 如果某个站点没有报文发送, 它会把令牌传给下一个站点。下一个站点的物理位置不是很重要, 因为令牌是传递给逻辑相邻站点的。按照这种方式, 令牌围绕着逻辑环传播。数据帧的冲突并不存在, 因为某个时刻只有一个站点传送。这种协议也可保证每个站点网络访问间的最大时间。如果令牌持有者停止传送以及不把令牌传给下一站点, 此协议可以重新产生令牌。在逻辑环内, 站点也可以动态增加和删除。控制网的报文帧结构如图4 所示。整个长度为7 个字节, 包括先导字段、开始界符、源地址、循环冗余校验和及结束字符。数据报文帧即链路报文帧可能包括几种链路报文, 这些报文包含大小、控制、标签和它的源地址, 整个帧在0～510 字节之间。大小字段说明包含在单个链路分组里的字节对的(4～255) 数量。每个字节对必须包括大小、控制、标签和数据段。每一节点在每次传送机会到来时只能发送一个且仅发送一个MAC 帧, 每个MAC 帧可包括0个或多个链路报文帧。如果MAC帧含0 个链路报文帧, 则被称为NULL 帧。每个链路报文帧包括一些“应用信息”, 由链路报文帧组成的帧在每个MAC 帧中的大小不能超过510个字节。控制网协议采用一种特殊的隐性令牌访问机理, 给每个节点分配一个唯一的MAC 地址(1～99) 。象普通的令牌总线协议一样, 持有令牌的站点有优先权发送数据。但网络中并没有真正的令牌传递, 而是每个站点监视收到的每个报文帧的源MAC 地址, 在该报文帧结束之后, 每个站点为接收到的源MAC 地址设置一个隐性令牌寄存器, 其值为收到的源MAC 地址加1 。如果隐性令牌寄存器的值与某个站点自己的MAC 地址相等, 该站点就可立即发送数据。因为所有站点的隐性令牌寄存器在任一时刻值相同, 这就避免了信道冲突的发生。如果站点没有数据发送, 则只需发送一个带空链路组的报文, 叫空帧。
Control Net 中传递隐性令牌的逻辑是通过特别设计的时间分片存取算法来控制, 即用并存时间域多路存取算法。在每一个网络更新时间NU T(Network Update Time) 内自动调节网络上的每个节点拿到隐性令牌传送信息的机会。Cont rol Net 技术规范规定可组态的NU T 时间为015 ～ 100ms (目前市场上可提供的有关产品的最小可组态的NU T 为2ms)。
五. 结束语
随着工业控制网络不断增长的需要, 传统网络的性能不能满足更高的传输率和更强的系统功能的发展需求。虽然网络在设备之间提供了可重复的和可预测的通信, 但更高的数据传输率和协议效率不足以满足这个挑战。Cont rolNet 基于最先进的通信技术———生产者/ 消费者模式, 允许网络上所有的节点同时从单个的数据源存取相同的数据, 消除了现有一些网络存在通信延迟现象, 而且不必向远程机架进行数据传送。同时, 它具有清晰的、计划好的、向未来的控制系统扩充的移植路径, 因此它不仅能够与以太网、设备网等工业局域网联通, 而且还能将PLC 和DCS 系统集成为制造自动化网络体系, 从而在底层设备和上层信息管理之间架起一道无缝集成的桥梁。
