ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在西安地鐵中的應(yīng)用

李平亮

摘 要：本文就現(xiàn)在比較常用的ControlNet現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)，做了詳細(xì)的介紹，同時(shí)以地鐵行業(yè)的專業(yè)性實(shí)例為出發(fā)點(diǎn)，撰寫ControlNet在地鐵中的應(yīng)用及前景。

關(guān)鍵詞：ControlNet現(xiàn)場(chǎng)；總線；羅克韋爾；

中圖分類號(hào)：U284.48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2015）-02-00-02

現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。由于現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，因而受到了許多標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體和計(jì)算機(jī)廠商的高度重視。而羅克韋爾公司提出的ControlNet則是其中的代表之一。

一、ControlNet概況

（一）ControlNet的發(fā)展歷史

ControlNet是IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的子集。于1997年由美國(guó)羅克韋爾公司年推出的面向控制層的實(shí)時(shí)性現(xiàn)場(chǎng)總線。1997年7月，Rockwell等22家企業(yè)聯(lián)合成立了ControlNetInternational（CI）組織。CI主要負(fù)責(zé)全世界范圍內(nèi)推廣發(fā)展ControlNet技術(shù)，提供測(cè)試軟件及獨(dú)立的合格性測(cè)試。出版發(fā)行ControlNet技術(shù)說明書和產(chǎn)品目錄以及組織設(shè)計(jì)和使用ControlNet的培訓(xùn)等工作。隨著國(guó)際自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，ControlNetInternational到目前為止，成員公司已擴(kuò)展到50多個(gè)，其中不乏世界知名的大公司，如ABBRoboties、HoneywellInc、ToshibaInternational。ControlNet可廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、汽車制造、冶金、礦山、電力、食品、造紙、水泥、石油化工、娛樂及其它各個(gè)領(lǐng)域的工廠自動(dòng)化和過程自動(dòng)化。

（二）ControlNet的技術(shù)特點(diǎn)

1、ControlNet是高速的控制和I/O網(wǎng)絡(luò)，具有增強(qiáng)的I/O性能和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊能力，支持多主方式，可以從任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)訪問整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

2、對(duì)于離散和連續(xù)過程控制應(yīng)用場(chǎng)合，均具有確定性和可重復(fù)性。

3、先進(jìn)的生產(chǎn)者/消費(fèi)者網(wǎng)絡(luò)模型，最大限度的優(yōu)化了帶寬的利用率，并可構(gòu)成多主、主/從、對(duì)等的通訊結(jié)構(gòu)；媒體訪問算法確保了控制信息傳送時(shí)間的準(zhǔn)確性。

4、具有靈活的安裝選擇，可使用各種標(biāo)準(zhǔn)的低價(jià)同軸電纜，也可使用具有強(qiáng)抗干擾性和本征安全性的光纖，并支持媒體冗余方式。

（三）通信模式

ControlNet在單根電纜上支持兩種信息傳輸：一種是對(duì)時(shí)間有苛刻要求的控制信息和I/O數(shù)據(jù)，ControlNet授予他們最高優(yōu)先權(quán)，保證其不受其他信息的干擾，二是無時(shí)間苛求的信息和程序上/下載，他們被授予較低的優(yōu)先權(quán)，在保證第一種信息傳輸?shù)臈l件下進(jìn)行傳遞。

用戶具有對(duì)這種信息的控制能力，可選擇控制和I/O數(shù)據(jù)的刷新速率，并確知數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)刻。

ControlNet技術(shù)采用了一種通信模式，以生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式取代了傳統(tǒng)的源/目的模式。他不僅支持傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，而且允許同時(shí)向多個(gè)設(shè)備傳遞信息。生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式使用時(shí)間片算法保證各節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步，從而提高了帶寬利用率。

ControlNet使用的同軸電纜全部距離能夠長(zhǎng)達(dá)6Km，可尋址節(jié)點(diǎn)最多為99個(gè)，兩節(jié)點(diǎn)間最長(zhǎng)距離最長(zhǎng)可達(dá)1000m，48個(gè)節(jié)點(diǎn)距離可達(dá)250m；采用光纖和中繼器后，通信距離可達(dá)幾十公里，支持大多數(shù)介質(zhì)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可采用總線、樹型、星型等結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu)。使用時(shí)，用戶可根據(jù)需要擴(kuò)展物理長(zhǎng)度，增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量，提高安全性能。

（四）ControlNet介質(zhì)訪問方式

ControlNet采用了一個(gè)特殊的令牌傳遞機(jī)制叫隱性令牌傳遞機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)被分配一個(gè)唯一的MACID（1到99），只有獲取令牌的節(jié)點(diǎn)才可發(fā)送數(shù)據(jù)，但是ControlNet網(wǎng)絡(luò)上并沒有真正的令牌在傳遞，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，并在該數(shù)據(jù)幀結(jié)束之后，將隱性令牌寄存器的值設(shè)置為收到的源MACID加1，如果隱性令牌寄存器的值等于某個(gè)節(jié)點(diǎn)本身的MACID，則該節(jié)點(diǎn)即可發(fā)送報(bào)文，由于所有節(jié)點(diǎn)的隱性令牌寄存器中的值都相同，因此避免了沖突的發(fā)生。

二、ControlNet在地鐵中的應(yīng)用及前景

目前廣州地鐵、南京地鐵、上海地鐵、天津地鐵、深圳地鐵等EMCS（環(huán)境與機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)）均有ControlNet的使用，西安地鐵的BAS系統(tǒng)（同EMCS）也使用了ControlNet，因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)中ControlNet總線具有高速精確的優(yōu)勢(shì)，鑒于地鐵中EMCS和BAS系統(tǒng)所處的位置，使用ControlNet總線是最佳選擇，西安地鐵一二號(hào)線BAS系統(tǒng)均采用ControlNet總線技術(shù)，每個(gè)車站A、B兩端組成冗余的雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，加上PLC的冗余，極大提高了系統(tǒng)的可靠性，ControlNet總線采用了并行時(shí)間域多路存取（CTDMA）通信技術(shù)，將OSI七層模型中的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層功能融合，提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬的有效使用率，可以使數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)各節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的精確同步化。滿足BAS系統(tǒng)控制要求。ControlNet總線采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式，通過CTDMA控制機(jī)制，結(jié)合隱性令牌的傳遞方法，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和確定性。適用于對(duì)時(shí)間有苛刻要求的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，是一種高速的、確定性的網(wǎng)絡(luò)。是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中性能最優(yōu)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線，現(xiàn)在ControlNet得到了世界眾多公司的支持，目前安裝節(jié)點(diǎn)已達(dá)幾十萬(wàn)個(gè)，發(fā)展和應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò).北京：清華出版社，2003.

[2]西安地鐵二號(hào)線BAS系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書.

[3]西安地鐵二號(hào)線BAS系統(tǒng)培訓(xùn)教程.