ControlNet: Architektur, Funktionsweise, Unterschiede und ihre Anwendungen

Die ControlNet-Technologie wurde erstmals im Jahr 1995 von Rockwell Automation entwickelt, da sie bestrebt ist, den neuesten Technologietrends einen Schritt voraus zu sein. Danach wurde dieses offene industrielle Netzwerkprotokoll vollständig von ControlNet International verwaltet. Allerdings wurde die Verwaltung und der Support von ControlNet an die ODVA (Open DeviceNet Vendors Association) übertragen, sodass diese sich um alles kümmert Protokolle innerhalb der Common Industrial Protocol-Familie. ControlNet bietet verschiedene Funktionen wie Verriegelung in Echtzeit, E/A-Bandbreite, Peer-to-Peer-Messaging usw. Das ControlNet-Netzwerk ist hauptsächlich darauf ausgelegt, die Produktivität während der zeitkritischen Anwendungsdatenübertragung sowohl für die Fertigung als auch für den Prozess zu steigern Automatisierung . In diesem Artikel werden daher kurze Informationen zu ControlNet – Architektur, Funktionsweise und seinen Anwendungen – besprochen.

Was ist ControlNet?

ControlNet ist ein offenes industrielles Netzwerkprotokoll, das das CIP (Common Industrial Protocol) für die höheren Schichten von sieben nutzt Schichten des OSI-Modells . Die ControlNet-Designer passten die CIP-Schichten der Transportschicht, der Netzwerkschicht, der Datenverbindung und der physikalischen Schicht an die Anforderungen des ControlNet-Netzwerks an.

Dieses Protokoll wurde hauptsächlich entwickelt, um eine konsistente Hochgeschwindigkeitssteuerung und E/A-Datenübertragung mit einer Programmierung zu ermöglichen, die die Logik auf einen bestimmten Zeitpunkt über dem Netzwerk festlegt. Es gibt verschiedene Geräte, die mit diesem Netzwerk kommunizieren SPS (speicherprogrammierbare Steuerungen) , HMIs, E/A-Chassis, Antriebe, Roboter und Personalcomputer. Es wird normalerweise für Anwendungen verwendet, die hervorragend mit der geplanten Kommunikation funktionieren.

Die Datenübertragungsgeschwindigkeit dieses Netzwerks beträgt 5 Mbit/s und liegt im Mittelfeld der drei bekannten Netzwerke durch EtherNet/IP, das von 10 Mbit/s bis 1 Gbit/s reicht, und DeviceNet reicht von 125 bis 500 Kbit/s.

ControlNet-Architektur

Das ControlNet-Protokoll wird in industriellen Automatisierungsanwendungen verwendet. ControlNet verwendet das CIP oder Common Industrial Protocol, um die Verbindung zwischen verschiedenen OSI-Schichten zu erleichtern. Dieses Protokoll ist darauf ausgelegt, durch die Programmierung eine konsistente Datenübertragung und Hochgeschwindigkeitssteuerung zu ermöglichen. Dadurch wird die Logik auf ein bestimmtes Timing über dem Netzwerk eingestellt und eine schnelle Datenübertragung unterstützt. Dieses Netzwerk umfasst verschiedene Geräte wie SPS, E/A-Chassis, Personalcomputer und Treiber.

ControlNet-Anschlüsse und -Kabel

Hierbei ist zu beachten, dass das ControlNet über die BNC-Anschlüsse RG-6-Koaxialkabel verwendet. Die in ControlNet verwendeten Anschlüsse sind BNC-Anschlüsse. Der BNC-Stecker ist ein kleiner, einfach anzuschließender und zu trennender HF-Stecker, der für Koaxialkabel verwendet wird. Dieser Steckverbinder ist hauptsächlich darauf ausgelegt, die ähnliche charakteristische Impedanz von Kabeln beizubehalten, einschließlich der hergestellten 50-Ohm- und 75-Ohm-Typen. Im Allgemeinen wird es für HF- und Videoverbindungen bis etwa 2 GHz und bis zu 500 Volt verwendet. Diese Steckverbinder werden einfach mit kleinen bis sehr kleinen Koaxialkabeln in Fernseh-, Radio- und anderen elektronischen HF-Geräten verwendet. Daher wurden sie normalerweise für frühe Computernetzwerke wie das IBM PC-Netzwerk, ARCnet und die 10BASE2-Variante verwendet.

Mit ControlNet können Sie die Kabeltypen auswählen, bei denen diese Kabel flexibel oder direkt vergraben sind. Darüber hinaus sind diese Kabel auch in jeder Umgebung einsetzbar. Alternativ zu ControlNet gibt es verschiedene Anwendungen, die größere Entfernungen erfordern und auch Glasfaser (OFC) in der Verkabelung verwenden. Hierbei ist unbedingt zu beachten, dass maximal 99 Knoten im Netzwerk unterstützt werden.

Die Knoten im ControlNet werden einfach über eine MAC-ID-Adresse zugewiesen. Darüber hinaus identifiziert jeder Knoten auch die Nachfolger- und Vorgängeradresse. Jeder Knoten, der innerhalb der Schnittstelle von ControlNet verfügbar ist, enthält hauptsächlich eine geplante Zeit (Token). In diesem Netzwerk wird also jeweils nur ein Knoten übertragen, was letztendlich verhindern würde, dass Daten durch unsichere Vorschläge kollidieren. Wenn ControlNet richtig eingerichtet ist, kann es äußerst zuverlässig und stabil sein. Darüber hinaus ist im Vergleich zu anderen auf industrieller Automatisierung basierenden Netzwerken über einen längeren Zeitraum weniger Wartung erforderlich.

ControlNet-Topologie

ControlNet Topologien Beim Entwerfen des Netzwerks sind Trunkline-Dropline, Tree oder Star möglich.

Trunkline-Dropline-Topologie

Bei der Trunk-Line-Drop-Line-Topologie wird nur ein dünnes oder dickes Kabel verwendet. Der Hauptabstand zwischen den Netzwerkgrenzen hängt von der Länge des Kabels und der Datengeschwindigkeit ab. In dieser Topologie können die Knoten direkt an die Hauptleitung angeschlossen werden, ansonsten über kurze Abzweige. Diese Topologie bietet separate Twisted-Pair-Busse für die Signal- und Stromverteilung.

Baumtopologie

Die Baumtopologie ist eine Art Netzwerktopologie, die wie ein Baum aussieht. Diese Topologie umfasst einen zentralen Knoten und jeder Knoten ist einfach über eine einzelne Spur mit diesem Knoten verbunden. Die Hauptvorteile dieser Topologie sind: eine Kombination aus Stern- und Bustopologien, Fehlererkennung, Haltbarkeit, Geräteunterstützung, Netzwerkwachstum usw. Diese Topologie wird häufig zum Verbinden mehrerer Geräte wie Computer, Drucker usw. in einem Büro oder Zuhause verwendet. Diese Topologie hilft beim Aufbau von Busnetzwerken, bei denen jedes Gerät einfach mit einem mittleren Server verbunden ist.

Sterntopologie

Bei der Sterntopologie handelt es sich um eine Art Netzwerktopologie, bei der jedes Gerät einzeln mit einem zentralen Knoten, dem sogenannten Hub/Switch, verbunden ist. Diese Topologie sieht aus wie ein Stern. Diese Topologie trägt dazu bei, die Auswirkungen von Übertragungsleitungsausfällen zu reduzieren, indem jeder Host unabhängig mit dem Hub verbunden wird. Somit kann jeder Host mit allen anderen durch Senden und Empfangen vom Hub kommunizieren. Weitere Informationen finden Sie unter diesem Link Sterntopologie .

Physische Medien

Zu den physischen Medien des ControlNet-Protokolls gehören hauptsächlich Taps, Segmente, Abschlusswiderstände, Brücken und Repeater, die im Folgenden erläutert werden.

Taps sind eine der Arten von physischen Medien, mit denen Sie Knoten mithilfe eines Drop-Kabels an der Hauptleitung befestigen können. Diese sind in verschiedenen Ausführungen wie T oder Y, gerade und rechtwinklig erhältlich, was Flexibilität bei der Konfiguration des ControlNet-Netzwerks bietet.

An jedem Hauptkabelende wird ein 75-Ω-Abschlusswiderstand verwendet. Der als Segmente und Abzweigungen bezeichnete Stammkabelsatz verfügt an jedem Ende über Abschlusswiderstände. Die Länge jedes Segments hängt hauptsächlich von den an den Trunk angeschlossenen Geräten ab.

Repeater sind nützlich bei der Erweiterung der ControlNet-Netzwerke, indem sie einfach die Segmente miteinander verbinden.
Bridges sind Geräte, die zwischen Netzwerken als Kommunikationsverbindungen eingesetzt werden. Diese Geräte leiten Netzwerkpaketinformationen weiter.

Token-Ring

Den Knoten im ControlNet wird eine MAC-ID-Adresse zugewiesen, wobei jeder Knoten auch seine Nachfolger- und Vorgängeradresse erkennt. Hier enthält jeder Knoten eine geplante Zeit, die durch ein Token festgelegt wird. Wenn der Knoten die Kontrolle über das Token hat, sendet er Datenrahmen, bis das Token sein Zeitlimit erreicht. Anschließend kann ein neuer Token gebildet werden, der an den nächsten logischen Nachfolger weitergegeben wird.

Zeitliche Koordinierung

Das ControlNet-Timing erfolgt mit einer NUT- oder Netzwerkaktualisierungszeit, die von einem permanenten und sich wiederholenden Zeitzyklus abhängt. Die Netzwerkaktualisierungszeit ist auf eine Dauer von 2 bis 100 ms festgelegt und umfasst drei Hauptteile: geplant, außerplanmäßig und Schutzband. In ControlNet enthalten die Knoten Timer, die durch die NUT synchronisiert werden, die die Eintrittszeit konsistent auf die Knoten aufteilt.

Nachrichten

Das ControlNet-Protokoll nutzt hauptsächlich zwei Arten der verbundenen und nicht verbundenen Nachrichtenübermittlung, die im Folgenden erläutert werden.

Connected Messaging in diesem Protokoll nutzt hauptsächlich Ressourcen in jedem Knoten, die für bestimmte Zwecke wie die Übertragung oder Echtzeit-E/A-Daten und Transaktionen der häufigen expliziten Nachricht verwendet werden. Die Ressourcen einer Verbindung werden reserviert und mithilfe des nicht verbundenen Nachrichtenmanagers den verfügbaren Kommunikationsdiensten zugeordnet.

Nicht verbundene Nachrichten werden beim Verbindungsaufbau und auch für Nachrichten mit niedriger Priorität und für seltene Nachrichten verwendet. Diese Art der Nachrichtenübermittlung nutzt immer ungeplante Bandbreite und die nicht verbundenen Ressourcen innerhalb eines Geräts werden als UCMM (Unconnected Message Manager) bezeichnet. Um eine Konformitätserklärung zu erhalten, müssen ControlNet-Protokollprodukte ein UCMM ausführen, um Anfragen von anderen Gerätetypen zu akzeptieren.

Wie funktioniert ControlNet?

In ControlNet kann jeweils nur ein Knoten gleichzeitig senden, wodurch Datenkollisionen vermieden werden. Sobald der Knoten aufhört zu senden und dem Token nicht weiterkommt, hat ControlNet Bedingungen hineingeschrieben, die den Token erneut generieren und an den weiteren logischen Nachfolger übertragen. ControlNet ist ein offenes Steuerungsnetzwerk, das die Anforderungen von Echtzeit- und Hochdurchsatzanwendungen erfüllt. Dieses Protokoll unterstützt die Verriegelung von einem Controller zu einem anderen Controller sowie die Echtzeit-E/A-Steuerung von Ventilen und Antrieben. Es bietet auch eine Steuerungsvernetzung innerhalb von Prozess- und diskreten Anwendungen.

Wie konfiguriere/codiere ich einen Mikrocontroller als ControlNet-Knoten?

Die Konfiguration eines Mikrocontrollers als ControlNet-Knoten umfasst die Einrichtung der erforderlichen Hardware- und Softwarekomponenten, um die Kommunikation über das ControlNet-Netzwerk zu ermöglichen. Hier ist eine allgemeine Übersicht über die Schritte zum Konfigurieren eines Mikrocontrollers als ControlNet-Knoten:

• Wählen Sie einen kompatiblen Mikrocontroller: Wählen Sie einen Mikrocontroller, der das ControlNet-Protokoll unterstützt oder über die erforderlichen Hardwarefunktionen wie eine CAN-Schnittstelle (Controller Area Network) und einen kompatiblen Transceiver verfügt.
• Erhalten Sie den ControlNet-Kommunikationsstapel: Erwerben Sie den ControlNet-Kommunikationsstack/die ControlNet-Kommunikationsbibliothek für den von Ihnen gewählten Mikrocontroller. Der Stack stellt die notwendigen Funktionen und Protokolle bereit, um die Kommunikation über das ControlNet-Netzwerk zu ermöglichen.
• Hardware-Setup:
  • Verbinden Sie den Mikrocontroller über die CAN-Schnittstelle mit einem ControlNet-Netzwerk. Dabei werden in der Regel die CANH- und CANL-Pins des Mikrocontrollers mit den entsprechenden Pins eines CAN-Transceivers verbunden.
  • Stellen Sie die Stromversorgung und alle anderen erforderlichen Verbindungen zum Mikrocontroller gemäß seinen Spezifikationen bereit.
• Firmware-Entwicklung:
  • Schreiben Sie die Firmware für den Mikrocontroller mithilfe des erhaltenen ControlNet-Kommunikationsstacks bzw. der ControlNet-Kommunikationsbibliothek. Diese Firmware übernimmt die Kommunikation mit dem ControlNet-Netzwerk.
  • Implementieren Sie die erforderlichen Funktionen für den Datenaustausch mit anderen Geräten im ControlNet-Netzwerk.
• Gerätekonfiguration:
  • Jedem Knoten im ControlNet-Netzwerk wird eine eindeutige Knotenadresse zugewiesen. Stellen Sie sicher, dass die Knotenadresse Ihres Mikrocontrollers korrekt konfiguriert ist. Diese Adresse wird zur Identifizierung des Knotens im Netzwerk verwendet.
• Netzwerkintegration:
  • Integrieren Sie den Mikrocontroller in den Rest Ihres Steuerungssystems. Dazu kann es gehören, Sensoren, Aktoren oder andere Geräte an den Mikrocontroller anzuschließen und zu definieren, wie dieser mit dem Gesamtsystem interagiert.

Was sind die verfügbaren ControlNet-Kommunikationsstacks/-bibliotheken?

Einige der beliebten ControlNet-Kommunikationsstacks/-Bibliotheken :

• Rockwell Automation/Allen-Bradley ControlNet-Stack: Rockwell Automation ist ein führender Anbieter industrieller Automatisierungs- und Steuerungslösungen. Sie bieten einen ControlNet-Kommunikationsstack an, der typischerweise mit ihrer ControlLogix verwendet wird speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und andere Automatisierungsgeräte.
• Anybus ControlNet-Stack: Anybus, eine Marke von HMS Networks, bietet Kommunikationsstacks für verschiedene Industrieprotokolle, einschließlich ControlNet. Ihr Stack ermöglicht die einfache Integration der ControlNet-Funktionalität in Industriegeräte.
• Softing ControlNet Stack: Softing ist ein weiteres Unternehmen, das industrielle Kommunikationslösungen anbietet. Sie bieten einen ControlNet-Stack an, der es Entwicklern ermöglicht, ControlNet-Kommunikation in ihren Anwendungen zu implementieren.
• CIP-Toolkit (Common Industrial Protocol): Das CIP Toolkit ist eine Sammlung von Tools, Beispielcode und Dokumentation, die von der ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) zur Implementierung von CIP-basierten Protokollen wie ControlNet und DeviceNet bereitgestellt werden.
• ProSoft Technology ControlNet-Lösungen: ProSoft Technology bietet verschiedene industrielle Kommunikationslösungen, darunter ControlNet-Produkte und Entwicklungsdienstleistungen.

Berücksichtigen Sie vor der Auswahl eines bestimmten ControlNet-Kommunikationsstapels/einer bestimmten ControlNet-Kommunikationsbibliothek die folgenden Faktoren:

• Kompatibilität: Stellen Sie sicher, dass der Stack/die Bibliothek mit der Hardware- und Softwareplattform Ihres Mikrocontrollers kompatibel ist.
• Anbieterunterstützung: Überprüfen Sie den Grad der Unterstützung, der für die verwendeten Stacks des jeweiligen Anbieters verfügbar ist.

ControlNet vs. Profibus

Der Unterschied zwischen ControlNet und Profibu s werden unten besprochen.

Vorteile

Der Vorteile von ControlN et umfassen Folgendes.

• ControlNet hat eine hohe Geschwindigkeit.
• Dieses Netzwerk verfügt über eine deterministische Datenübertragung.
• Wenn ControlNet richtig eingerichtet ist, ist es äußerst zuverlässig und stabil.
• Dieses Protokoll verfügt über flexible Topologieoptionen.
• Es verfügt über eine deterministische und wiederholbare Leistung sowohl für Prozess- als auch für diskrete Anwendungen.
• Es ist in der Lage, an jedem Netzwerkpunkt stromführende Knoten zu ersetzen oder zu entfernen
• Es benötigt weniger Wartung.
• Es sind bis zu 99 Geräte pro Knoten möglich.
• Es ist sehr flexibel und nutzt anspruchsvolle Daten.

Der Nachteile von ControlNet das Folgende einschließen.

• Die Hardwarekosten sind hoch.
• Im Vergleich zu anderen Protokollen ist die Fehlerbehebung sehr schwierig.
• Es liefert kein Signal und Strom über ein einziges Kabel.

Anwendungen

Der Anwendungen von ControlNet das Folgende einschließen.

• ControlNet bietet Hochgeschwindigkeitssteuerung, zuverlässige E/A-Datenübertragung mit einer Programmierung, die die Logik auf einen bestimmten Zeitpunkt über dem Netzwerk einstellt.
• Dieses Netzwerk stellt wichtige Nachrichten bereit, die nicht vom Timing abhängen, ohne die Übertragung von Steuer- und E/A-Daten zu beeinträchtigen.
• Es handelt sich um ein offenes industrielles Netzwerkprotokoll, das in industriellen Automatisierungsanwendungen verwendet wird.
• Hierbei handelt es sich um offene Steuerungsnetzwerke, die den Anforderungen von Echtzeit- und Hochdurchsatzanwendungen gerecht werden
• Dies ermöglicht auch eine Steuerungsvernetzung innerhalb diskreter und Prozessanwendungen.
• Es handelt sich um ein geplantes Kommunikationsnetzwerk, das hauptsächlich für den Austausch zyklischer Daten konzipiert ist.
• Mit diesem Netzwerk können Sie auch große Diffusionsmodelle steuern, um zusätzliche Eingabebedingungen zu unterstützen.

Das ist also so eine Übersicht über ein ControlNet . Es handelt sich um ein Netzwerkprotokoll, das im industriellen Bereich verwendet wird. IoT- und Automatisierungslösungen erfordern höhere Geschwindigkeiten, mehr Daten und eine konsistente Datenverarbeitung. Die hohe Geschwindigkeit von ControlNet wird es daher in verschiedenen Anwendungen wie Schweißsteuerungen, Bildverarbeitungssystemen, Robotik, Bewegungssteuerung usw. hilfreich machen. Dieses Protokoll wird im Vergleich zu Ethernet/DeviceNet in zeitkritischen, redundanten und deterministischen Anwendungen verwendet. Th Dieses Protokoll funktioniert ohne Repeater bis zu 1000 Meter, verbindet bis zu 99 Geräte, hat eine Datenübertragungsrate von 5 Mbit/s und bietet mehrere Topologien . Hier ist eine Frage an Sie, was ist Geräte Netz ?