控制网络系统的构建与实现

以太控制网络系统的设计内容： －分析设计目标并确定主要性能指标 －确定组网方式 －网络拓扑结构设计 －网络设备和网络硬件、软件的选择 与配臵
• 设计评价指标： • －费用 一般是在满足控制网络功能与性能指标的 要求下，寻求费用最少的方案。 • －功能和性能 • 可靠性 • 设计任务：根据给定数据，在满足用户功能与性 能要求的前提下，选择不同的变量，求得网络代 价最小的设计方案。 • 控制网络系统的构建：5个阶段 • －系统分析 • 可行性分析：组建网络的必要性、系统总体目标、 系统实现方案的比较、经济技术指标、系统实现 的可行性论证、系统的经济效益和社会效益等。 • 逻辑设计：系统数据流图设计、信息量分析统计 与信息量交换表的制定、系统总目标和功能的描 述、子系统目标和功能的描述等。
• 长度域：封装报文有效数据段的长度 • 会话句柄域：所建立的会话的编码，由目标节点 产生，发给发起节点 • 状态域：指示接收者是否接收报文，为0接收，否 则忽略。 • 发送者背景域：用于请求报文和回复报文的配对 • 选项域：给命令提供参数 • CIP报文：连接报文和未连接报文 • 未连接报文在命令域为SendRRData的封装报文 中，通过TCP传输。 • 连接报文在命令域为SendUnitData的封装报文中 传输，采用何种协议取决于连接报文的传输类。 • 7种传输类：0～6类，4、5、6不常用。
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特点： －可以传输多种不同类型的数据 －面向连接 －用不同的方式传输不同类型的报文 TCP：发送显式报文（协议信息和服务指令）， 节点接收、解释报文并作出响应 UDP：发送隐式报文（实时数据），其含义在连 接建立时已经定义好。 －基于生产者/消费者模型，支持多播 －支持多种数据触发方式 －用对象模型来描述应用层协议 －提供设备描述，保证互操作性和互换性
• (1)以交换式集线器或网络交换机为中心，采用星型结构。 系统中包括数据库服务器、文件服务器。以太网络交换机有 多种带宽接口，以满足工业PC、PLC、嵌入式控制器、工作 站等频繁访问服务器时对网络带宽的要求。 • (2) 监视工作站用于监视控制网络的工作状态。 • (3) 控制设备可以是一般的工业控制计算机系统、现场总线 控制网络、PLC、嵌入式控制系统等。 • (4) 当控制网络规模较大时，可采用分段结构，连成更大的 网络，每一个交换式集线器及控制设备构成相对独立的控制 子网。若干个控制子网互联组成规模较大的控制网络。 • (5) 以太控制网络的底层协议为IEEE 802.3、基本通信协议 采用TCP/IP，高级应用协议为CORBA或DCOM，网络操作系统 为Windows、Linux或Unix。 • (6) 实时控制网络软件是集实时控制、数据处理、信息传输 、信息共享、网络管理于一体的庞大而复杂的软件工程。
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环境适应性 机械、气候、电磁 可靠性 安全性 安装方便 以太网全面应用于工业控制网络还需解决以下关 键技术问题： －适用于工业控制现场的以太网媒体规范问题 不 同厂商生产的设备的直连问题 －应用层协议问题 需定义统一的应用层规范 －通信实时性服务质量控制策略与客观评价问题 －网络安全性问题
CIP的封装
• 封装协议定义应用层和传输层的接口，即CIP和 TCP/UDP的接口。 • 封装协议包括：数据包组装、会话管理及用于会 话管理的报文。 • 封装数据包包头格式： 2B 2B 4B 4B 8B 4B
• 命令 长度 会话句柄 状态 发送者背景 选项
• 包头长度为24B，其有效数据段的长度为0～ 65511B。 • 命令域命令8种：OP、Registersession、 UnRegistersession、SendRRData只能用TCP传 输，其余传输两种皆可。
工业以太网
• 工业以太网：在以太网技术和TCP/IP技术的基础 上开发出来的一种现场总线。 • 优点： • －应用广泛 支持几乎所有的编程语言 • －成本低廉 软硬件价格低廉 • －通信速率高：10M、100M、1000M、10G（研 究中） • －软硬件资源丰富 • －可持续发展潜力大 • －易于与Internet连接 • 工业以太网在技术上与商用以太网兼容，但因其 面向工业现场，产品设计时需满足以下要求：
第四章
控制网络系统的构建与实现
概述
• 工业控制网络要求： • －具有较好的响应实时性 • －高可靠性，能满足工业现场的要求，现场设备 或局部网络出现故障能迅速恢复 • －结构简洁，降低设备成本，提高系统的健壮性 • －开放性好，尽量不要采用专用网络 • 现场总线控制网络的构建： • －现场总线的选择： • 数据传输容量的不同 • 本质安全的适用性
• －使用全双工通信模式 • 点对点同时发送、接收，理论上可以使传输速率翻一番。 • －采用虚拟局域网（VLAN）技术
• VLAN可以克服物理位臵的限制，将特定设备组成 广播域，从而更加合理地使用带宽，增强网络的 安全性。 • 特征： • 一个VLAN中所有设备都是一个广播域的成员 • 逻辑子网是由被配臵为该VLAN成员的所有设备组 成 • 设臵：a 基于交换机的端口号（多数）；b 基于 设备的MAC地址 • 地理上的VLAN • 端到端的VLAN是通过交换架构进行定义的 • 一个端口只能标记一个VLAN，不同VLAN信息隔 离，避免广播风暴。
• 传输介质： • 通信线缆和连接件：同轴电缆、双绞线和光缆 • 工业以太网中通信线缆和连接器件防护要求：对环境的适应 性比商业以太网要更强 • 工业以太网实时性的实现机制 • 以太网是实时性不高、非确定性的网络，由以太网的介质访 问方式（CSMA/CD）决定。不确定是指数据传输的响应和 时延“不可预测和再现”。 • 实现实时性的机制主要包括以下几个方面： • －采用交换式集线器（交换机） • 集线器：各站点共享带宽，需通过CSMA/CD解决网络碰撞 问题 • 交换机：每个端口就是一个碰撞域，交换机对这些碰撞域进 行隔离，并实现碰撞域的连接和数据帧的交换。各端口之间 可以同时形成多个数据通道，数据传输互不影响，信息按优 先级进行分组传输。
• －总体规划与设计
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• －详细设计 • －工程实施 • －运行维护
以太控制网络系统的组成及其特点
以太控制网络系统的特点：
现场总线控制网络的性能比较
• 物理特性 • 传输特性
最大设备数 最大传输 （节点数） 距离 LonWorks 星形、总线型、 双绞线、光纤、 32000点/域 2700m 环形、自由形 电力线 （78kbit/s）
CAN 总线型 双绞线、同轴电 缆、光纤 110点 127点 10km （5kbit/s） 24km（光 纤）
-服务质量（QoS）
• IP QoS：IP数据流通过网络时的性能，目的是向用 户提供端到端的服务质量保证。 • QoS是网络的一种安全机制，用于工业以太网（实 现了信息层到设备层的无缝集成），当网络过载或 拥塞时，确保重要控制数据传输不受延迟或丢弃， 同时保证网络的高速运行。 • 智能网络（使用QoS ）： • 能区分实时－非实时数据 • 识别来自控制层的拥有较高优先级别的采样数据和 控制数据，优先处理 • 制止对网络的非法使用 • 实现智能3个过程：分类；标注化；优先级
以太控制网络系统与工业以太网
• 以太网（Ethernet）是一种计算机局域网组网技术。 IEEE制定的IEEE 802.3标准给出了以太网的技术标准。 它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协 议（CSMA/CD）的内容。以太网是当前应用最普遍的 局域网技术。 • 工业以太网是指用于工业控制系统中的以太网技术， 最初是为办公自动化发展起来的，因此这种商用主流 的通信技术发展至今已有应用广泛、价格低廉、传输 速率高、软硬件资源丰富等技术优势。 • 相比之下，一般的以太网技术除了通信的吞吐量要求 较高外，对其他性能没有特殊要求；而工业控制现场 由于其环境的特殊性，对工业以太网的实时性、可靠 性、网络生存性、安全性等均有很高的要求。
总线类型通信方式 传输速度
传输数据仲裁机制 错误检 诊断 包长度 查方式 LonWorks主从、对 1.25Mbit/s全 228B CSMA CRC CRC和 等 双工 设备错 数据库 CAN 多主 CRC和 5k～1Mbit/s 0～8B 非破坏性 CRC 总线仲裁 设备错 数据库 Profibus主/从、 DP：最大 244B 令牌传递 CRC 站、模 对等 12Mbit/sPA:3 块和通 1.25kbit/s 道诊断 DeviceNe 主/从、 500、250、 0～8B CSMA CRC 总线监 t 多主或其 125kbit/s 控 他方式 ContolNe 多主、主 最大5Mbit/s 0～505B 隐性令牌 CRC 总线监 t /从、对 传递 控 等
工业以太网模型
• EtherNet/IP指的是“以太网工业协 议”(Ethernet Industrial Protocol)。它定义 了一个开放的工业标准，将传统的以太网与工业 协议相结合。 • Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应 用层协议。它建立在标准TCP/IP协议之上，利用 固定的以太网硬件和软件，为配臵、访问和控制 工业自动化设备定义了一个应用层协议。 • EtherNet/IP是基于TCP/IP系列协议，因此采用 以原有的形式OSI层模型中较低的4层。所有标准 的以太网通信模块，如PC接口卡、电缆、连接器、 集线器和开关都能与 EtherNet/IP 一起使用。
• 0、1类CIP报文通过UDP传输，可靠性不高，不 允许包丢失的情况不宜采用。 • 报文丢失判断：1类接收者通过检查包的序号判断， 0类通过连接超时机制（在一定时间内接收者没有 接收到新的数据包终止连接）判断。 • 0、1类CIP多播报文的传输要用到IP多播技术。 两个问题： • －确定IP传输的范围：生存时间（TTL）法 • －IP多播地址分配 • 2、3类报文通过TCP连接传输。一TCP连接可以 传输多个CIP连接。 • 4、5、6类未给出封装协议。 • 工业以太网网络拓扑结构：星形、环形、线形
VLAN在工业以太网中的作用 • －分割功能层 • 将管理层与控制层、不同功能单元在逻辑上分割 开；在网络层设备上使用“过滤器”，实现上下 层之间的“无缝”连接。 • －分割部门 • 不同部门和车间处于同一广播域时，通过VLAN划 分功能单元，保证各自子网不受其他网段影响,可 以保证本部门之间的网络的实时性。 • －提高网络的整体安全性 • 不同VLAN之间的通信必须经过第三层路由，可以 在核心层交换机配臵路由访问列表，控制用户访 问权限和数据流向，达到安全目的。 • －简化网络管理：网管在网管中心即可重新配臵
网络生存性
• 网络生存性：以太网用于工业现场控制时，必须 具备较强的网络可用性。 • 内容： • －可靠性 • －可恢复性：设备或网段发生故障时，系统能依 靠自动恢复程序恢复，能对故障进行隔离和定位。 • 网络的可恢复性取决于网络装臵和基础组件的组 合情况。 • －可维护性 • 在线管理→发现故障→及时处理 • －可管理性：性能管理、配臵管理、变化管理
总线类型 网络拓扑结构
物理介质
Profibus 星形、总线型、 双绞线、光纤 环形
wenku.baidu.com
DeviceNet 干线－分支方 24v直流电源线 500m 64点 式 和信号线、两组 双绞线及信号屏 蔽线 ContolNet 线型、星形、 RG6同轴电缆、 99点（带中 20km（光 总 树形及混合 光纤 继器） 纤）
• 通信协议的开放性 • 行业的适用性 • 不同总线有不同的应用范围，因此选用现 场总线时，对现场总线配套产品的开发情 况应有清楚的了解。
• －实时性要求 • 在工业环境中，现场总线实时传输的是现 场设备的运行参数、状态及故障信息和控 制室的各种控制、维护与组态命令等。这 些信息对实时性要求高，往往涉及系统安 全，设计控制网络时需重点考虑。