第四章控制网络系统的构建与实现

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•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。现场总线控制网络的性能比较•物理特性•传输特性总线类型网络拓扑结构物理介质最大设备数（节点数）最大传输距离LonWorks星形、总线型、环形、自由形双绞线、光纤、电力线32000点/域2700m（78kbit/s）CAN总线型双绞线、同轴电缆、光纤110点10km（5kbit/s）Profibus星形、总线型、环形双绞线、光纤127点24km（光纤）DeviceNet干线－分支方式24v直流电源线和信号线、两组双绞线及信号屏蔽线64点500mContolNet总线型、星形、树形及混合RG6同轴电缆、光纤99点（带中继器）20km（光纤）总线类型通信方式传输速度传输数据包长度仲裁机制错误检查方式诊断LonWorks主从、对等1.25Mbit/s全双工228BCSMACRCCRC和设备错数据库CAN多主5k～1Mbit/s0～8B非破坏性总线仲裁CRCCRC和设备错数据库Profibus主/从、对等DP：最大12Mbit/sPA:31.25kbit/s244B令牌传递CRC站、模块和通道诊断DeviceNet主/从、多主或其他方式500、250、125kbit/s0～8BCSMACRC总线监控ContolNet多主、主/从、对等最大5Mbit/s0～505B隐性令牌传递CRC总线监控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IEEE802.3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。•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、软件的选择与配置•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。•－总体规划与设计•主要任务：确定方案•网型选择：建网关键•采用成熟、先进的技术和设备，维修方便•网络应具有可扩充性、兼容性•安全可靠•易于实现数据库管理系统及应用软件开发•性能指标优越•－详细设计•－工程实施•－运行维护•以太控制网络系统的组成•书163图4－1星形结构•中心：网络交换机，100M连至服务器•监视工作站：监控控制网络工作状态•控制设备：一般工业PC（以太网卡接入）、PLC（以太网模块接入，不带模块通过RS485/232转换及工业PC接入）、嵌入式控制器（自带以太网模块接入）等，现场总线控制网络通过数据网关接入以太网。•控制设备可通过交换式集线器接入。•控制网络规模较大时，可采用分段结构。•操作系统需满足实时性要求。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：•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•－网络安全性问题工业以太网模型•EtherNet/IP指的是“以太网工业协议”(EthernetIndustrialProtocol)。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，为配置、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。•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：•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。2B2B4B4B8B4B•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。•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•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。•－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。•－虚拟局域网（VLAN）•VLAN可以克服物理位置的限制，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•逻辑子网是由被配置为该VLAN成员的所有设备组成•设置：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。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•－提高网络的整体安全性•在核心层交换机配置路由访问列表，控制用户访问权限和数据流向（不同VLAN通信必经过第三层路由）•－简化网络管理：网管在网管中心即可重新配置服务质量（QoS）•IPQoS：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置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、配置管理、变化管理•提高生存性可采用的方法：•－冗余设计•端口冗余：设计两个以太网通信端口和冗余切换机制•链路冗余：两个设备通过两条独立的链路连接•设备冗余：同一类型的关键设备进行冗余，一工作，一待机，故障时可迅速切换•冗余双环：双环链路通过具有故障探测与恢复功能的交换机或中继器自动路由，找到合适的链路•－故障探测和自恢复•提供快速的故障恢复•限制网络的故障传播•网络安全性•－对内网络安全•因其实现了无缝连接，上下网段使用的是相同的协议，可互连与互操作，需制定安全策略，防止本地用户对设备控制域系统的非法访问。•－对外网络安全•有连接外部网络的通道，需防止外部非法用户访问内部网络的资源和非法向外传递内部信息。•本质安全与安全防爆技术•防爆技术：隔爆型和本质安全型，实现本质安全的关键技术为：低功耗技术和本安防爆技术。•远距离传输•Ethernet协议规定：双绞线≤100m，细同轴电缆≤185m，粗同轴电缆≤500m•设计时，将控制室与各控制域之间用光纤连接成骨干网，采用屏蔽双绞线连接各控制域的主交换机和现场设备。•互可操作与应用层协议•实现性能类似的设备之间的互换•工业以太网通信设备•－网络设备•－测控设备基于现场总线的控制网络设计•Profibus现场总线网络的构建•基于Profibus-DP/PA现场总线的控制系统位于工厂自动化系统的底层，即现场与车间层•控制系统组成：•－主站：•一类：PLC、PC或可作为一类主站的控制器，完成总线控制与管理•二类：操作员工作站、编程器、操作员接口等，完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等•－从站•PLC（智能型I/O）：执行程序并按程序指令驱动I/O，主站可经由通信间接控制从站PLC的I/O。•分散式I/O（非智能型I/O）：自身不具有程序存储和程序执行，按主站指令驱动I/O，并将I/O输入及故障诊断等信息返回给主站。由