楼宇自动化技术与应用2013版3

楼宇自动化技术与应用第三章工业以太网与网络控制系统第三章工业以太网与网络控制系统第一节工业以太网第二节网络控制系统(NCS)第一节工业以太网工业控制网络应该:①具有较好的响应实时性②高可靠性③力求简洁④开放性要好第一节工业以太网现场总线、以太网与工业以太网现场总线技术在其发展过程中存在许多不足:①现有的现场总线标准过多,仅国际标准IEC61158就包含了8个类型,未能统一到单一标准上来;②不同总线之间不能兼容,不能真正实现透明信息互访,无法实现信息的无缝集成;③由于现场总线是专用实时通信网络,成本较高;④现场总线的速度较低,支持的应用有限,不便于和Internet信息集成。第一节工业以太网以太网具有以下优点：①成本低廉②应用广泛③通信速率高④软硬件资源丰富⑤可持续发展潜力大⑥实现网络的无缝连接第一节工业以太网工业以太网特点与要求工业以太网在技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容,但应能满足以下要求:①环境适应性与可靠性②通信实时性问题③总线供电，本质安全④安装方便,适应工业环境的安装要求⑤安全性第一节工业以太网工业以太网设备工业以太网设备商用以太网设备元器件接插件工作电压电源冗余安装方式工作温度电磁兼容性标准MTBF值工业级耐腐蚀、防尘、防水,如加固型RJ45、DB-9、航空接头等24V,d.c.双电源可采用DIN导轨或其它方式固定安装-40～+85℃,至少为-20～+70℃EN50081-2(工业级EMC)EN50082-2(工业级EMC)至少10年商用级一般RJ45220V,a.c.一般没有桌面、机架等5～40℃EN50081-2(办公室用EMC)EN50082-2(办公室用EMC)3～5年第一节工业以太网工业以太网特点与要求以太网全面应用于工业控制网络,还需要解决以下关键技术问题:①适用于工业控制现场的以太网媒体规范②适用于工业自动化控制的应用层协议③工业以太网通信实时性服务质量(QoS)控制策略与客观评价④网络安全性第一节工业以太网Ethernet/IP工业以太网Ethernet/IP网络采用商业以太网通信芯片和物理介质，采用星形拓扑结构，利用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，能同时支持IOMbps和1OOMbps以太网的商业产品。第一节工业以太网Ethernet/IP工业以太网工业以太网结构针对工业控制系统的要求，结合商用网络成熟的设计方法，根据网络控制系统与现场总线设计了一个结构化的交换式工业以太网，其系统结构示意图如图所示。第一节工业以太网……外部网络服务器单元部门工作组防火墙二层交换机监控单元监控计算机三层交换机三层交换机二层交换机HMI现场设备冗余环管理器冗余环HMI现场设备网关FF、Profibus等现场总线现场控制单元第一节工业以太网Ethernet/IP工业以太网整个系统完全基于Ethernet-TCP/IP的一体化设计。其特点如下:(1)分布式对等功能单元(2)分层式网络结构。(3)更高的开放性(4)高传输速率第一节工业以太网Ethernet/IP工业以太网工业以太网拓扑结构工业以太网系统采用分层式结构，分布层可以进一步采用灵活的拓扑结构。（1）星形结构（2）总线结构（3）环形结构第一节工业以太网冗余环拓扑结构核心交换机冗余环管理器交换机冗余环冗余链路现场设备第一节工业以太网Ethernet/IP工业以太网冗余设计根据工业控制的需要，可采用包括链路和硬件的多层冗余设计。过程控制网络的冗余设计首先要实现物理层的双重化设计,包括通信介质、驱动电路、通信控制器、集线器(HUB)等,实现互为冗余的2个网络链路完全独立,这样可以保证这2个网络的物理信号隔离和故障隔离(见图),但它们最终被同一个微处理器(CPU)所驱动,信息在传输层被统一或分配(也就是冗余处理)。第一节工业以太网互为冗余的控制网络驱动电路网络控制器um9008CPU外围电路驱动电路网络控制器um9008驱动电路网络控制器um9008CPU外围电路驱动电路网络控制器um9008站点3内部安装冗余10base-T网卡过程控制网络HUB1#2#站点1站点2第一节工业以太网核心层冗余设计核心层设备是整个网络的通信枢纽，除选用高可靠性的交换设备外，必须配有冗余设备和链路，这包括:(1)双备三层交换机。(2)冗余环第一节工业以太网双机热备冗余管理器核心层交换机A核心层交换机B互为热备分布层交换机第一节工业以太网冗余环冗余管理器冗余管理器正常情况故障情况第一节工业以太网分布层冗余设计分布层负责连接各功能单元与核心层，向上可通过冗余链路连接多台核心层交换机;对于管理层非控制单元可不考虑冗余;对于现场控制单元和监控单元，需做冗余设计。第一节工业以太网分布层冗余设计核心层交换机功能单元现场设备热备通讯模块B为A热备二层交换机A分布层冗余结构一双机热备第一节工业以太网分布层冗余设计核心交换机冗余环管理器交换机冗余环冗余链路现场设备分布层冗余结构一冗余环第一节工业以太网TCP/IP协议总体构成①地址识别协议:ARP协议;②基本数据传输协议:IP协议;③差错控制协议:ICMP协议;④无联接数据传输协议:UDP协议,一般用于传输实时数据；⑤可靠性数据传输协议:TCP协议,一般用于传输非实时数据。第一节工业以太网系统应用软件TCP协议UDP协议其他协议IP协议IPMP协议Ethernet网络TCP/IP协议总体构成第一节工业以太网报文冗余处理网络1#传输链路网络2#传输链路冗余处理报文源站点目标站点冗余链路数据传输处理示意图第一节工业以太网系统应用软件信息传输双重化处理TCP/IP802.2802.3CSMA/CDEthernet网络适配器TCP/IP802.2802.3CSMA/CDEthernet网络适配器逻辑链路控制层(LLC)介质访问控制层传输层链路层物理层双重化网络的层次模型第一节工业以太网基于TCP/IP协议的解析TCP/IP协议TCP/IP采用分层结构,分为网络接口层、互联网络层、传输层和应用层,如图所示。传输层在TCP/IP模型中位于互联网层之上,应用层这下。它的功能是使源和目的端主机上的对等这体进行会话。第一节工业以太网TCP/IP协议体系结构图各种应用层协议(TELNET,FTP,SMTP等)TCP,UDPIPICMPRARPARP各种网络接口物理硬件应用层传输层网络层网络接口层第一节工业以太网TCP/IP协议网际协议(IP)IP提供不可靠、无连接的数据报传送服务。不可靠(unreliable)的意思是它不能保证IP数据报能成功地到达目的地，它仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区，IP有一个简单的错误处理算法:丢弃该数据报，然后发送ICMP消息报给信源端。第一节工业以太网TCP/IP协议IP数据报格式如图，普通的IP首部长为20字节，除非含有选项字段，它的最高位在左边，记为0bit;最低位在右边，记为3lbit。4字节的32bit值传输，首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后24～31bit。这种传输次序称作bigendian字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。以其他形式存储的二进制整数的机器则必须在传输数据之前把首部转换成网络字节序。第一节工业以太网IP数据报格式及首部中的各字段4位版本4位首部长度8位服务类型16位总长度(字节数)16位标识3位标志13位片偏移16位首部校验和8位协议8位生存时间32位源IP地址32位目的IP地址选项(如果有)数据015163120字节第一节工业以太网TCP/IP协议传输控制协议(TCP)TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。面向连接意味着两个使用TCP的应用(通常是一个客户和一个服务器)，在彼此交换数据之前必须先建立TCP连接。第一节工业以太网TCP/IP协议在一个TCP连接中通过以下方式提供可靠性:1.应用数据被分割成TCP认为最适合发送的数据块。这和UDP完全不同，应用程序产生的数据报长度将保持不变。由TCP传递给IP的信息单位称为报文段或段。2.当TCP发出一个段后，它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发这个报文段。3.当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒。第一节工业以太网TCP/IP协议4.TCP将保持它的首部和数据的检验和。这是一个端到端的检验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的检验和有差错，TCP将丢弃这个报文端和不确认收到此报文段(希望发端超时并重发)。5.既然TCP报文段作为IP数据报来传输，而IP数据报的到达可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序。如果必要，TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据以正确的顺序交给应用层。6.既然IP数据报会发生重复，TCP的接收端必须丢弃重复的数据。第一节工业以太网TCP数据在IP数据报中的封装IP首部TCP首部TCP数据TCP报文段IP数据报第一节工业以太网TCP数据报16位源端口号16位目的端口号32位序号32位确认序号16位窗口大小标志(6位)保留(6位)4位首部长度16位校验和16位紧急指针选项数据0151631TCP包首部第一节工业以太网TCP/IP协议以太网络上的TCP数据封装EthernetHeaderIPHeaderTCPHeaderApplicationHeaderUserDataIPHeaderTCPHeaderApplicationHeaderUserDataTCPHeaderApplicationHeaderUserDataApplicationHeaderUserDataUserDataEthernetTransfer46to1500ByteEthernetFrame14Byte20ByteVariableLength4Byte20ByteApplicationTCPIPEthernetDriverApplicationMessageTCPSegmentIPDatagram(Packet)第一节工业以太网TCP/IP协议从图中可以看到,应用程序模块在应用报文中对用户数据进行封装,程序设计决定程序是否使用应用报文。在许多情况下,程序使用像TCP这样的网络协议格式化用户数据,TCP模块把应用数据格式化为TCP段,TCP段包括应用数据和协议要求的TCP头信息,应用数据包括应用头和用户数据。第一节工业以太网TCP/IP协议连接的建立和拆除为了建立一条TCP连接必须:1)请求端(通常称为客户)发送一个同步序号标志(CSYN)指明打算连接的服务器的端口，以及初始序号(ISN)，这个SYN段为报文段1;2)服务器发回包含服务器的初始序号的SYN报文段(报文段2)作为应答。同时，将确认序号设置为客户的ISN加1以对客户的SYN报文段进行确认。一个SYN将占用一个序号;3）客户必须将确认序号设置为服务器的ISN加1以对服务器的SYN报文段进行确认(报文段3)。第一节工业以太网TCP三次握手CP(初始序号=X)第一次CC(初始序号=Y，确认=X)DATA(序号=X)确认=Y第二次第三次CP(初始序号=X)CC(初始序号=Y，确认=X)DATA(序号=X)确认=Y第一节工业以太网连接建立与终止的时间系列SYN1415531521:14155321(0)mss1024SYN1823083521:1823083521(0)Ack1415531522,mss1024Ack1823083522FIN1415531522:1415531522(0)Ack1823083522Ack1415531523FIN1823083522:1823083522(0)Ack1415531523Ack1823083523报文1报文2报文3报文4报文5报文6报文7第一节工业以太网连接终止期报文段的正常交换FINFIN的ack应用程序关闭向应用程序交付EOFFINFIN的ack客户服务器