第九章--Rockwell三层网络体系

1CUMT一、NetLinx简介RockwellAutomation已经推出了先进的工业控制网络技术NetLinx开放网络体系结构。NetLinx体系结构包括一系列网络服务，相同的应用层协议，以及开放的软件接口，以保证高效、无缝的信息以及控制数据流。网络设计的最重要的目标，就是在同一网络上实现实时控制、系统组态以及数据采集等多种不同的功能。NetLinx体系结构包括三层开放的网络技术：DeviceNet,ControlNet和EtherNet/IP。NetLinx网络架构中三层网络技术及规范已经先后成为广泛接受的国际标准。第九章Rockwell三层网络体系2CUMT深入浅出NetLinx网络架构机械工业出版社3CUMTDeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP三层网络结构无论是单独应用其中某种网络技术，抑或结合起来应用于不同行业：DeviceNet–适用于简单智能设备，需要提供诊断能力、减少接线和安装成本，提供即插即用方案，需要密封式介质，适合于小型分组数据通讯的场合。ControlNet–如果应用的首要要求是实时数据传送，要求较高的确定性和/或介质冗余，通讯速率更高，中等大小的分组数据传送，要求可重复的规划数据，或者需要本征安全的设备时。EtherNet/IP–需要有效的工厂级管理信息通讯，要求更多的数据采集站点，需要处理大量报文数据的场合，利用成熟的技术，可以降低成本。4CUMTProfibus-PAProfibus-DP西门子以太网5CUMTCIP协议突出网络效率，可在同一介质上实现实时控制、设备组态以及数据采集等工作。控制部分用以进行实时I/O数据传送和互锁。信息处理部分用以进行报文信息的交换，如对等的通讯、报警、组态、操作员显示站以及故障诊断等。NetLinx体系结构的核心技术是：控制与信息协议（CIP，ControlandInformationProtocol）也称为通用工业协议（CommonIndustrialProtocol）。6CUMTCommonIndustrialProtocol(CIP)通用工业协议CIP包含了各种工业实时控制需要的服务和行规(Profiles);CIP将网络上数据按照有实时控制要求和没有实时控制要求以不同的优先等级区别对待。CIPMessageRouting,ConnectionManagementCIPDataManagementServicesExplicitMessages,I/OMessagesCIPApplicationLayerApplicationObjectLibrarySemi-conductorValvesDrivesRobotsOther通用工业协议CIP（CommonIndustrialProtocol）设备应用描述AppProfilesLay7应用层7CUMTDeviceNetSpecificationEthernet(IEEE802.3)CAN(ISO11898)ControlNetSpecificationControlNetSpecificationApplicationCIPDeviceProfilesDataLinkPhysicalNetworkTransportSessionPresentationDeviceNetSpecificationEthernetCSMA/CD(IEEE802.3)Future???InternetProtocolUDPTCPCIPEncapsulationCIPMessageRouting,ConnectionManagementCIPDataManagementServicesExplicitMessages,I/OMessagesCIPApplicationLayerApplicationObjectLibraryMotorStarterPneumaticValvesACDrivesPositionControllerOtherProfilesCIPDeviceNetEtherNet/IPControlNetCTDMA就象同一种语言让不同地区的人们能够直接进行交流，CIP让DeviceNet、ControlNet以及EtherNet/IP网络无缝集成；无须附加编程，用户即可直接从任意一点访问、组态并维护以上任意网络中的任意设备。BBDeviceNetControlNetEtherNet/IPBCIPCIPBCIPCIP对于用户而言，所有CIP工业网络是无缝集成的“一种”网络8CUMT二、控制和信息协议（CIP）控制和信息协议（CIP，ControlandInformationProtocol；也称为通用工业协议，CommonIndustrialProtocol）是一种为工业应用开发的应用层协议。DeviceNet,ControlNet和EtherNet/IP三种网络所采用。CIP是设计工业控制设备的基于对象的一种方法(例如体系结构、数据类型、服务等)，它是独立于特定网络的应用层协议，提供了访问数据和控制设备操作的服务集。9CUMT三种网络的网络模型和ISO/OSI参考模型对照EtherNet物理层ControlNet物理层DeviceNet物理层EtherNetCSMA/CDControlNetCTDMACANCSMA/NBAIPControlNet传输DeviceNet传输TCP、UDPCIP报文路由，连接管理（ConnectionManagement）CIP数据管理服务显式报文（ExplicitMessages）、I/O报文CIP应用层应用对象库半导体阀传动装置机器人其他物理层数据链路层应用层和用户层网络层传输层10CUMTDeviceNet是一种基于CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域网）的网络，除了其物理层的传输介质、收发器等是自己定义的以外，物理层的其他部分和数据链路层都采用CAN的协议。ControlNet的物理层是自己定义的，数据链路层用的是并存时间域多路存取(ConcurrentTimeDomainMultipleAccess—CTDMA)协议。EtherNet/IP是一种基于以太网技术和TCP/IP技术的工业以太网，其物理层和数据链路层用的是以太网协议，网络层和传输层用的是TCP/IP协议族种的协议。11CUMTEtherNet/IPIEC61158及IEC61784标准工业以太网UDPARPIPRARPICMPOSPFTCPFTPHTTPBOOTPDHCPOPCSNMPIGMPIGRPIEEE802.3EthernetUDPIPTCPCIPUpperLayers(Session,Presentation,Application,DeviceProfiles)DataLink&PhysicalLayersNetworkLayerTransportLayerExplicitMessagingReal-timeI/OControlEtherNet/IP=标准TCP/IP以太网+CIP12CUMT1、生产者/消费者(客户)网络模型(Producer/ConsumerModel)工业自动化网络中有两种主要的网络模型：源/目的地模型(Source/Destination)生产者/消费者(Producer/Consumer)1）源/目的地模型典型的源/目的地模型的一个数据包如下所示：13CUMT1、主/从系统：主/从是一个层次体系，系统中包含一个发起所有通信的主机，从机只能跟主机通信并且以“只答”的方式，当用于I/O信息时，这种网络就只能限于这种功能。2、点对点结构：点对点结构优于主从结构，在点对点的系统中，设备既可以发起通信，也可以回应系统中其他设备的请求。为保证节点设备都有机会发送信号到网络，大多数点对点的网络使用某种类型的令牌传递算法；但点对点网络的灵活性使得控制器之间的互锁问题更加复杂化，响应的时间随着网络的负载、需传送信息的节点与当前令牌持有者之间“距离”有很大的不定性。14CUMT“源-目的地”(Source-Destination)通讯模式：需要将单一的报文逐一传送到各个相关设备，这样的解决方案有较明显的缺点和局限性。无论对于网络还是网络设备，都占用了更多的时间和带宽，效率较低。网络节点数量、网络拓扑的变化、网络通讯任务量的变化，都会影响网络相应的时间，网络数据传送的确定性、可重复性较差。基于源/目的地的网络在把同样数据发往不同节点时都消耗了过多带宽，实现协同控制将更加困难，数据到达每个驱动器的时间是不同的。15CUMTCIP中采用了个全新的生产者/消费者网络模型。在生产者/消费者模型中，信息按内容来标识，如果一个节点要接收一个数据，仅仅需识别与此信息相连的特定的标识符，每个数据包不再需要源地址位和目标地址位。2）生产者/消费者模型16CUMT数据是按内容进行标识的，数据源只需将数据发送一次。许多需用此数据的节点通过在网上同时识别这个标识符，可同时从同一生产者取用此消费同一数据。消费者节点之间可实现精确的同步，而且提高了带宽的有效使用率，其他的设备加入网络后并不增加网络负载，因为它们同样可以消费这些相同的信息。当节点发送多个数据组时，对每个数据组使用不同的标识符。工作原理17CUMT例如：一间房间内有20个人，把当前的时间通知给其中数人。源/目的模式中，时间信息被逐个告知室内每个人，其中有的人可选择听，另一些人则选择不听。在信息的逐个传输过程中，时间已发生变化，因此数据在传给第一个人以后就变得不准确了。当室内人数增加时，通信时间也就增加了。生产者/客户模式中，时间信息被同时告知室内20人，所有人同时听到，有些人需要则听，其他则选择不听。这样就不会出现信息失真的现象，室内人数的增减也不会影响通信时间和效率，因而保证了高效率和高确定性。18CUMT一个使用生产者／消费者模型示例。驱动器1驱动器2驱动器3latigid传感器控制器2#1人机界面设备#219CUMT2、显性报文和I/O报文(ExlicitandI/Omessaging)CIP协议可以传输多种类型的数据，CIP根据所传输的数据对传输服务质量要求的不同，把报文分为两种：显性报文和I/O报文工厂控制层网络传送：（1）一般的计算机通信网络中需传送的报文（2）传送实时的输入/输出(I/O)控制信息及整个控制系统中各控制器互锁信息等。20CUMT显性报文用来上载和下载程序，修改设备组态，记载数据日志，作趋势分析和诊断等功能。这种类型的报文在数据量的大小和使用频率上都是非常不确定的。I/O报文I/O报文在本质上是隐性的(Implicit)，也称为隐性报文。它是数据域中常不包括协议信息，仅仅是实时的I/O控制数据，这些数据的含义是预定义的。在节点中对处理这些数据所需的时间大大减小。这种类型的报文而必须引入的附加量(overhead)小，数据短，使用频率一致，并且需要高的性能：对I/O报文传送的可靠性，送达时间的确定性及可重复性有很高的要求。21CUMT3、I/O触发机制CIP支持多种I/O数据触发方式。除了传统的轮询方法外，CIP还允许用两种新的功能的I/O触发方法：状态改变发送(Change-of-State)和周期I/O发送(Cyclic)（1）轮询轮询是从源/目的地模型产生的，它本质上是一种两个报文的双向处理(发送方输出数据命令，接收节点收到后作出响应并把反应送回)，往往用在主机到它的从机之间。许多轮询周期充满了相同的输入和输出数据，这些冗余的数据浪费了大量网络带宽。22CUMT（2）状态改变(基于事件)触发机制状态改变(基于事件)触发机制的系统中，仅当数据改变时节点发送数据，并同时发送给所有需要该数据的节点，没有轮询周期带来的延迟。同时一个作为背景的心跳(heart-beat)信息可以周期地发送，消费者可用它来辨别设备是状态没有改变还是设备不在线(离线)。采用状态改变触发机制可