控制网络系统的构建与实现.ppt

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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,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。

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。

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及其特点,以太控制网络系统的特点：

（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IEEE802.3、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。

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065511B。

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。

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：

06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。

采用虚拟局域网（VLAN）技术,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,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置路由访问列表，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。

由主站统一编址。

驱动器、传感器、执行机构等现场设备：

由主站在线完成系统配置、参数修改、数据交换等功能。

控制系统配置形式：

1、根据现场设备是否具备Profibus接口分总线接口型：

现场设备不具备Profibus接口，采用分散式I/O作为总线接口。

单一总线型：

现场设备都具备Profibus接口，可实现完全的分布式结构。

混合型：

现场设备部分具备Profibus接口，可采用现场设备与分散式I/O混合使用的方法。

2、根据实际应用需要及经费情况分结构类型1：

以PLC或控制器作为一类主站，不设监控站。

结构类型2：

以PLC或控制器作为一类主站，监控站通过串行口与PLC一对一地连接。

监控站不在Profibus网上，不是二类主站。

结构类型3：

以PLC或其他控制器作为一类主站，监控站（二类主站）连接在Profibus总线上。

结构类型4：

PC加Profibus网卡作为一类主站，监控站与一类主站一体化。

PC故障将导致整个网络瘫痪。

结构类型5：

采用PCProfibus网卡SOFTPLC的结构形式。

结构类型6：

SOFTPLC的软件产品，形成一个PLC与监控站一体化的控制器工作站。

结构类型7：

使用两级网络结构，易于拓展,构建系统应考虑的问题：

1、关于底层设备现场被控设备是否分散？

关键问题系统对底层设备是否有信息集成要求？

系统对底层设备是否有较高的远程诊断、故障报警及参数化要求？

2、系统实时性要求实时性：

现场设备的通信数据更新速率快速互锁控制、故障保护及闭环控制对系统的实时性有要求。

影响系统实时性的因素：

数据传输速率高数据传输量小从站数目少主站数据处理速度快,单机控制I/O方式在一条总线上的设备主站设计原理3、采用什么样的系统结构配置在系统结构形式方面需考虑的问题：

该如何分层？

从站应该采取怎样的形式？

需要多少？

分布如何？

设备如何连接？

应根据现场设备的地理分布进行分组，并确定从站个数及从站功能的划分。

主站应该采取怎样的形式？

需要考虑从站的数据量、分布情况及主站设备的连接。

选型选择DP、PA或FMS确定现场总线数据传输速率车间级监控及监控站,主站形式4、与车间自动化系统或全厂自动化系统的连接是否需要车间级监控，若需要留出接口设备层数据如何进入车间管理层数据库？

系统配置及设备选型选择PLC作一类主站有以下几种形式：

1、CPU带内置Profibus接口2、Profibus通信处理器CPU不带Profibus接口，需要配置以下的通信处理器模块：

IM308-C接口模板CP5431FMS/DP通信处理器CP342-5通信处理器CP443-5通信处理器IF964-DP接口子模块,3、选择PC加网卡作为一类主站软件功能决定PC作为一类或二类主站CP5411、CP5511、CP5611网卡CP5X11自身不带微处理器，可运行多种软件包，具有以下功能：

DP功能：

一类主站，可连接DP分散型I/O设备。

S7Function：

实现SIMATICS7设备之间的通信支持SEND/RECEIVE功能PGFunction：

使用STEP7PG/PC支持MPI。

CP5412通信处理器从站的选取：

在满足现场设备控制需要的前提下再考虑Profibus接口问题。

不具备接口可考虑分散式I/O方案。

4、DP/PA耦合器任务：

将数据格式从异步（11位）转为同步（8位），将传输速率从45.45kbit/s转换为31.25kbit/s。

分为两类：

非Ex型：

可供31台现场仪表使用，最大输出电流400mAEx型：

可供10台现场仪表使用，最大输出电流100mA，经过防爆型认证。

特征：

DP和PA之间电位隔离；LED显示诊断；DP总线上的波特率为45.45kbit/sPA总线上的波特率为31.25kbit/s,5、DP/PA链接器最多由5个类型相同的DP/PA耦合器组成，通过一块主板作为一个工作站连接到DP上，主板既是上位DP的一个从站，又是下位PA的一个主站。

带仪表不超过31台，用于总线循环时间要求很高和设备数量较多的场合。

特征与DP/PA耦合器类似，不同在于DP的波特率最大为12Mbit/s。

与Profibus有关的软件,系统启动前先要进行站点配置和参数化工作。

支持软件有两种：

STEP7，用于SIMATICS7，集成了其主要设备的所有Profibus通信功能。

COMProfibus参数化软件，用于SIMATICS7及PC网卡，完成参数化配置。

1、远程I/O从站配置Profibus参数配置：

站点，数据传输速率远程I/O从站硬件配置：

电源、通信适配器、I/O模块远程I/O从站I/O模块的地址分配主从站传输的输入/输出的字/字节数及通信映像区地址。

设定故障模式。

2、系统诊断在线监测故障定位读取故障提示信息3、第三方设备集成及GSD文件得到第三方设备GSD文件复制到STEP7或COMProfibus指定目录完成配置及参数化工作4、STEP7编程软件为开发提供了各种工具：

SIMATIC管理器符号编辑器：

定义符号名称、数据类型和全局变量的注释硬件组态：

系统组态和各种模板的参数设置通信配置：

用于MPI、ProfibusDP/FMS网络配置信息功能：

语句表、梯形图、控制系统流程图5、COMProfibus参数化软件：

主站、从站,DeviceNet现场总线网络的构建,组建基本步骤：

1、网络规划：

选择节点、电缆，布线规划2、硬件设备连接3、安装和启动网络组态工具软件4、将编程终端连接到网上，并建立通信5、节点预配置：

设置节点通信波特率（须一致）；给设备分配节点地址（不允许重复）6、配置DeviceNet设备参数：

设备的I/O数据触发方式、I/O报文的大小及设备本身的运行参数配置7、保存配置参数：

下载到节点设备和DeviceNet扫描器中，保存到网络组态工具软件的配置文件中（用于离线查看）,ControlNet现场总线网络的构建,组建基本步骤：

1、网络规划：

选择节点、电缆，布线规划2、硬件设备连接3、安装和启动网络组态工具软件4、将编程终端连接到网上，并建立通信5、节点预配置：

设置节点通信波特率（5Mbit/s）；给设备分配节点地址（不允许重复），地址应连续，信息优先级高的设备节点地址应尽量小。

6、配置ControlNet设备参数和网络参数：

预定I/O数据传输、非预定数据传输及设备本身的运行参数配置，合理配置网络刷新时间7、保存配置参数,基于Ethernet/IP的工业以太网组网,1、系统规划规划流程：

确定应用需求给出初步的系统方案预测系统性能满足应用要求下一步不满足修改重新预测满足为止性能预测内容：

预测应用对带宽的要求预测在隐式连接中，I/O数据输入/输出的最大时间间隔取决于RPI，即数据对发送频率的要求系统带宽一般都能满足要求，瓶颈通常在Ethernet/IP扫描器上,2、网络规划与网络安装a网络规划须获取的信息：

应用的类型，即传递的数据是实时？

非实时？

确定环境条件：

温度、湿度、振动、电磁干扰等b选择部件：

网线、连接器、集线器（一般要求使用交换机），其他设备的选择。

c根据应用需求，制定网络方案。

要考虑的问题：

确定通信波特率确定设备的摆放位置确定每个连接的距离（网段长度100m）注意网络安全d安装网络，妥善处理隔离、接地、屏蔽等问题e检查网络，解决存在的问题,3、设备配置配置方式有两种：

利用设备提供的拨码开关、跳线、拨轮等，直接在设备上进行配置在与Ethernet/IP相连的计算机上进行远程配置Ethernet/IP设备远程配置利用的是Ethernet/IP网络提供的显式通信。

Ethernet/IP设备配置软件的功能有三项：

读入EDS文件对EDS文件的内容进行解释提供参数供用户选择，将选定的参数值写入设备扫描器的配置较特殊，进行隐式通信，需要事先编辑扫描器列表，把要传输的I/O数据加入到Ethernet/IP扫描器的扫描列表中。