罗克韦尔PLC通信技术及.ppt

第7章 罗克韦尔PLC通信技术及网络架构,7.1 罗克韦尔集成通信网络架构,7.2 NetLinx开放网络体系,7.3 设备网（DeviceNet）,7.4 控制网（ControlNet）,7.5 工业以太网通信技术,7.6 DH+网络,7.7 DH-485网络,7.8 PROFIBUS通信技术,7.9 网络体系结构的安全分析,7.1 罗克韦尔集成通信网络架构,罗克韦尔PLC自动化集成通信网络架构主要包括Logix控制平台、NetLinx开放网络体系、可视化平台、FactoryTalk企业级数据通信服务等。Logix控制平台提供种类丰富、各种功能的PLC控制器。可以根据实际应用系统的需要选择经济、实用的PLC控制器。NetLinx开放网络体系是整个系统数据传输的基础。可视化平台便于系统使用，提供统一的可扩展解决方案，加快了系统开发，降低了使用成本。FactoryTalk是一系列嵌入集成架构各个组件中的企业级数据通信服务，可以简化数据生成、传输和使用过程。,7.1 罗克韦尔集成通信网络架构,例如，食品加工生产线自动化的传统解决方案中，独立的网络会受限制于传输性能、通信距离、网络节点数等。根据工艺的要求，通常使用一个集中的控制柜，铺设多条网络线路，如图7-1所示。,7.1 罗克韦尔集成通信网络架构,配置多个DeviceNet网络，可以减少每个网络的节点数目，然后使用ControlNet将这些网络连接起来，不仅可以缩短数据采样周期，提高控制精度，而且可以有效节省工程投资，如图7-2所示。,7.2 NetLinx开放网络体系,1NetLinx开放网络体系概述罗克韦尔的NetLinx是一种以三层工业控制网络为平台的新型网络体系结构，是一个开放式的网络体系，包括信息管理层、数据控制层和现场设备层。它不是单一的网络，而是一种特定的、混合的网络体系结构，如图7-3所示。,7.2 NetLinx开放网络体系,NetLinx是工业通信的枢纽，为所有的罗克韦尔软件提供完整的驱动程序。整个系统结构如图7-4所示。,7.2 NetLinx开放网络体系,NetLinx的三个核心元素是采集、组态、控制，通过生产者/消费者模式连接起来，主要用于信息采集、I/O数据交换、控制操作等，如图7-5所示。,7.2 NetLinx开放网络体系,NetLink网络体系就是实现这些应用的物理网络体系，如图7-6所示。,7.2 NetLinx开放网络体系,CIP的网络功能与介质无关，主要包括对象建模、信息协议、通信对象、对象库、设备描述、设备配置方法、数据管理等。其中，控制协议主要适用于实时I/O的隐式报文传输，信息协议主要适用于组态、数据采集、诊断等显式报文传输。CIP为NetLinx开放式网络体系提供公共的应用层和设备描述，如图7-7所示。,7.2 NetLinx开放网络体系,2NetLink的基本功能（1）数据采集用户可以根据实际控制系统的需要，以固定的时间间隔或在任何需要的时候实现数据采集，数据通过人机接口显示。（2）实时控制基于控制器或智能设备内存储的组态信息，进行数据交换，实现实时控制。可以对单独的设备选择I/O刷新频率，可以共享输入数据，可以实现控制器的互锁和对等报文通信等。（3）网络组态在NetLink网络体系，既可以对同层网络进行组态，也可以实现上层网络对下层网络的组态。,7.2 NetLinx开放网络体系,3网络中设备的连接形式（1）点对点连接形式（2）多点传输连接形式（3）广播形式4分级形式（1）一主多从（2）多主多从（3）同级对等5I/O数据交换模式（1）轮流检测模式（Polling模式）（2）循环刷新模式（Cyclic模式）（3）状态改变模式（COS模式）,7.3 设备网（DeviceNet）,1DeviceNet的技术特点和应用范围（1）DeviceNet的技术特点系统安装、调试、接线简单；可同时支持标准设备和智能设备；可为系统提供重要的设备级诊断功能；可以在计算机或设备上进行组态；支持网络供电（传感器）和自身供电（执行器）的设备；支持设备带电插拔或更换，可即插即用，而不会中断网络连接；支持控制数据实时交换；可兼容多厂商设备。（2）DeviceNet的应用范围需要大量硬接线的应用项目；有大量设备连接到多点I/O模块（分布式或机架式）的应用项目；要求快速启动的应用项目；数据信息中使用多个短小简单数据包的应用项目；需要大量设备级预测诊断功能的应用项目；具有多个小型设备并且设备之间的距离都很远的应用项目。,7.3 设备网（DeviceNet）,2DeviceNet的拓扑结构和传输介质DeviceNet网络是一种方便地连接现场设备的网络，它的拓扑结构是比较自由的，通常由主干线及分支线组成。其拓扑结构如图7-8所示。,7.3 设备网（DeviceNet）,DeviceNet的电缆结构如图7-9所示。,7.3 设备网（DeviceNet）,不同的电缆，在不同的网络速率下，干线、支线累积长度的最长距离是不同的，分别如表7-1、表7-2和表7-3所示。根据下列情况，计算DeviceNet主干线长度。情况一，如图7-10所示。,7.3 设备网（DeviceNet）,情况二，如图7-11所示。,7.3 设备网（DeviceNet）,情况三，如图7-12所示。,7.3 设备网（DeviceNet）,设备网上的典型设备（如传感器、接触器、开关、按钮、操作界面、变频器等）如图7-13所示。,7.3 设备网（DeviceNet）,3DeviceNet的网络系统设计（1）网络电源设计DeviceNet的电源连接如图7-14所示。,7.3 设备网（DeviceNet）,当连接两个以上电源时，电源地线要连接在一起，且唯一接地，而电源的正极端子一定要断开，如图7-15所示。,7.3 设备网（DeviceNet）,（2）共模电压漂移共模电压是同时加在电压两测量端和规定公共端之间的输入电压。从DeviceNet网络主干线的电源中取用的电流与网络主干线的长度直接影响共模电压的漂移。（3）DeviceNet网络设计注意点 终端电阻分别连接在主干线的末端；网络接地有唯一接地点；主干线、支线的总长度不能超出波特率允许范围；主干线为直线拓扑结构；扫描器分配的站点编号为0号；站点编号的使用不超过61号，62号预留给组态终端，63号预留给新设备；支线长度不能超过6m；满负荷时，网络末端的共模电压达到技术性能要求。,7.3 设备网（DeviceNet）,4DeviceNet网络的数据传输（1）DeviceNet的CAN技术电压与时间的波形如图7-16所示。,7.3 设备网（DeviceNet）,（2）网络的电压和负载电阻CAN网络信号在电压允许范围内，是信号正确的保证。网络的CAN-H（白线）和CAN-L（蓝线）的电压值是相对于V-（黑线）的，CAN-H的信号在2.5V DC（隐性状态）和4.0V DC（显性状态）之间波动；CAN-L的信号在1.5V DC（显性状态）和2.5V DC（隐性状态）之间波动。（3）DeviceNet的电平和信号DeviceNet网络上CAN信号传输的物理状态为方波信号，并且有特定的电平范围，如图7-17所示。,7.3 设备网（DeviceNet）,（4）DeviceNet网络数据包结构数据包的格式如图7-18所示。,7.3 设备网（DeviceNet）,（5）DeviceNet网络标识符结构DeviceNet CAN标识符是11位的结构，是信息类型的识别符。信息类型分为4个组，各有不同的信息来源和执行的优先级别。DeviceNet CAN标识符分组信息结构如表7-4所示。,DeviceNet CAN标识符详细信息内容如表7-5所示。,7.3 设备网（DeviceNet）,（6）DeviceNet报文仲裁机制DeviceNet每个数据包最多只能传送8B数据，如果请求传送的数据块多于8B，必须分包传送。分包传送的每个数据包的有效数据只有7B，开头的字节将作为分包的标识。例如，要传送的数据包为01 02 03 04 05 06 07 08 09 11 22 33 44 55 08 09 11 22 33 44 55 66 77 88 99，分包后的数据包如图7-19所示。,7.4 控制网（ControlNet）,1ControlNet的技术特点高速的I/O控制采集和对等通信网络；高效的网络能力；主干网上的设备无物理安装位置限制；同一网络上可支持99个节点；灵活的控制系统结构，网络可从任何一个节点接入；简单的用户配置，用户可选控制和I/O更新速率，且节点的增减不影响更新速率；开放的网络。,7.4 控制网（ControlNet）,2ControlNet的拓扑结构和传输介质ControlNet的拓扑结构如图7-20所示。,7.4 控制网（ControlNet）,ControlNet网络介质如图7-21所示。,7.4 控制网（ControlNet）,分接器的外形如图7-22所示。,7.4 控制网（ControlNet）,控制网上的典型设备，如逻辑控制器、I/O设备、运动控制、变频器、过程控制设备、网关等设备，如图7-23所示。,7.4 控制网（ControlNet）,一个网段的主干线电缆长度最长可达1000m，此时限连接2个节点；一个网段最多可有48个节点，此时电缆长度限为250m，这是限量的两种极端情形。网段同轴电缆的长度随着节点个数的增加而缩短，每增加一个站点，电缆的长度大约缩短16m，其线性规律关系如图7-24所示。,7.4 控制网（ControlNet）,ControlNet的主干电缆网段主要由同轴干线电缆、分接器隔离、终端电阻组成。网络限量的原因主要是信号衰减，这3部分都会出现信号衰减：ControlNet可允许的网络信号衰减；电缆长度引起的信号衰减；分接器引起的信号衰减。如图7-25所示。,7.4 控制网（ControlNet）,ControlNet可构建冗余网络，如图7-26所示。,7.4 控制网（ControlNet）,3ControlNet的网络信号交换机制ControlNet网络传递的是方波信号，其幅值为0.51mV8.2V，脉宽为80120ns。信号从一个站点传输到另一个站点，物理传输所经历的介质会产生硬件延时，这个延时时间称为Slot Time。任意两个站点之间总的延时时间不能超过最大传播延时时间121s。如果是冗余网络，不但需要分别计算通道A和通道B的延时时间，还要计算两个通道的时间差值，差值一般不能超过6.4s。,7.4 控制网（ControlNet）,4ControlNet的协议分层结构ControlNet的协议分层结构如图7-27所示。,7.4 控制网（ControlNet）,5ControlNet网络数据包结构ControlNet的网络数据包结构如图7-28所示。,7.4 控制网（ControlNet）,例如，在ControlNet网络上，有1个数据生产者和3个数据消费者，如图7-29所示。,7.4 控制网（ControlNet）,图7-29中，3个数据消费者过滤和丢弃数据包的过程如图7-30所示。,7.4 控制网（ControlNet）,6网络刷新时间（NUT）ControlNet系统把每个NUT划分为3个主要组成部分：预定部分、非预定部分、网络维护部分，如图7-31所示。,7.4 控制网（ControlNet）,（1）预定部分预定部分的数据刷新机制如图7-32所示。,7.4 控制网（ControlNet）,（2）非预定部分非预定部分的数据刷新机制如图7-33所示。,7.4 控制网（ControlNet）,（3）网络维护部分网络维护部分即网络操作时间。当维护时段到来时，所有节点停止发送数据。如果一个节点不能在维护时段开始前完成数据的发送，在该节点不能再发送数据。在维护时段内，具有最小MAC ID的节点，即协调节点（Moderator）发送一个维护数据报文（协调帧）完成网络上每个节点的NUT定时器的同步和网络维护数据参数等。,7.5 工业以太网通信技术,1以太网简介以太网是最早的局域网，也是当前最流行的局域网。以太网最初的原型来自夏威夷大学的ALOHA网络。1973年，Xerox Palo Alto研究中心的研究人员Robert Metcalfe和David Boggs等人在ALOHA网络的基础上，采用CSMA/CD算法，设计了通信速率达2.94Mbps的网络系统用做Alto工作站之间的互联网络，这个网络系统的成功设计引起了广泛关注。,7.5 工业以太网通信技术,2工业以太网工业网络必须反应灵活并能在短时间内满足控制要求，必须确保网络的容量和最大限度地使用其机器及设备，将停机时间减少到最小。所有的生产过程和管理进程必须互动。这就要求在自动化和信息技术领域中使用的工业网络必须满足以下前提条件：从传感器/执行器层到工厂管理层传送连续的信息流；整个网络每个站点的信息有效性；在工厂部门间实现数据快速交换。,7.5 工业以太网通信技术,3工业以太网应用机制（1）交换技术（Switch）（2）自适应功能（Auto Sensing）（3）自动协商功能（4）冗余技术（Redundancy）4工业以太网的发展趋势随着工业以太网技术的高速发展，目前其市场占有率已高达80%。,7.5 工业以太网通信技术,5工业以太网的常用拓扑结构（1）总线型拓扑结构总线结构的特点是：结构简单，实现容易，易于扩展，可靠性较好，总线不封闭，便于增加或减少节点。总线网络结构通常会采用冗余总线技术来确保通信总线可靠工作。另外，总线型结构的故障诊断、隔离较为困难，接入节点数有限，通信的实时性较差。总线型结构如图7-34所示。,7.5 工业以太网通信技术,为了提高可靠性，可采用双环或多环等冗余措施。环型结构如图7-35所示。,7.5 工业以太网通信技术,6通信物理介质（1）双绞线（Twisted Pair）双绞线常用于局域网的布线，当选择适当的材料、长度及传输技术时，短距离内数据传输率可以达到10100Mbps。双绞线的优点是价格便宜、使用方面、易于安装，而其主要的缺点是抗高频干扰的能力较低。双绞线的示意图如图7-36所示。,7.5 工业以太网通信技术,（2）同轴电缆（Coaxial Cable）同轴电缆是由轴心的内导体芯线、绝缘层、网状外层导体屏蔽层和塑料外层护套组成的。同轴电缆的示意图如图7-37所示。,7.5 工业以太网通信技术,（3）光纤（Fiber）光纤是以光脉冲的形式传输信号的一种通信介质，材质以石英玻璃或有机玻璃为主，它由纤芯、包层和护套组成。光纤的示意图如图7-38所示。,7.6 DH+网络,DH+链的连接方式通常有两种：雏菊链和主干/支干方式。不同通信速率下的网络长度如表7-6所示。,7.6 DH+网络,在ControlLogix PLC系统中，可以使用1756-DHRIO模块实现DH+信息传输。不同网络之间的DH+信息传输如图7-39所示。,7.7 DH-485网络,DH-485网络是一种高速确定性的工业局域网络（LAN），对信息传输有苛刻的时间要求，主要设计用于工厂级的应用。DH-485网络以电子工业协会（EIA）RS-485标准为基础，使用RS-485半双工作为物理接口，辅助RS-232-C（DF1协议）链路连接节点设备，使用AIC+高级接口转换器，将设备的RS-232通信口电信号转换为RS-485电信号，实现多台设备间的数据共享，从而构成DH-485网络。,7.8 PROFIBUS通信技术,1PROFIBUS简介IEC对现场总线（Field Bus）的定义是：“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。”常用的现场总线主要有基金会现场总线FF（Foundation Field Bus）、过程现场总线PROFIBUS、控制器区域网络CAN（Controller Area Network）。2001年，批准成为中国的行业标准JB/T 10308.3-2001。IEC 61158最后容纳了8种互不兼容的协议，如下所示。类型1：原IEC 61158技术报告，即现场总线基金会（FF）的H1。类型2：Control Net（美国Rockwell公司支持）。类型3：PROFIBUS（德国SIEMENS公司支持）。类型4：P-Net（丹麦Process Data公司支持）。类型5：FF的HSE（原FF的H2，高速以太网，美国FisherRosemount公司支持）。类型6：Swift Net（美国波音公司支持）。类型7：WorldFIP（法国Alstom公司支持）。类型8：Interbus（德国Phoenix contact公司支持）。,7.8 PROFIBUS通信技术,2PROFIBUS协议结构PROFIBUS协议以ISO/OSI参考模型为基础，协议结构如图7-40所示。,7.8 PROFIBUS通信技术,作为一种高效、快速的通信协议，PROFIBUS使用了第1层（物理层）、第2层（数据链路层）及第7层（应用层），而第36层没有使用。正是这种简化的结构确保了协议能够快速、高效地进行数据传输。PROFIBUS互连模型如图7-41所示。,7.8 PROFIBUS通信技术,典型的PROFIBUS-DP总线配置以此种总线存取程序为基础，一个主站轮询多个从站，如图7-42所示。,7.8 PROFIBUS通信技术,3PROFIBUS介质存取协议PROFIBUS通信规程采用了统一的介质存取协议，此协议由OSI参考模型的第2层来实现。在进行PROFIBUS协议的设计时必须考虑满足介质存取控制的以下两个要求：在主站间通信时，必须保证在正确的时间间隔内，每个主站都有足够的时间完成其通信任务。在PLC与从站之间通信时，必须快速、简捷地完成循环，实时地进行数据传输。,7.9 网络体系结构的安全分析,1PLC网络结构当前PLC生产厂家已开发出多种网络拓扑结构、传输介质访问控制方式、通信介质的PLC网络，PLC及PLC构成的网络在工厂自动化系统的各个层面都发挥着作用。并且，自动化系统和企业管理经营系统相结合，形成如图7-43所示的金字塔结构。,7.9 网络体系结构的安全分析,2网络体系安全分析在罗克韦尔PLC自动化集成通信网络架构的体系结构中，传输数据的安全风险主要包括以下几类。（1）数据窃听（2）密码破译（3）数据改变（4）数据包重发（5）SYN（Synchronize）攻击（6）端口溢出上述问题的解决方案主要包括以下几种。（1）基于防火墙的解决方案（2）基于特殊加密的解决方案（3）基于自动化单元内部的风险解决方案,