通用工业协议(CIP).ppt

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1、Common Industrial Protocol 通用工业协议（CIP）,第十章,主 要 内 容,10.1 CIP协议简介10.2 CIP的特点10.3 CIP的对象模型10.4 CIP的设备描述10.5 DeviceNet现场总线10.6 ControlNet现场总线,主 要 内 容,10.1 CIP协议简介10.2 CIP的特点10.3 CIP的对象模型10.4 CIP的设备描述10.5 DeviceNet现场总线10.6 ControlNet现场总线,10.1 CIP协议简介,ODVA（Open DeviceNet Vendor Association）和CI（ControlNet

2、International）两大工业网络组织汇聚了全球范围内众多的、领先的工业自动化公司。ODVA和CI已经正式签署协议，共同推动基于CIP（通用工业协议）的工业网络，包括：EtherNet/IPControlNetDeviceNet,以太网,控制网,设备网,10.1 CIP协议简介,Common Industrial Protocol(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。,CIP Message Routing,Connection Management,CIP

3、 Data Management ServicesExplicit Messages,I/O Messages,CIP Application Layer Application Object Library,Semi-conductor,Valves,Drives,Robots,Other,通用工业协议CIP（Common Industrial Protocol）,设备应用描述App Profiles,Lay 7应用层,对于用户而言，所有CIP工业网络是无缝集成的“一种”网络,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

4、/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。,B,B,DeviceNet,ControlNet,EtherNet/IP,B,CIP,CIP,B,CIP,CIP,从上图中可以看出:DeciveNet是一种基于CAN的网络，除了其物理层的传输介质、收发器是自己定义的以外，其他部分和数据链路层都采用的是CAN的协议ControlNet的物理层是自己定义的，数据链路层用的是同时间域多路访问（CTDMA）协议EtherNet/IP是一种基与以太网技术和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的协议，网络层和传输层用的是TCP/I

5、P协议族中的协议，应用层出了使用CIP之外，也可以使用TCP/IP的HTTP协议。,从上图中可以看出，这三种网络的应用层都是使用CIP协议的，相对而言，CIP网络功能强大，具有很多特性：实时性：数据传输所花的时间少。确定性：数据传输所花费的时间可预测性强。可重复性：增加或减少网络节点，对数据传输所花费的时间影响较小。可靠性：数据传输的正确率高。,从图中也可以看出，这三种网络底层采用的协议是不同的，因此每种CIP网络又有了一些新的特点，对比如下图示,表10-1 3种CIP网络对比,Adaptation and Data Link Layer,Other Networks,Application

6、Object Library,CIP Application LayerExplicit,I/O,Routing,ApplicationLayer,User Layer,PhysicalLayer,Semicon Devices,Valves,Drives,Other Profiles,DeviceNet Data Link Layer(CAN),ControlNet Data Link Layer(CTDMA),Futures,DeviceNet Physical Layer,ControlNet Physical Layer,Future(Firewire,USB,Blue Tooth),

7、DeviceNet,ControlNet,EtherNet/IP,CIP Safety提供附加措施以减少错误发生并检测相关错误,以保证通讯整体安全,采用下列方法来检测错误,CIP Safety提供附加措施以减少错误发生并检测相关错误,以保证通讯整体安全,长数据格式、多播传输、安全连接的数据格式,CIP Safety提供附加措施以减少错误发生并检测相关错误,以保证通讯整体安全,1、报文 CIP根据所传输的数据对传输服务质量要求的不同，把报文分成了两种：显式报文和隐式报文。显式报文：用于传输对时间没有苛求的数据，这种报文包含解读该报文所需要的信息。例如程序的上载下载、系统维护、故障诊断、设备配置等

8、。隐式报文：用于传输对时间有苛求的数据，这种报文不包含解读该报文所需要的信息，其含义是在网络配置时就确定好了的。例如I/O报文、实时互锁报文等。,10.2 CIP的特点,2、面向连接 CIP是一个面向连接的协议，也就是在通信开始之前必须建立起连接，获取唯一的标识符CID。建立连接时需要用到未连接报文管理器（UCMM）。根据报文的种类不同，连接也分为显式连接和隐式连接。显式连接：若节点A将与B建立显示连接，则它先以广播的方式发送一个显式连接的为连接报文，网络上所有的节点都接受到该请求，并判断是否是发给自己的，当B检测到是发给自己的后，其UCMM就会以广播的方式发送一个包含CID的未连接报文，A收

9、到后得到CID，显式连接就建立了。隐式报文：它是在网络配置时建立的，建立过程较复杂，其中需要用到多种显式报文传输服务。,10.2 CIP的特点,3、生产者/消费者模型根据所基于的模型不同，工业网络可以分为两类:基于源/目的地模型的网络 在基于源/目的地模型的网络中，每个报文都要指明源和目的地，如下图示。发送节点把报文发送到网络中，接收节点根据网络上报文的目的地址段是否与自己的地址相同来判断是否是发给自己的。该模型的网络只支持点对点通信。,基于源/目的地模型的网络报文格式,基于生产者/消费者模型的网络 在基于生产者/消费者模型的网络中，每个报文都有唯一的报文标识符（MID），格式如下图所示。在发

10、送报文之前，要在发送节点和接收节点之间建立连接，这样接收节点就知道应该接收的报文的MID是哪样的？然后发送节点把报文发送到网络上，接收节点根据报文的MID来判断是否是发给自己的。该模型的网络既支持点对点通信，也支持多播通信。,图3-41基于生产者/消费者模型的网络报文格式,传统“源/目的”通讯模式，常又称为“主/从”模式数据传输效率低,生产者/消费者通讯模式Producer/Consumer又称之为出版者/订户模式（Publisher/Subscriber）可实现点对多点Multicast、广播及轮循更高的数据传输效率,identifier,data,crc,CIP通讯模式:Producer/

11、Consumer更有效的实时工业网络通讯,1#I/O框架,N#I/O框架,输入,先进的通讯管理模式Producer/Consumer：输入模块或某一控制器数据能同时送到同一 EtherNet/IP上的多个控制器以及上位机。而在传统方式下，则需要通过主控制器先存储该输入后，再转发给其他需要的设备。,Producer/Consumer v.s 主/从 1 输入模块共享 2 控制器之间实时数据通讯,生产者/消费者模型（续）需要注意的是，CIP中仅隐式报文传输是基于生产者/消费者模型的，可以采用多播的方式，而显示报文传输都是基于源/目的地模型的。Profibus网络也是基于源/目的地模型的。,4、通信

12、模式和I/O数据触发 CIP支持多种通信模式：包括主从、多主、对等、或者这三种的任意组合。CIP支持多种I/O数据触发方式：包括位选通、轮询、状态改变和循环。通过合理的I/O数据触发方式可以提高网络的利用率。,1、对象有关的基本概念 对象，是人在其大脑中为客观世界中的某个东西建立的模型，而类是对一组对象的抽象，是这一组对象的模板，因而一个对象就是类的一个实例。对象是一些数据和操作的组合，它有属性、标识、状态、行为、方法、接口，并且通常对外提供一些服务。,10.3 CIP的对象模型,CIP“对象”技术v.s 传统设计让CIP产品开发及应用更简单,Data,Functions,Operations

13、,Object Model,Application,Application,Connection,Device#2,Device#1,ConnectionObject,ConnectionObject,ApplicationObject,ApplicationObject,2、CIP对象模型 CIP对象（如下图）可以分为：与通信有关的对象（如连接对象）与应用有关的对象（如参数对象）,图10-1 CIP对象模型（其中灰色的对象是必须的，白色的是可选的）,CIP对象模型主要实现了两个功能：一是给出了工业应用对象的标准定义，二是实现通信。在此主要讲是如何实现通信的。寻址是实现通信的前提，CIP寻址分

14、为四级：设备、类、对象、属性或服务。地址分为三类：公开的、供货商指定的和对象指定的。由于CIP的报文分为显式报文和隐式报文，所以根据通信时发送的报文类型的不同通信也分成两种:即显式通信和隐式通信。,CIP显式通信用于传输对时间没有苛求的数据，它是基于源/目的地模型的，只能用于两个节点之间的通信，客户发出请求，服务器做出响应。显式通信可以访问任何对象的任何可从外部访问的数据。,图10-2 CIP显式通信原理,CIP隐式通信用于传输对时间有苛求的数据，基于生产者/消费者模型的，可以采用多播的方式。,图10-3 CIP隐式通信原理,CIP“对象”技术编程举例,设备描述是指对某一类型设备的重要性的描述

15、。CIP提供设备描述的目的是为了使不同设备供应商提供的设备能够相互操作，即在同一个网络中运行，且同一类型的设备能够互换。CIP设备描述要给出三方面的描述:设备对象模型的定义设备I/O数据的格式设备配置的定义,10.4 CIP的设备描述,10.5.1 DeviceNet概述 DeviceNet由原AB公司、即现在的罗克韦尔自动化公司于1994年开发，1995年4月交由开放式设备网供货商协会ODVA（Open DeviceNet Vendors Association）组织和管理。ODVA是一个非盈利的独立组织，它负责DeviceNet规范的管理、修订、完善和发行，促进DeviceNet在全球的推

16、广与应用。,10.5 DeviceNet现场总线,ODVA China于2000年7月6日成立，现有会员39家，其中33家为供货商会员，6家为用户会员。DeviceNet现已成为国际标准IEC62026-3，欧洲标准EN50325，中国国家标准GB/T18858.3-2002。,DeviceNet可以用来连接低级工业设备（如传感器，变送器或电机等）和高级工业设备（如PLC和工业计算机）。DeviceNet的底层使用的是CAN总线规范。,DeviceNet是20世纪90年代中期发展起来的一种基于CAN技术的开放型、符合全球工业标准的低成本、高性能的通信网络。它通过一根电缆将PLC、传感器、光电开

17、关、操作员终端、电动机、轴承座、变频器和软启动器等现场智能设备连接起来，是分布式控制系统减少现场I/O接口和布线独立、将控制功能下载到现场设备的理想解决方案。,DeviceNet协议是一个简单、廉价而且高效的协议，适用于最低层的现场总线，DeviceNet也是一种串行通信链接，可以减少昂贵的硬接线，它所提供的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线 I/O 接口很难实现的，下图是一个典型的DeviceNet通信连接。,图10-4 DeviceNet通信连接图,采用CAN物理层和数据链路层规约，使用CAN规约芯片，得到了国际上主要芯片制造商的支持；

18、网络中最多容纳64个节点，每个节点的I/O数量不限。网络通信速率是125-500kbit/s。支持点对点、多主或主/从通信。可带点更换网络节点、在线修改网络配置。支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送。采用无损位仲裁机制实现按优先级发送信息。,DeviceNet 的技术特点,具有通信错误分级检测、故障的自动判断和恢复功能每个电源最大容量可达16A，同时支持网络供电传感器及自供电执行器设备。既适用于连接低端工业设备，又能连接复杂设备。是一种低成本、高可靠性的数据网络，具有误接线保护功能。得到众多厂商的支持，可实现不同厂商同类设备的互换,DeviceNet 的技术特点,DeviceNe

19、t是一种低端网络系统，网络解决方案简单。其设备具有互换性和互操作性，用户可对不同厂商的设备进行最佳系统集成，大大减少了系统安装、调试和接线的成本和时间。DeviceNet是一种低成本现场总线。它将可编程控制器、操作员终端、传感器、光电开关、执行机构、驱动器等现场智能设备连接成网络，省去了昂贵和繁琐的电缆硬接线。DeviceNet为系统提供了重要的设备级诊断功能，这是在传统I/O上很难实现的。DeviceNet是一个开放式网络标准，任何人都能从ODVA获得其规范，任何制造或打算制造DeviceNet产品的公司均可加入ODVA。,DeviceNet的优点,汽车工业半导体芯片制造和半导体产品制造食品

20、饮料搬运业电力系统石油化工楼宇自动化冶金制药,DeviceNet的应用行业,DeviceNet的体系结构,离散量/模拟量输入/输出设备,指示灯：状态指示,光电传感器：检测开关,操作员接口：输入操作命令,阀和交流驱动器：执行器，输出设备,变送器（传感器）：输入设备,控制器：主站、从站,人机界面：输入/输出设备参数、命令、显示,10.5.2 DeviceNet技术特性 1）DeviceNet与ISO/OSI标准参考模型 DeviceNet遵循ISO/OSI标准参考模型，如下图所示。它的网络结构分为物理层、数据链路层和应用层。物理层：与ISO/OSI的相同，主要功能是用物理传输介质为数据链路提供物理

21、连接。,图10-5 DeviceNet 与ISO/OSI标准参考模型,数据链路层：DeviceNet的数据链路层分为MAC子层和LLC字层。MAC子层的功能：传送规则、控制帧结构、仲裁和检错LLC子层的功能：报文滤波、报文处理和提供应用层借口应用层：DeviceNet的应用层主要完成建模、设备描述、对象程序及其使用和扩展功能。,2）DeviceNet总线技术简介 网络拓扑结构网络元件拓扑结构 DeviceNet是一种特别适合于工业控制底层的现场总线，其网络结构是干线-分支方式的。如下图所示。,图10-6 DeviceNet总线的拓扑结构图,终端电阻 DeviceNet要求在每条干线的末端安装终

22、端电阻，电阻的要求为：121欧，1%金属膜电阻、1/4W，终端电阻不可包含在节点中，包含在节点中后很容易使网络由于布线错误而导致网络故障。连接器 所有连接器支持5针类，即一对信号线、一对电源线和一根屏蔽线。设备分接头 设备端子提供连接到干线的连接点。,电源分接头 通过电源分接头将电源连接到干线，它包括两个部分：一个连在电源V+上的肖特二极管和两根熔丝或断路器。网络接地 DeviceNet应在一点接地，多出接地会造成接地回路，不接地会增加静电放电和外部噪声的敏感度 临时终端支持 临时终端支持允许在带电状态下拔出或插入终端电缆。物理层信号 DeviceNet的物理层信号采用的是CAN的物理层信号。

23、,对象建模与对象编址 DeviceNet使用抽象的对象建模描述使用通信服务系列、DeviceNet节点的外部可视行为以及DeviceNet产品中存取及交换信息的通用方式。DeviceNet节点使用一个对象的稽核建立模型。对象编址指的是在DeviceNet上对节点、类、实例、属性、服务等分配编址值。寻址范围包括三个部分：开放部分制造商专用对象类专用,生产者/消费者网络模型 DeviceNet采用的是生产者/消费者模型，生产者是发送数据的节点设备，消费者是指接受数据的节点设备，每个节点都可以配置为生产者、消费者或者两者都是。在生产者/消费者模型下，当一个设备欲给其它多个设备发送同一信息时只需发送一

24、次就都可以收到。网络访问状态机制和指示灯 网络访问状态机制贯穿整个DeviceNet规范，它优先于所有的网络通信任务，分为存在、通信错误、发送重复MAC ID 检测请求报文、等待重复MAC ID 检测报文和在线几个部分。指示灯是DeviceNet的可选部分，可以帮助维修人员快速地识别设备的运行和出错状态。,DeviceNet使用的数据帧和出错帧格式 CAN的MAC子层中定义了4中帧格式，而DeviceNet并没有全部使用，只是用了数据帧来传输数据和错误帧来处理以外情况和错误。,DeviceNet的出错帧包括两个场：第一个场由来自不同节点的错误标志叠加给出，第二个场为错误定界符。,图10-7 D

25、eviceNet数据帧的格式,DeviceNet的连接和报文组 DeviceNet是基于“连接”的网络，节点在开始通信之前要先建立连接，DeviceNet不仅允许预先设置或取消连接，而且允许动态建立或撤销连接。这个连接使用一系列的参数和属性来描述，如连接标识符、传送报文的类型、数据长度等。并使用连接将优先级不同的报文分为四组。在DeviceNet中每个连接使用一个11bit的连接标识符（CID）来标识，它包括媒体访问控制标识符（MAC ID）和报文标识符（报文ID）。MAC ID是分配给DeviceNet中节点的一个整数值，用来标识该节点。报文ID用于标识一个连接所使用的通信通道。,Devic

26、eNet的报文 DeviceNet定义了两种报文：I/O报文和显式报文。I/O报文：适用于实时性较高和面向控制的数据，它提供了在报文发送过程和多个报文接收过程之间的专用通信路径。它通常使用的是高优先级的连接标识符。显式报文：适用于设备设备间多用途的点对点报文传递，是典型的请求/响应通信方式，常用于程序的上/下载、修改设备组态、机载数据日志中。需要注意的是如果显式报文的长度大于8B，则必须在DeviceNet上以分段方式传输。,DeviceNet对象模型 DeviceNet使用抽象的对象模型来表示如何建立和管理设备的特性和通信关系。DeviceNet的节点被模型化为对象的集合 DeviceNet

27、的每个设备都包括与通信有关的对象和与应用有关的对象两部分。按照组件每个设备又可分为：组件属性、服务和行为3部分，这三部分包含的对象有：,DeviceNet连接技术 DeviceNet连接建立的方式有两种：“一般模式”规则：建立的连接包括显式信息连接和动态I/O连接，它可以动态地分配和释放信道，具有较好地动态处理实时数据的优点，但建立过程较为复杂。预定义组/从连接组：它使用的是DeviceNet协议中已经定义好的信道进行连接与数据交换，这使得主/从站间的通信变得更加容易，而且该连接建立的过程容易，适用的资源少，因此可用它来构建各种DeviceNet网络。下页的示意图给出了一个连接建立的过程,图1

28、0-8 DeviceNet的连接过程示意图,10.5.3 DeviceNet现场总线和CAN现场总线 DeviceNet使用的是CAN总线的技术，下图描述的是在DeviceNet总线技术中使用CAN协议作为媒体访问控制（MAC）和物理层（PLS）的协议规范。,需要注意的是：DeviceNet总线只使用了CAN2.0种的定义，并不支持CAN2.0B中的扩展报文格式。,图3-62 二者的活动范围,10.5.4 DeviceNet产品介绍 由于DeviceNet采用的是CAN的物理层和数据链路层，所以其开发也与CAN有很大的相似，现在已经有了一些很成熟的DeviceNet产品，包括：DeviceNe

29、t扫描器或控制器DeviceNet PC通信接口卡网桥/网关及设备接口模块显示/操作员接口电动机控制设备I/O设备网络组态工具软件,10.6.1 ControlNet概述ControlNet最早由Rockwell公司于1995年10月提出。Rockwell公司等22家企业于1997年7月联合发起成立了ControlNet International组织。ControlNet是一种高速的工业控制网络，是开放、实时、具有确定性和可重复性的现场总线，也是目前世界上增长最快的工业控制网络之一。,10.6 ControlNet现场总线,ControlNet的主要应用领域对于要求确定性、可重复性、产生并传

30、输大量I/O数据、由控制器到DCS通信、连接多控制器和多人机界面的网络可提供满意的效果。汽车传输线、涂装流水线、装配线水/废水处理食品处理制药,ControlNet的优点：ControlNet是高速的控制和I/O网络，具有增强的I/O性能和点对点通信能力，支持多主方式对于离散和连续的控制场合，均具有确定性和可可复性先进的生产者/消费者模型网络，优化宽带利用率，并可构成多主、主/从、对等的通信结构ControlNet具有灵活的选择安装,ControlNet概述（续）-ControlNet 技术指标网络规模:在无重复器情况下最多 48 个节点。网络长度:5Mb/s时达1000m(同轴电缆),有重复

31、器时达5000m；1000m 2个节点，250m 48个节点；5Mb/s时达3000m(光纤),有重复器时达30Km。通信速率：可调总线拓扑:线性，树型、星型、或三种混合，也支持冗余方式,ControlNet 技术指标（续）寻址模式：对等、多主和主从、轮询、循环或状态改变 系统特性:带电插拔设备，确定性，可重复性，本安选择，充分节点 ID 检测，报文组帧下图是一个典型的ControlNet网络结构图：,10.6.2 ControlNet技术特性 1）ControlNet与ISO/OSI参考模型,从右图中可以看出ControlNet没有OSI的会话层、其对象与对象模型相当于OSI的应用层、数据管

32、理相当于OSI的表示层、报文路由传输与连接管理相当于OSI的传输层与网络层,图10-9 ControlNet协议分层与OSI模型的比较,ControlNet规范把物理层从上到下分为三个子层：物理层信号（PLS）子层：定义与信号有关的内容，包括通信波特率、信号编码等，其波特率只有5Mbit/s一种，编码采用的是曼彻斯特编码 物理媒体连接（PMA）子层：定义设备内的物理部件，如收发器、连接器等 传输介质子层：定义与传输介质有关的内容，如线缆、网络拓扑结构、分接头等。ControlNet规范在物理层还规定了三个接口：数据链路层的MAC子层与PLS子层的接口 PLS子层与PMA子层的接口 PMA子层与

33、传输介质子层的接口,2）ControlNet网络元件 ControlNet支持多种媒体类型，包括同轴电缆、光纤和中继器，它也支持屏蔽双绞线，只是双绞线只用于两个NAP之间的点对点连接，而其两个NAP之间的距离不能超过10m。3）数据链路层的媒体访问控制（MAC）协议 ControlNet中，数据链路层为网络层和传输层提供接收和发送的服务，它是以网络刷新时间NUT固定而重复的时间周期为基准的。MAC协议负责整个网络的仲裁，它可以确定：网络上各个节点同时要通信时，哪个节点优先发送；几个节点发送数据发生“碰撞”时，哪个节点继续有权发送。,隐性令牌传递 ControlNet采用的是隐性令牌传递机制：网

34、络上的每个节点被分配唯一的MAC地址，像普通令牌传递网络一样，拥有令牌的节点可以发送数据，然而ControlNet中并没有真正的令牌在传递，而是每个节点监视收到的每个数据帧的源节点地址，并在该数据帧之后，将已设置的隐性令牌寄存器的值置为受到的源MAC地址加1，如果寄存器的值等于某个节点本身的MAC地址值，该节点就可以发送数据。由于所有节点的隐性令牌寄存器在任一时刻的值相同，而节点的MAC地址却都不同，因此避免了冲突。,隐性令牌的逻辑是由并存时间域多路访问（CTDMA）算法控制的，该算法在每个网络刷新时间NUT内自动调节网络上每个节点得到隐性令牌传送信息的机会。,网络刷新时间（NUT）分配 Co

35、ntrolNet的技术规范规定NUT的时间为0.5-100ms。CTDMA把每个NUT划分成了三个部分：预定时段：用来传送对时间有苛刻要求的控制信息（预定数据），一般指I/O、控制器互锁等信息。非预定时段：用来传送对时间无苛刻要求的显式报文或I/O报文（非预定数据）。维护时段：在维护时段期间，所有节点停止发送数据。维护时段用来协调每个节点的NUT定时器的同步和发送一些重要的网络链路参数。,ControlNet的MAC帧 ControlNet的MAC帧包括前同步、起始界定符、源MAC ID、链路数据包、CRC校验码和结束界定符。帧结构如下图所示：,图10-10 MAC帧结构,4）网络与传输层 C

36、ontrolNet中网络层和传输层用于建立和维护连接。该功能的实现主要涉及到未连接报文管理器（UCMM）对象、连接路由器对象、连接管理者对象、传输连接、传输类以及应用连接。其报文传送可以是面向连接和面向非连接的。5）对象模型 对象的建模代表了网络设备的可见的行为，这部分协议的内容包括：对象建模和术语、对象编址、对象模型、对象规范格式和规则、对象规范扩展方法、新对象创建规范等。,6）设备描述 通过定义每一类型设备的核心标准，可以实现不同厂商相似设备间互操作性和互换性。一般说来，相似设备具有大致相同的行为，产生/消费相同的数据集，包含相似的可组态参数集。相似设备间这些信息的正式定义就称为设备描述，其内容包括：为设备类型确定对象模型列出对象接口描述此类设备类型的生产和消费数据类型确定配置数据以及访问这些数据的公共接口,10.6.3 ControlNet产品介绍 ControlNet网络是一种具有确定性和可重复性的实时控制网络，是最近几年才出现的新型控制网络，现有的ControlNet产品包括：条形码识别器、被动式读写器ControlNet通信接口卡网桥/网关及设备接口模块显示/操作员接口电动机控制设备I/O设备网络组态工具软件,The end!,