第7章_羅克韋爾PLC通信技術及ppt課件

第7章羅克韋爾PLC通信技術及網(wǎng)絡架構,7.1羅克韋爾集成通信網(wǎng)絡架構,7.2NetLinx開放網(wǎng)絡體系,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,7.5工業(yè)以太網(wǎng)通信技術,7.6DH+網(wǎng)絡,7.7DH-485網(wǎng)絡,7.8PROFIBUS通信技術,7.9網(wǎng)絡體系結構的安全分析,7.1羅克韋爾集成通信網(wǎng)絡架構,羅克韋爾PLC自動化集成通信網(wǎng)絡架構主要包括Logix控制平臺、NetLinx開放網(wǎng)絡體系、可視化平臺、FactoryTalk企業(yè)級數(shù)據(jù)通信服務等。Logix控制平臺提供種類豐富、各種功能的PLC控制器?？梢愿鶕?jù)實際應用系統(tǒng)的需要選擇經(jīng)濟、實用的PLC控制器。NetLinx開放網(wǎng)絡體系是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A?？梢暬脚_便于系統(tǒng)使用，提供統(tǒng)一的可擴展解決方案，加快了系統(tǒng)開發(fā)，降低了使用成本。FactoryTalk是一系列嵌入集成架構各個組件中的企業(yè)級數(shù)據(jù)通信服務，可以簡化數(shù)據(jù)生成、傳輸和使用過程。,7.1羅克韋爾集成通信網(wǎng)絡架構,例如，食品加工生產(chǎn)線自動化的傳統(tǒng)解決方案中，獨立的網(wǎng)絡會受限制于傳輸性能、通信距離、網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)等。根據(jù)工藝的要求，通常使用一個集中的控制柜，鋪設多條網(wǎng)絡線路，如圖7-1所示。,7.1羅克韋爾集成通信網(wǎng)絡架構,配置多個DeviceNet網(wǎng)絡，可以減少每個網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)目，然后使用ControlNet將這些網(wǎng)絡連接起來，不僅可以縮短數(shù)據(jù)采樣周期，提高控制精度，而且可以有效節(jié)省工程投資，如圖7-2所示。,7.2NetLinx開放網(wǎng)絡體系,1NetLinx開放網(wǎng)絡體系概述羅克韋爾的NetLinx是一種以三層工業(yè)控制網(wǎng)絡為平臺的新型網(wǎng)絡體系結構，是一個開放式的網(wǎng)絡體系，包括信息管理層、數(shù)據(jù)控制層和現(xiàn)場設備層。它不是單一的網(wǎng)絡，而是一種特定的、混合的網(wǎng)絡體系結構，如圖7-3所示。,7.2NetLinx開放網(wǎng)絡體系,NetLinx是工業(yè)通信的樞紐，為所有的羅克韋爾軟件提供完整的驅(qū)動程序。整個系統(tǒng)結構如圖7-4所示。,7.2NetLinx開放網(wǎng)絡體系,NetLinx的三個核心元素是采集、組態(tài)、控制，通過生產(chǎn)者/消費者模式連接起來，主要用于信息采集、I/O數(shù)據(jù)交換、控制操作等，如圖7-5所示。,7.2NetLinx開放網(wǎng)絡體系,NetLink網(wǎng)絡體系就是實現(xiàn)這些應用的物理網(wǎng)絡體系，如圖7-6所示。,7.2NetLinx開放網(wǎng)絡體系,CIP的網(wǎng)絡功能與介質(zhì)無關，主要包括對象建模、信息協(xié)議、通信對象、對象庫、設備描述、設備配置方法、數(shù)據(jù)管理等。其中，控制協(xié)議主要適用于實時I/O的隱式報文傳輸，信息協(xié)議主要適用于組態(tài)、數(shù)據(jù)采集、診斷等顯式報文傳輸。CIP為NetLinx開放式網(wǎng)絡體系提供公共的應用層和設備描述，如圖7-7所示。,7.2NetLinx開放網(wǎng)絡體系,2NetLink的基本功能（1）數(shù)據(jù)采集用戶可以根據(jù)實際控制系統(tǒng)的需要，以固定的時間間隔或在任何需要的時候?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通過人機接口顯示。（2）實時控制基于控制器或智能設備內(nèi)存儲的組態(tài)信息，進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)實時控制?？梢詫为毜脑O備選擇I/O刷新頻率，可以共享輸入數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)控制器的互鎖和對等報文通信等。（3）網(wǎng)絡組態(tài)在NetLink網(wǎng)絡體系，既可以對同層網(wǎng)絡進行組態(tài)，也可以實現(xiàn)上層網(wǎng)絡對下層網(wǎng)絡的組態(tài)。,7.2NetLinx開放網(wǎng)絡體系,3網(wǎng)絡中設備的連接形式（1）點對點連接形式（2）多點傳輸連接形式（3）廣播形式4分級形式（1）一主多從（2）多主多從（3）同級對等5I/O數(shù)據(jù)交換模式（1）輪流檢測模式（Polling模式）（2）循環(huán)刷新模式（Cyclic模式）（3）狀態(tài)改變模式（COS模式）,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,1DeviceNet的技術特點和應用范圍（1）DeviceNet的技術特點系統(tǒng)安裝、調(diào)試、接線簡單；可同時支持標準設備和智能設備；可為系統(tǒng)提供重要的設備級診斷功能；可以在計算機或設備上進行組態(tài)；支持網(wǎng)絡供電（傳感器）和自身供電（執(zhí)行器）的設備；支持設備帶電插拔或更換，可即插即用，而不會中斷網(wǎng)絡連接；支持控制數(shù)據(jù)實時交換；可兼容多廠商設備。（2）DeviceNet的應用范圍需要大量硬接線的應用項目；有大量設備連接到多點I/O模塊（分布式或機架式）的應用項目；要求快速啟動的應用項目；數(shù)據(jù)信息中使用多個短小簡單數(shù)據(jù)包的應用項目；需要大量設備級預測診斷功能的應用項目；具有多個小型設備并且設備之間的距離都很遠的應用項目。,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,2DeviceNet的拓撲結構和傳輸介質(zhì)DeviceNet網(wǎng)絡是一種方便地連接現(xiàn)場設備的網(wǎng)絡，它的拓撲結構是比較自由的，通常由主干線及分支線組成。其拓撲結構如圖7-8所示。,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,DeviceNet的電纜結構如圖7-9所示。,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,不同的電纜，在不同的網(wǎng)絡速率下，干線、支線累積長度的最長距離是不同的，分別如表7-1、表7-2和表7-3所示。根據(jù)下列情況，計算DeviceNet主干線長度。情況一，如圖7-10所示。,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,情況二，如圖7-11所示。,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,情況三，如圖7-12所示。,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,設備網(wǎng)上的典型設備（如傳感器、接觸器、開關、按鈕、操作界面、變頻器等）如圖7-13所示。,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,3DeviceNet的網(wǎng)絡系統(tǒng)設計（1）網(wǎng)絡電源設計DeviceNet的電源連接如圖7-14所示。,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,當連接兩個以上電源時，電源地線要連接在一起，且唯一接地，而電源的正極端子一定要斷開，如圖7-15所示。,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,（2）共模電壓漂移共模電壓是同時加在電壓兩測量端和規(guī)定公共端之間的輸入電壓。從DeviceNet網(wǎng)絡主干線的電源中取用的電流與網(wǎng)絡主干線的長度直接影響共模電壓的漂移。（3）DeviceNet網(wǎng)絡設計注意點終端電阻分別連接在主干線的末端；網(wǎng)絡接地有唯一接地點；主干線、支線的總長度不能超出波特率允許范圍；主干線為直線拓撲結構；掃描器分配的站點編號為0號；站點編號的使用不超過61號，62號預留給組態(tài)終端，63號預留給新設備；支線長度不能超過6m；滿負荷時，網(wǎng)絡末端的共模電壓達到技術性能要求。,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,4DeviceNet網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸（1）DeviceNet的CAN技術電壓與時間的波形如圖7-16所示。,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,（2）網(wǎng)絡的電壓和負載電阻CAN網(wǎng)絡信號在電壓允許范圍內(nèi)，是信號正確的保證。網(wǎng)絡的CAN-H（白線）和CAN-L（藍線）的電壓值是相對于V-（黑線）的，CAN-H的信號在2.5VDC（隱性狀態(tài)）和4.0VDC（顯性狀態(tài)）之間波動；CAN-L的信號在1.5VDC（顯性狀態(tài)）和2.5VDC（隱性狀態(tài)）之間波動。（3）DeviceNet的電平和信號DeviceNet網(wǎng)絡上CAN信號傳輸?shù)奈锢頎顟B(tài)為方波信號，并且有特定的電平范圍，如圖7-17所示。,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,（4）DeviceNet網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包結構數(shù)據(jù)包的格式如圖7-18所示。,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,（5）DeviceNet網(wǎng)絡標識符結構DeviceNetCAN標識符是11位的結構，是信息類型的識別符。信息類型分為4個組，各有不同的信息來源和執(zhí)行的優(yōu)先級別。DeviceNetCAN標識符分組信息結構如表7-4所示。,DeviceNetCAN標識符詳細信息內(nèi)容如表7-5所示。,7.3設備網(wǎng)（DeviceNet）,（6）DeviceNet報文仲裁機制DeviceNet每個數(shù)據(jù)包最多只能傳送8B數(shù)據(jù)，如果請求傳送的數(shù)據(jù)塊多于8B，必須分包傳送。分包傳送的每個數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)只有7B，開頭的字節(jié)將作為分包的標識。例如，要傳送的數(shù)據(jù)包為01020304050607080911223344550809112233445566778899，分包后的數(shù)據(jù)包如圖7-19所示。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,1ControlNet的技術特點高速的I/O控制采集和對等通信網(wǎng)絡；高效的網(wǎng)絡能力；主干網(wǎng)上的設備無物理安裝位置限制；同一網(wǎng)絡上可支持99個節(jié)點；靈活的控制系統(tǒng)結構，網(wǎng)絡可從任何一個節(jié)點接入；簡單的用戶配置，用戶可選控制和I/O更新速率，且節(jié)點的增減不影響更新速率；開放的網(wǎng)絡。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,2ControlNet的拓撲結構和傳輸介質(zhì)ControlNet的拓撲結構如圖7-20所示。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,ControlNet網(wǎng)絡介質(zhì)如圖7-21所示。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,分接器的外形如圖7-22所示。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,控制網(wǎng)上的典型設備，如邏輯控制器、I/O設備、運動控制、變頻器、過程控制設備、網(wǎng)關等設備，如圖7-23所示。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,一個網(wǎng)段的主干線電纜長度最長可達1000m，此時限連接2個節(jié)點；一個網(wǎng)段最多可有48個節(jié)點，此時電纜長度限為250m，這是限量的兩種極端情形。網(wǎng)段同軸電纜的長度隨著節(jié)點個數(shù)的增加而縮短，每增加一個站點，電纜的長度大約縮短16m，其線性規(guī)律關系如圖7-24所示。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,ControlNet的主干電纜網(wǎng)段主要由同軸干線電纜、分接器隔離、終端電阻組成。網(wǎng)絡限量的原因主要是信號衰減，這3部分都會出現(xiàn)信號衰減：ControlNet可允許的網(wǎng)絡信號衰減；電纜長度引起的信號衰減；分接器引起的信號衰減。如圖7-25所示。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,ControlNet可構建冗余網(wǎng)絡，如圖7-26所示。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,3ControlNet的網(wǎng)絡信號交換機制ControlNet網(wǎng)絡傳遞的是方波信號，其幅值為0.51mV8.2V，脈寬為80120ns。信號從一個站點傳輸?shù)搅硪粋€站點，物理傳輸所經(jīng)歷的介質(zhì)會產(chǎn)生硬件延時，這個延時時間稱為SlotTime。任意兩個站點之間總的延時時間不能超過最大傳播延時時間121s。如果是冗余網(wǎng)絡，不但需要分別計算通道A和通道B的延時時間，還要計算兩個通道的時間差值，差值一般不能超過6.4s。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,4ControlNet的協(xié)議分層結構ControlNet的協(xié)議分層結構如圖7-27所示。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,5ControlNet網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包結構ControlNet的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包結構如圖7-28所示。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,例如，在ControlNet網(wǎng)絡上，有1個數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和3個數(shù)據(jù)消費者，如圖7-29所示。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,圖7-29中，3個數(shù)據(jù)消費者過濾和丟棄數(shù)據(jù)包的過程如圖7-30所示。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,6網(wǎng)絡刷新時間（NUT）ControlNet系統(tǒng)把每個NUT劃分為3個主要組成部分：預定部分、非預定部分、網(wǎng)絡維護部分，如圖7-31所示。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,（1）預定部分預定部分的數(shù)據(jù)刷新機制如圖7-32所示。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,（2）非預定部分非預定部分的數(shù)據(jù)刷新機制如圖7-33所示。,7.4控制網(wǎng)（ControlNet）,（3）網(wǎng)絡維護部分網(wǎng)絡維護部分即網(wǎng)絡操作時間。當維護時段到來時，所有節(jié)點停止發(fā)送數(shù)據(jù)。如果一個節(jié)點不能在維護時段開始前完成數(shù)據(jù)的發(fā)送，在該節(jié)點不能再發(fā)送數(shù)據(jù)。在維護時段內(nèi)，具有最小MACID的節(jié)點，即協(xié)調(diào)節(jié)點（Moderator）發(fā)送一個維護數(shù)據(jù)報文（協(xié)調(diào)幀）完成網(wǎng)絡上每個節(jié)點的NUT定時器的同步和網(wǎng)絡維護數(shù)據(jù)參數(shù)等。,7.5工業(yè)以太網(wǎng)通信技術,1以太網(wǎng)簡介以太網(wǎng)是最早的局域網(wǎng)，也是當前最流行的局域網(wǎng)。以太網(wǎng)最初的原型來自夏威夷大學的ALOHA網(wǎng)絡。1973年，XeroxPaloAlto研究中心的研究人員RobertMetcalfe和DavidBoggs等人在ALOHA網(wǎng)絡的基礎上，采用CSMA/CD算法，設計了通信速率達2.94Mbps的網(wǎng)絡系統(tǒng)用做Alto工作站之間的互聯(lián)網(wǎng)絡，這個網(wǎng)絡系統(tǒng)的成功設計引起了廣泛關注。,7.5工業(yè)以太網(wǎng)通信技術,2工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)網(wǎng)絡必須反應靈活并能在短時間內(nèi)滿足控制要求，必須確保網(wǎng)絡的容量和最大限度地使用其機器及設備，將停機時間減少到最小。所有的生產(chǎn)過程和管理進程必須互動。這就要求在自動化和信息技術領域中使用的工業(yè)網(wǎng)絡必須滿足以下前提條件：從傳感器/執(zhí)行器層到工廠管理層傳送連續(xù)的信息流；整個網(wǎng)絡每個站點的信息有效性；在工廠部門間實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速交換。,7.5工業(yè)以太網(wǎng)通信技術,3工業(yè)以太網(wǎng)應用機制（1）交換技術（Switch）（2）自適應功能（AutoSensing）（3）自動協(xié)商功能（4）冗余技術（Redundancy）4工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術的高速發(fā)展，目前其市場占有率已高達80%。,7.5工業(yè)以太網(wǎng)通信技術,5工業(yè)以太網(wǎng)的常用拓撲結構（1）總線型拓撲結構總線結構的特點是：結構簡單，實現(xiàn)容易，易于擴展，可靠性較好，總線不封閉，便于增加或減少節(jié)點?？偩€網(wǎng)絡結構通常會采用冗余總線技術來確保通信總線可靠工作。另外，總線型結構的故障診斷、隔離較為困難，接入節(jié)點數(shù)有限，通信的實時性較差?？偩€型結構如圖7-34所示。,7.5工業(yè)以太網(wǎng)通信技術,為了提高可靠性，可采用雙環(huán)或多環(huán)等冗余措施。環(huán)型結構如圖7-35所示。,7.5工業(yè)以太網(wǎng)通信技術,6通信物理介質(zhì)（1）雙絞線（TwistedPair）雙絞線常用于局域網(wǎng)的布線，當選擇適當?shù)牟牧?、長度及傳輸技術時，短距離內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸率可以達到10100Mbps。雙絞線的優(yōu)點是價格便宜、使用方面、易于安裝，而其主要的缺點是抗高頻干擾的能力較低。雙絞線的示意圖如圖7-36所示。,7.5工業(yè)以太網(wǎng)通信技術,（2）同軸電纜（CoaxialCable）同軸電纜是由軸心的內(nèi)導體芯線、絕緣層、網(wǎng)狀外層導體屏蔽層和塑料外層護套組成的。同軸電纜的示意圖如圖7-37所示。,7.5工業(yè)以太網(wǎng)通信技術,（3）光纖（Fiber）光纖是以光脈沖的形式傳輸信號的一種通信介質(zhì)，材質(zhì)以石英玻璃或有機玻璃為主，它由纖芯、包層和護套組成。光纖的示意圖如圖7-38所示。,7.6DH+網(wǎng)絡,DH+鏈的連接方式通常有兩種：雛菊鏈和主干/支干方式。不同通信速率下的網(wǎng)絡長度如表7-6所示。,7.6DH+網(wǎng)絡,在ControlLogixPLC系統(tǒng)中，可以使用1756-DHRIO模塊實現(xiàn)DH+信息傳輸。不同網(wǎng)絡之間的DH+信息傳輸如圖7-39所示。,7.7DH-485網(wǎng)絡,DH-485網(wǎng)絡是一種高速確定性的工業(yè)局域網(wǎng)絡（LAN），對信息傳輸有苛刻的時間要求，主要設計用于工廠級的應用。DH-485網(wǎng)絡以電子工業(yè)協(xié)會（EIA）RS-485標準為基礎，使用RS-485半雙工作為物理接口，輔助RS-232-C（DF1協(xié)議）鏈路連接節(jié)點設備，使用AIC+高級接口轉(zhuǎn)換器，將設備的RS-232通信口電信號轉(zhuǎn)換為RS-485電信號，實現(xiàn)多臺設備間的數(shù)據(jù)共享，從而構成DH-485網(wǎng)絡。,7.8PROFIBUS通信技術,1PROFIBUS簡介IEC對現(xiàn)場總線（FieldBus）的定義是：“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線?！背Ｓ玫默F(xiàn)場總線主要有基金會現(xiàn)場總線FF（FoundationFieldBus）、過程現(xiàn)場總線PROFIBUS、控制器區(qū)域網(wǎng)絡CAN（ControllerAreaNetwork）。2001年，批準成為中國的行業(yè)標準JB/T10308.3-2001。IEC61158最后容納了8種互不兼容的協(xié)議，如下所示。類型1：原IEC61158技術報告，即現(xiàn)場總線基金會（FF）的H1。類型2：ControlNet（美國Rockwell公司支持）。類型3：PROFIBUS（德國SIEMENS公司支持）。類型4：P-Net（丹麥ProcessData公司支持）。類型5：FF的HSE（原FF的H2，高速以太網(wǎng)，美國FisherRosemount公司支持）。類型6：SwiftNet（美國波音公司支持）。類型7：WorldFIP（法國Alstom公司支持）。類型8：Interbus（德國Phoenixcontact公司支持）。,7.8PROFIBUS通信技術,2PROFIBUS協(xié)議結構PROFIBUS協(xié)議以ISO/OSI參考模型為基礎，協(xié)議結構如圖7-4