羅克韋爾自動化NetLinx網(wǎng)絡(luò)體系研究與應(yīng)用_圖文

1、上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文羅克韋爾自動化NetLinx網(wǎng)絡(luò)體系研究與應(yīng)用 姓名:曹流申請學(xué)位級別:碩士專業(yè):控制理論與控制工程指導(dǎo)教師:翁正新20090201羅克韋爾自動化 NetLinx 網(wǎng)絡(luò)體系研究與應(yīng)用摘 要隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展工業(yè)自動 化領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變革。各種現(xiàn)場總線被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場級工業(yè)控制 系統(tǒng),而工業(yè)以太網(wǎng)則開始被用于現(xiàn)場級工業(yè)控制系統(tǒng)與企業(yè)管理級系 統(tǒng)的信息交互。工業(yè)自動化體系的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究及相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)成為了 研究熱點。 本論文研究了羅克韋爾自動化的 NetLinx 三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu), 并重 點結(jié)合水利工程和汽車工業(yè)的應(yīng)用實例探討了基于現(xiàn)場總線和工

2、業(yè)以太 網(wǎng)的控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。本文主要完成以下幾方面的工作:1、 針對傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)存在開放性不足,通信效率較 低,網(wǎng)絡(luò)安全性能較差,與企業(yè)級管理系統(tǒng)信息交互不流暢 等缺點,分析了具有多層網(wǎng)絡(luò),并有相同功能層協(xié)議的網(wǎng)絡(luò) 體系解決方案。實踐證明,這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)化的 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和數(shù)據(jù)的無縫流動。2、 研究了羅克韋爾自動化的 NetLinx 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中 DeviceNet 、 ControlNet 和 EtherNet/IP這三層網(wǎng)絡(luò)的主要差異、 優(yōu)缺點及 不同適用環(huán)境; 分析了 CIP 協(xié)議, 生產(chǎn)者 /消費者模式等關(guān)鍵 技術(shù)。3、 給出了基于羅克韋爾自動化 ControlLogix

3、 控制系統(tǒng)的水庫閘 門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)組網(wǎng)方案和軟硬件設(shè)計方法。系統(tǒng)由 ControlNet 和 EtherNet/IP兩層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成, 使用了現(xiàn)場觸摸屏 和遠(yuǎn)程上位機(jī)分別實現(xiàn)現(xiàn)場和遠(yuǎn)程的監(jiān)視及控制功能,同時 還采用了硬冗余的方式確保系統(tǒng)的可靠運行。4、 給出了基于羅克韋爾自動化 GuardLogix 控制系統(tǒng)的焊裝車間 生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)組網(wǎng)方案和軟硬件設(shè)計方法。系統(tǒng)由 DeviceNet 和 EtherNet/IP兩層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成, 使用了現(xiàn)場觸摸屏實 現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)視及控制功能, 并采用了 DeviceNet Safety技術(shù)提高 網(wǎng)絡(luò)安全。5、 提出了模擬信號在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的處理方法, E

4、DS 文 件的使用方法, OPC 技術(shù)的應(yīng)用方法, DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)的組 建方法。文中的兩個控制系統(tǒng)目前都已投入日常生產(chǎn), 并已可靠穩(wěn)定的運行。 關(guān)鍵詞:羅克韋爾自動化,NetLinx,設(shè)備網(wǎng),控制網(wǎng),工業(yè)以太網(wǎng),CIP 協(xié)議,生產(chǎn)者/消費者,水庫閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),焊裝車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)RESEARCH AND APPLICATION OF NETLINX ARCHITECTURE IN ROCKWELL AUTOMATIONABSTRACTWith the rapid development of computer technology, network technology, inf

5、ormation technology and control technology, Fieldbus Control Systems (FCSs have been universally used to meet the increasing demand in field site control system applications, while at the same time, Ethernet began to be used for information exchange between site control systems and information manag

6、ement systems in factories and workshops. Research and applications of network architecture in industry automation have become a hot area for its widely using. This paper studied the Rockwell Automation's NetLinx three-layer network architecture, and applications of control systems based on wate

7、r conservancy project and automotive industry. Focus is laid on the following five aspects.1. In view of disadvantages such as low transmission efficiency, bad network safety function and connection limitation which were exposing in traditional FCS systems. Multi-layer network architecture systems w

8、ith the same protocols for same specific layers were adopted to solve these problems. Practice has proved that this network architecture can achieve optimal network interconnection and guarantee seamless data flow.2. Differences, advantages, disadvantages and application environments of DeviceNet, C

9、ontrolNet and EtherNet/IP are introduced; analysis of the CIP agreement, the producer/consumer model, and other key technologies is proposed.3. Based on AB ControlLogix, network architecture, hardware and software design methods of remote monitoring reservoir gate system are given. The system consis

10、ts of ControlNet and EtherNet/IP. HMI is designed for monitoring function. The way of hardware redundancy is also adopted to ensure reliable operation of the system.4. Based on GuardLogix, network architecture, hardware and software design methods of welding workshop monitoring system are given. The

11、 system consists of DeviceNet and EtherNet/IP. DeviceNet Safety technology is utilized to enhance network security.5. The paper puts forward solutions of the analog signal processing, EDS file, OPC technology, and DeviceNet configuration in the Fieldbus control systemThe two control systems have bee

12、n launched in daily production and operated safely and stably.Keywords: Rockwell Automation, NetLinx, DeviceNet, ControlNet, EtherNet/IP, CIP Protocol, Producer/Consumer, Remote Reservoir Gate Control System, Car-Roof Welding Control System 第一章 緒論1.1工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程進(jìn)入二十世紀(jì)以來, 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展, 工業(yè)自動化領(lǐng)域也發(fā)生著日 新月異

13、的變化, 從四十年代至今, 工業(yè)控制系統(tǒng)主要經(jīng)歷了基地式氣動儀表控制 系統(tǒng)、 電動單元組合式模擬控制系統(tǒng)、 集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、 集散控制系統(tǒng)和現(xiàn) 場總線控制系統(tǒng)等幾個階段。(1基地式氣動儀表控制系統(tǒng)。在 20世紀(jì) 40-50年代,現(xiàn)場級的控制功能 主要由直接安裝于生產(chǎn)設(shè)備附近的基地式氣動儀表實現(xiàn)?；厥綒鈩觾x表基于 20.68103.41 kPa氣動標(biāo)準(zhǔn)信號,將測量、顯示、調(diào)節(jié)、執(zhí)行等幾部分組合設(shè)計 成一個整體裝置 1,可用于單參數(shù)、單回路的簡單控制系統(tǒng),也可用于次要的工 藝系統(tǒng)以及單機(jī)的局部控制。目前在石油、化工、輕工等部門仍有其應(yīng)用?；?式氣動儀表控制系統(tǒng)通常被稱為第一代過程控制體系結(jié)

14、構(gòu)(PCS , Pneumatic Control System 。(2電動單元組合式模擬控制系統(tǒng)。在 60-70年代,工廠企業(yè)逐漸實現(xiàn)了 車間或大型裝置的集中控制, 基于模擬電流信號標(biāo)準(zhǔn) 010mA(420mA , 采用 電動單元組合儀表和組裝儀表, 可以實現(xiàn)串級、 比值等控制系統(tǒng), 曾在化工等行 業(yè)的過程控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 電動單元組合式模擬控制系統(tǒng)又被稱為第二 代過程控制體系結(jié)構(gòu)(ACS , Analogous Control System 。(3集中式數(shù)字控制系統(tǒng)。在進(jìn)入 20世紀(jì) 70年代后,數(shù)字計算機(jī)開始在 工業(yè)控制領(lǐng)域得到大量使用, 并以其強(qiáng)有力的數(shù)值計算和邏輯判斷能力開始

15、逐漸 取代之前的模擬控制器?；诳刂朴嬎銠C(jī)的直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC , Direct Digital Control和計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC , Supervisory Computer Control 可以實現(xiàn)自適應(yīng)控制、 預(yù)測控制等先進(jìn)復(fù)雜的控制算法, 并可使生產(chǎn)過程位于最 優(yōu)工況。集中式數(shù)字控制系統(tǒng)被稱為第三代過程控制體系結(jié)構(gòu)(CCS , Computer Control System(4集散控制系統(tǒng)。 20世紀(jì) 80年代之后,微處理機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用,促成 了集散控制系統(tǒng)的出現(xiàn)。它綜合了計算機(jī) (Computer、通訊 (Communication、顯 示 (CRT和控制 (Cont

16、rol等 4C 技術(shù), 核心思想是集中操作管理和分散控制。 集散 控制系統(tǒng)主要分為信息管理級、 操作監(jiān)控級和過程控制級等, 將工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn) 過程控制、 監(jiān)督和生產(chǎn)管理工作有機(jī)融合, 實現(xiàn)了管控一體化。 集散控制系統(tǒng)在 眾多工業(yè)控制領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用, 為工業(yè)自動化進(jìn)程作出了巨大貢獻(xiàn)。 集散控制系統(tǒng)也被稱為第四代過程控制體系結(jié)構(gòu) (DCS , Distributed Control System 。 (5現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。 在 20世紀(jì) 80年代末 90年代初,現(xiàn)場總線技術(shù) 開始出現(xiàn)并被運用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。 隨著時代的不斷發(fā)展, 企業(yè)、 工廠和車間 的信息化和網(wǎng)絡(luò)化程度日益增強(qiáng), 以網(wǎng)絡(luò)集

17、成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng) 逐步形成,現(xiàn)場總線技術(shù)則提供了一種全分布、數(shù)字式、開放的通信網(wǎng)絡(luò),其與 智能儀表、 可編程邏輯控制器等設(shè)備所構(gòu)成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已成為了全球工 業(yè)自動化技術(shù)的熱點?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)也被稱為第五代過程控制體系結(jié)構(gòu) FCS( Fieldbus Control System。1.2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)根據(jù) IEC1158標(biāo)準(zhǔn), 現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀 表設(shè)備互連的實時控制通訊網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)是根據(jù)遵循 ISO 的 OSI 開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議來制定的, 標(biāo)準(zhǔn)的 ISO/OSI有 七層框架, 但根據(jù)工業(yè)控制的特點

18、, 多數(shù)現(xiàn)場總線協(xié)議都是采用了其中的物理層、 通信層和應(yīng)用層, 以滿足系統(tǒng)的實時要求。 此外, 現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意, 可為總線形、 星形、 環(huán)形等, 通訊介質(zhì)不受限制, 可用雙絞線、 光纜、 同軸電纜、 無線電波等各種形式?，F(xiàn)場總線的基本設(shè)計要求有:(1 利用數(shù)字通信代替 4-20mA 信號。(2 一條總線上可以接入多臺現(xiàn)場設(shè)備。(3 實現(xiàn)真正的可互操作。(4 在現(xiàn)場設(shè)備上實現(xiàn)基本的控制功能。(5 采用高速以太網(wǎng)作為 100Mbps 網(wǎng)絡(luò)干線 28。目前市場上現(xiàn)場總線種類繁多,其中國際 IEC/TC65標(biāo)誰化組織通過的 8種 總線標(biāo)準(zhǔn)類型:IEC 技術(shù)報告 (FF H1、 Contro

19、lNet 、 Profibus 、 P-NET 、 FF HSE 、 SwiftNet 、 WorldFIP 、 Interbus , 再加上 IEC TC17B通過的 3種現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn), 即 SDS 、 ASI 與 DeviceNet ,以及 IS011898的 CAN ,構(gòu)成了現(xiàn)階段的 12種現(xiàn)場 總線標(biāo)準(zhǔn)。(1 FF (Foundation Fieldbus現(xiàn)場基金會總線由美國儀器協(xié)會(ISA 于1994年推出, 代表公司有 Honeywell 和 Fisher-Rosemount , 主要應(yīng)用于石油化工、 連續(xù)工業(yè)過程控制中的儀表。 FF 的特色是其通訊協(xié)議在 ISO /OSI 的

20、物理層、 數(shù) 據(jù)鏈路層和應(yīng)用層 3層之上附加了用戶層, 通過對象字典 OD (Object Dictionary 和設(shè)備描述語言 DDL (Device Description Language實現(xiàn)可互操作性。 FF 提供 H1和 HSE 兩種物理層標(biāo)準(zhǔn),其中 H1為用于過程控制的低速總線,傳輸速率為 31.25Kbps ; HSE 為制造自動化的高速總線,傳輸速率可達(dá) 100Mbps 。(2 Profibus (Process Fieldbus德國西門子公司 1987年推出,主要應(yīng)用 于 PLC ,由 Profibus-FMS 、 Profibus-DP 和 Profibus-PA 組成 P

21、rofibus 系列。 Profibus-FMS 為車間級總線, Profibus-DP 為設(shè)備級總線, Profibus-PA 為儀表總 線。 Profibus 以 ISO /OSI 模型為基礎(chǔ),取其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層, FMS 還采用 了應(yīng)用層, DP 和 PA 在上層有各自的行規(guī)。在物理層, DP 和 FMS 使用同樣的 傳輸技術(shù):RS-485和光纖,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型,傳輸速率從 9.6kbps /1200m 到 12Mbps /100m ,不支持總線供電和本安; PA 采用 IEC l158 2傳輸技術(shù),介質(zhì) 為屏蔽雙絞線,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型或樹型,通信速率為 1.25kbps /190

22、0m ,支持 總線供電和本安。(3 ControlNet 美國 Rockwell Automation于 1995年推出,主要用于 PLC 與計算機(jī)之間、邏輯控制和過程控制系統(tǒng)之間的通信網(wǎng)絡(luò)。 ControlNet 網(wǎng)絡(luò)是一 種高速確定性網(wǎng)絡(luò),特別適用于對時間有苛刻要求的復(fù)雜應(yīng)用場合的信息傳輸。 ControlNet 協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)和傳輸層、應(yīng)用層組成。物理層介 質(zhì)為同軸電纜或光纜, 通信速率 5Mbps , 使用曼徹斯特編碼, 滿足本安防爆要求, 支持介質(zhì)冗余。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線型、星型和樹型。(4 DeviceNet 美國 Rockwell Automation于 1995

23、年推出,是基于 CAN 總 線技術(shù)的設(shè)備級現(xiàn)場總線, 用于低壓電器和離散控制領(lǐng)域的現(xiàn)場設(shè)備。 DeviceNet 以 ISO 模型為基礎(chǔ),具有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層介質(zhì)為專用粗 纜 (12.2mm, 8A 和細(xì)纜 (6.9mm, 0.753A ,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主干型或下拉分支型, 可以直接用一條總線對設(shè)備供電和通訊,在網(wǎng)絡(luò)未斷電時允許插入和移去節(jié)點, 通信速率 125kbps 時 (物理層介質(zhì)為專用粗纜 單段網(wǎng)絡(luò)的總線長度為 500m 。 (5 LonWorks (LON Local Operating System局部操作系統(tǒng)美國 Echelon 公司 1991年推出, 主要應(yīng)用于樓

24、宇自動化、 工業(yè)自動化和電力行業(yè)等。 LonWorks 是開放式的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,具有 ISO /OSI 模型完整的七層協(xié)議結(jié)構(gòu),包括節(jié)點、路 由器和網(wǎng)絡(luò)適配器。 線節(jié)點的核心器件是神經(jīng)元芯片 neuron , 目前有 MC 143220和 MC 143150兩種芯片,節(jié)點之間通信所采用的協(xié)議是 LonTalk 。 LonTalk 的介 質(zhì)訪問方式為 P-P CSMA(預(yù)測 P-堅持載波監(jiān)聽多路復(fù)用 ,采用網(wǎng)絡(luò)邏輯地址 尋址方式, 優(yōu)先權(quán)機(jī)制保證了通訊的實時性, 安全機(jī)制采用證實方式, 因此能構(gòu) 建大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS 是用開放的現(xiàn)場總線控制通訊網(wǎng)絡(luò)將自動化最底 層的現(xiàn)場控制器

25、和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線控制系 統(tǒng)有如下的特點:(1全數(shù)字化通信。在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中,從傳感器、調(diào)節(jié)閥到核心控 制模塊, 信號一直保持?jǐn)?shù)字性。 工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的噪聲及其它干擾信號很難扭曲現(xiàn) 場總線控制系統(tǒng)里的數(shù)字信號, 數(shù)字信號的強(qiáng)抗干擾能力使得過程控制的準(zhǔn)確性 和可靠性更高。與傳統(tǒng)的 420mA 模擬信號相比優(yōu)勢十分明顯。(2 開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò), 既可與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián), 也可與不同層網(wǎng)絡(luò)相連。 現(xiàn)場總線采用的是公開化、 標(biāo)準(zhǔn)化、 規(guī)范化的通信協(xié)議, 不同制造廠家的產(chǎn)品可以十分方便地掛接在現(xiàn)場總線上構(gòu)成開放式控制系統(tǒng)。 同 時也可使底層的現(xiàn)場

26、級控制網(wǎng)絡(luò)與上層的信息管理網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方便的對接, 真正的 實現(xiàn)企業(yè)管理與生產(chǎn)自動化的有機(jī)結(jié)合。(3分散控制。在 FCS 中各現(xiàn)場設(shè)備有足夠的自主性,它們彼此之間相互 通信, 完全可以把各種控制功能分散到各種設(shè)備中, 而不再需要一個中央控制計 算機(jī).實現(xiàn)了更為徹底的分散控制。(4可互操作性?，F(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)保證不同廠家的產(chǎn)品可以互操作。這樣就 可以在一個企業(yè)中由用戶根據(jù)產(chǎn)品的性能、 價格選用不同廠商的產(chǎn)品, 集成在一 起。 避免了傳統(tǒng) DCS 系統(tǒng)中必須選用同一廠家的產(chǎn)品限制, 促進(jìn)了有效的競爭, 降低了控制系統(tǒng)的成本。(5網(wǎng)絡(luò)供電?，F(xiàn)場總線儀表是全數(shù)字式儀表,與傳統(tǒng)的 DCS 系統(tǒng)所采用 的現(xiàn)場儀表

27、相比能耗更為降低。 因此, FCS 允許現(xiàn)場設(shè)備直接通過通信網(wǎng)絡(luò)直接 供電,從而提高了其本質(zhì)安全性。(6智能化與自治性?，F(xiàn)場總線設(shè)備能處理各種參數(shù)、運行狀態(tài)信息及故 障信息,具有很高的智能,能在部件、甚至網(wǎng)絡(luò)故障的情況下獨立工作,大大提 高了整個控制系統(tǒng)的可靠性和容錯能力?？偟膩碚f, 開放的網(wǎng)絡(luò)體系給了用戶更大的選擇空間, 而數(shù)字信號的應(yīng)用和 可互操作性等因素也降低了系統(tǒng)成本, 更為分散和智能化的現(xiàn)場設(shè)備也提高了系 統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。1.3工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用在企業(yè)實現(xiàn)管控一體化系統(tǒng)的過程中,企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)逐漸分為了三個層次:過程控制系統(tǒng)(Process Control System, PCS

28、 ,制造執(zhí)行系統(tǒng)(ManufacturingExecution System, MES ,和企業(yè)資源計劃系統(tǒng) (Enterprise Resource Planning , ERP 。 其中 PCS 位于企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的底層, 其根本任務(wù)是要完成生產(chǎn)現(xiàn)場的測量、 控制和現(xiàn)場診斷等工作。目前這一層的信息通信主要由專用的現(xiàn)場總線來實現(xiàn)。 MES 的功能是完成監(jiān)控、管理、調(diào)度等控制管理功能。 ERP 的主要作用是將企業(yè) 內(nèi)部所有資源整合在一起,對采購、生產(chǎn)、成本、庫存、分銷、運輸、財務(wù)、人 力資源進(jìn)行規(guī)劃, 從而達(dá)到最佳資源組合, 取得最佳效益 31。 MES 層與 ERP 層大 多采用以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成

29、網(wǎng)絡(luò), 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多為各種計算機(jī)及其外設(shè), 這兩層之間的 網(wǎng)絡(luò)集成與信息交互得到了較好解決。 它們與外界互聯(lián)網(wǎng)之間的信息交互也相對 比較容易。 但是其與現(xiàn)場控制層之間的信息交互則存在障礙。 因為就現(xiàn)場總線控 制系統(tǒng)而言, 由于各種總線采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和介質(zhì)各不相同, 不同標(biāo)準(zhǔn)的總線設(shè) 備之間實現(xiàn)互連和互操作存在較多障礙。 而隨著現(xiàn)場設(shè)備功能逐漸增強(qiáng), 現(xiàn)場設(shè) 備之間,以及現(xiàn)場設(shè)備與 MES 、 ERP 層之間需要進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)量成倍增加,就 這樣,高速的、成本更低的、通用性更好的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)了。 .以太網(wǎng)(Ethernet 是 IEEE802.3所支持的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),最早由 Xerox 開發(fā),

30、 后經(jīng)數(shù)字儀器公司、 Intel 公司和 Xerox 聯(lián)合擴(kuò)展, 成為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。 目前不僅在 辦公自動化領(lǐng)域內(nèi), 而且在各個企業(yè)的管理網(wǎng)絡(luò)中都得到廣泛應(yīng)用。 由于它技術(shù) 成熟,連接電纜和接口設(shè)備的價格相對較低,帶寬在迅速增長,出現(xiàn)了千兆、萬 兆以太網(wǎng)。 采用快速以太網(wǎng)可以滿足現(xiàn)場設(shè)備對通信速度增加的要求。 但是由于 傳統(tǒng)的以太網(wǎng)采用 CSMA /CD 方式,網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時,網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?不確定性 會影響工業(yè)控制的實時要求,因而一直被視為“非確定性”的網(wǎng)絡(luò)。同時也因為 傳統(tǒng)的以太網(wǎng)并不是為工業(yè)應(yīng)用而特別設(shè)計的, 沒有考慮惡劣工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的適 應(yīng)性需要,所以其可靠性、可恢復(fù)性及可維護(hù)性也都難以滿足

31、工業(yè)生產(chǎn)的要求。 自從 1999年以來市場上出現(xiàn)了針對不同應(yīng)用場合的工業(yè)以太網(wǎng)。這些工業(yè) 以太網(wǎng)在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用以太網(wǎng)協(xié)議, 在傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議基 本上已經(jīng)統(tǒng)一為 TCP/IP。但是在應(yīng)用層的協(xié)議上還存在著較大分歧,因而產(chǎn)生 了不同的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。目前主要的工業(yè)以太網(wǎng)類型有由 FF 的 Hl 發(fā)展而來 的 HSE 、 Modbus/TCP(基于 TCP/IP的 Modbus 協(xié)議 、 Ethernet/IP(基于 TCP/IP的 ControlNet / DeviceNet和基于以太網(wǎng)的 ProfiNet 協(xié)議等。 由于以太網(wǎng)本身的開放 性, 它允許在同一個網(wǎng)絡(luò)上運行不同的應(yīng)

32、用層協(xié)議, 在許多實際應(yīng)用中具有明顯 的無可替代的優(yōu)勢。 將工業(yè)以太網(wǎng)引入到工廠、 車間中, 并且與現(xiàn)有的位于底層 的現(xiàn)場總線進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合, 可以很好的滿足工業(yè)企業(yè)對生產(chǎn)信息化的要求, 有 利于控制和信息的進(jìn)一步融合。1.4本文主要工作本文將對羅克韋爾自動化公司針對工業(yè)控制系統(tǒng)而提出的 NetLinx 開放網(wǎng)絡(luò) 體系進(jìn)行系統(tǒng)性的研究 , 對三層網(wǎng)絡(luò)中的 DeviceNet 、 ControlNet 和 Ethernet/IP進(jìn)行 詳盡的分析,并結(jié)合筆者實際參與的水庫閘門監(jiān)控系統(tǒng)和焊裝車間生產(chǎn)監(jiān)控系 統(tǒng),對羅克韋爾自動化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了探討。本文主要研究了以下內(nèi)容:第一章詳細(xì)介紹了工業(yè)控制系統(tǒng)

33、的發(fā)展歷程, 對常見的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太 網(wǎng)進(jìn)行了分析比較,然后闡述了本文主要工作。第二章對羅克韋爾自動化的 NetLinx 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中 DeviceNet 、 ControlNet 和 EtherNet/IP這三層網(wǎng)絡(luò)從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層等進(jìn)行了詳盡的分析。 第三章討論了 CIP 協(xié)議、 生產(chǎn)者 /消費者模式、 CIP Safety安全網(wǎng)絡(luò)等 NetLinx 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了說明, 研究了三層網(wǎng)絡(luò)的主要差異、 優(yōu)缺點及不同適用環(huán)境。 第四章給出了基于某水庫閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和某焊裝車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的 系統(tǒng)組網(wǎng)方案和軟硬件設(shè)計方法,介紹了硬冗余方式和 DeviceNet Safety技

34、術(shù), 提出了模擬信號在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的處理方法, EDS 文件的使用方法, OPC 技術(shù)的應(yīng)用方法, DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)的組件方法等應(yīng)用技術(shù)。第五章是總結(jié)和展望, 總結(jié)本次論文的成果, 并對工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向 進(jìn)行了展望。第二章 羅克韋爾自動化 NetLinx 開放網(wǎng)絡(luò)體系2.1 NetLinx開放網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及其基本功能隨著日益復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)和企業(yè)信息系統(tǒng)的發(fā)展, 由單一現(xiàn)場總線構(gòu)成 的 FCS 系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代工廠車間的生產(chǎn)管理要求,在這種情況下,羅克韋 爾自動化公司提出了先進(jìn)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù),即 NetLinx 開放式自動控制網(wǎng)絡(luò) 體系。 它將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、 通用協(xié)議

35、和開放式軟件接口有機(jī)結(jié)合, 保證了信息和控制 數(shù)據(jù)高效率和無縫流動 22。 NetLinx 體系由 DeviceNet 、 ControlNet 和 Ethernet/IP三 個開放式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 (圖 2-1 , 并通過這種由底層到頂層全部開放網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了控制、 配置和采集數(shù)據(jù)三種功能。(1控制功能?？梢酝ㄟ^網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn) PLC 等控制設(shè)備和變頻器、傳感器、執(zhí) 行器等 I/O設(shè)備之間實時數(shù)據(jù)的交換。 同時傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)也要提供優(yōu)先級設(shè)定 和中斷等功能。(2網(wǎng)絡(luò)組態(tài)功能。網(wǎng)絡(luò)必須給用戶提供組態(tài)功能以使其可以建立和維護(hù) 自動化系統(tǒng)。組態(tài)功能通常可以通過個人電腦(PC 來完成。網(wǎng)絡(luò)組態(tài)可以在 網(wǎng)絡(luò)啟動時進(jìn)行

36、,而設(shè)備參數(shù)修改或控制器邏輯修改也可在線通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。 (3數(shù)據(jù)采集?？苫诩榷ü?jié)拍或或應(yīng)用需要來方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。所 需要的數(shù)據(jù)通過人機(jī)接口顯示,包括趨勢和分析、系統(tǒng)維護(hù)和故障診斷等。圖 2-1羅克韋爾自動化 NetLinx 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2-1 Rockwell Automation NetLinx Network Architecture2.2 DeviceNet現(xiàn)場總線DeviceNet 現(xiàn)場總線最初由羅克韋爾自動化公司開發(fā),后授權(quán)給開放式設(shè)備 網(wǎng)供貨商協(xié)會 ODV A(Open DeviceNet Vendor Association組織和管理。 DeviceNet 現(xiàn)場總線已經(jīng)

37、成為國際標(biāo)準(zhǔn) IEC62026和歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN50325和 EN50295的標(biāo)準(zhǔn) 子集, 是一種開放的、 低成本的解決方案, 在提供現(xiàn)場設(shè)備的互換性和互操作性 的同時,也提供了重要的設(shè)備級診斷功能。 DeviceNet 現(xiàn)場總線的眾多優(yōu)勢使其 在眾多工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。 DeviceNet 現(xiàn)場總線是在控制器局域網(wǎng) CAN(Controller Area Network總線協(xié)議的基礎(chǔ)上增加了高層的應(yīng)用層協(xié)議, 從而 形成了更適合現(xiàn)場應(yīng)用的工業(yè)現(xiàn)場級總線。局域控制網(wǎng) CAN(Controller Area Network 總線由 Bosch 、 Benz 研究試驗, 于 1986年 2月

38、正式提出, 至 1993年 11月 Bosch CAN2.0成為國際標(biāo)準(zhǔn) ISO11898。 CAN 總線最初是為了 汽車監(jiān)測和控制而設(shè)計,目前已廣泛 應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)、紡織 機(jī)械、 農(nóng)用機(jī)械、 機(jī)器人、 數(shù)控機(jī)床、 醫(yī)療器械、 家用電器及傳感器等眾多領(lǐng)域。CAN 總線主要有如下特點。 (1 CAN 廢除了傳統(tǒng)的以節(jié)點地址為中心的編碼方式, 而代之以基于數(shù)據(jù)塊的編碼方式。 這種按數(shù)據(jù)塊 編碼的方式可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù),從而使其支持主 /從,多主 和對等的通信結(jié)構(gòu),通信方式十分靈活。(2 CAN 總線在媒體訪問控制上采用了先進(jìn)的非破壞性逐位仲裁機(jī)制 CSMA/NBA (Carrier

39、 Sense Multiple Access with Non-destructive Bitwise Arbitration ,使線路的使用率達(dá)到 100%, 從而避免了浪費帶寬和損失數(shù)據(jù), 也可 以保證在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。(3 CAN 采用短幀結(jié)構(gòu)傳輸。每一幀的有效字節(jié)數(shù)為 8個,具有 CRC 校 驗和其它檢測措施,數(shù)據(jù)出錯幾率小。 CAN 節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下,具有自 動關(guān)閉功能,不會影響總線上其它節(jié)點操作。因而具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 (4 CAN 通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖,選擇靈活。DeviceNet 現(xiàn)場總線繼承了 CAN 總線的大部分優(yōu)點,包括:(1

40、采用 CAN 總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約,使用 CAN 規(guī)約芯片,得到 國際上主要芯片制造商的支持;(2也采用 CAN 總線的廣播式傳輸方式,支持主 /從,多主和對等的通信 結(jié)構(gòu);(3也采用非破壞性逐位仲裁機(jī)制 CSMA/NBA (Carrier Sense Multiple Access with Non-destructive Bitwise Arbitration,實現(xiàn)按優(yōu)先級發(fā)送信息;(4具有 CAN 總線的位錯誤、 CRC 錯誤等錯誤檢測機(jī)制和通信故障的自 動判別和恢復(fù)功能;(5通信介質(zhì)選擇靈活。此外, DeviceNet 現(xiàn)場總線還具有其獨特的適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場的眾多優(yōu)點。 (1 De

41、viceNet 網(wǎng)絡(luò)最多可支持 64個節(jié)點,理論上每個節(jié)點可以支持無限 多個 I/O端口;(2采用主干線 /分支線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),傳輸介質(zhì)分別使用干線電纜和支線電 纜;(3同時支持網(wǎng)絡(luò)供電(傳感器及自供電(執(zhí)行器設(shè)備,并且主干線 中包含電源線及信號線;(4三種可選的數(shù)據(jù)傳輸波特率為 125kbps , 250kbps及 500kbps ,波特率 對應(yīng) 500100米允許干線長度;(5提供即插即用功能,可帶電更換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,在線修改網(wǎng)絡(luò)配置;(6電源結(jié)構(gòu)的可調(diào)整性,以滿足各類應(yīng)用的需要以及大電流容量(每個 電源最大容量可達(dá)到 16A ;(7實現(xiàn)多電源的冗余供電,支持網(wǎng)絡(luò)供電或自供電設(shè)備,電源分接頭可

42、加在網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點;(8使用密封或開放形式的連接器,并具有接線錯誤保護(hù)功能;(9 得到眾多制造商的支持, 如:Rockwell, OMRON, Hitachi, Cutter, Hammer, Turck 等。 DeviceNet 制造商協(xié)會擁有的 300多個全球會員遍布世界各地。圖 2-2 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2-2 DeviceNet ArchitectureDeviceNet 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要對應(yīng)于 ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的第 0層介質(zhì)層、第 1層 物理層、 第 2層數(shù)據(jù)鏈路層和第 7層應(yīng)用層 (如圖 2-2 。 在物理層上, 對 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的物理連接作了

43、清楚的規(guī)定; 在介質(zhì)層上, 對連接器、 電纜類型和電纜 長度,以及與通信相關(guān)的指示器、開關(guān)等都做了詳細(xì)規(guī)定;在物理層信號 (PLS和數(shù)據(jù)鏈路層的媒體訪問控制 (MAC 的協(xié)議規(guī)范則使用 CAN 總線協(xié)議,并且 DeviceNet 總線只使用了 CAN2.0 A中的有關(guān)定義, 并不支持 CAN2.0 B中的擴(kuò)展 報文格式; DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)還提供了對應(yīng)于 ISO/OSI結(jié)構(gòu)的應(yīng)用層定義。在 DeviceNet 總線中定義了兩種互補(bǔ)的邏輯電平:“顯性”和“隱性” ,同時 傳送“顯性”和“隱性”位時,總線結(jié)果值為“顯性” 。 DeviceNet 總線接線情況 下“顯性”電平用邏輯“ 0”表示

44、, “隱性”電平用邏輯“ 1”表示 27。物理層包 括收發(fā)器、連接器、誤接線保護(hù)回路、調(diào)壓器和可選的光隔離器等,為防止地線 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 羅克韋爾自動化 NetLinx 網(wǎng)絡(luò)體系研究與應(yīng)用回路 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)必須只在一處接地。 DeviceNet 同時支持節(jié)點內(nèi)的非隔離和隔離的物理層。DeviceNet 總線有兩種主要的電纜型式,即環(huán)繞屏蔽和扁平屏蔽。重型電纜適合長距離干線和需要堅固干線或支線的情況, 細(xì)電纜可提供方便的干線和支線的布線。DeviceNet 介質(zhì)具有線性總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖 2-3 ,每個干線的末端都需要終端電阻,每條支線最長為 6m (20英尺允許連接 1

45、個或多個節(jié)點, DeviceNet只允許在支線上有分支結(jié)構(gòu)。三種可選的數(shù)據(jù)傳輸波特率分別為 125kbps ,250kbps 及 500kbps ,對應(yīng)的允許干線長度為 500米、 250米和 100米。此外,DeviceNet 傳輸介質(zhì)還定義了終端電阻、連接器、設(shè)備分接頭、電源分接頭和網(wǎng)絡(luò)接地等相關(guān)內(nèi)容。 圖 2-3 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2-3 DeviceNet Network Topology ArchitectureDeviceNet 總線的鏈路層尋址和媒體訪問控制都是基于 CAN 總線的一種廣播方式的協(xié)議。 在這種協(xié)議方式中, 各種在網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀都被分配一個標(biāo)

46、識符,每一站根據(jù)這些標(biāo)識符確定是否接收這些幀,該標(biāo)識符是在 CAN 幀的標(biāo)識區(qū)中指定的。應(yīng)用這一協(xié)議, DeviceNet 總線可以支持多主形式的通信結(jié)構(gòu),而該多主形式的實現(xiàn),則要依賴于非破壞性逐位仲裁機(jī)制。DeviceNet 基于 CAN 定義了以下三種幀類型:數(shù)據(jù)幀:將數(shù)據(jù)從發(fā)送器發(fā)送到接收器。錯誤幀:標(biāo)明一個節(jié)點檢測到了總線 /網(wǎng)絡(luò)故障。超載幀:在幀的發(fā)送之間提供一個延時來控制數(shù)據(jù)的流動。最常用的數(shù)據(jù)幀由七個不同區(qū)域組成。如圖 2-4所示:上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 羅克韋爾自動化 NetLinx 網(wǎng)絡(luò)體系研究與應(yīng)用幀起始 仲裁區(qū)控制區(qū)(數(shù)據(jù)長度數(shù)據(jù)區(qū) CRC 區(qū) 區(qū) 幀結(jié)束 圖 2-4

47、DeviceNet 數(shù)據(jù)幀F(xiàn)ig.2-4 DeviceNet Data Frame其中, 仲裁區(qū)主要用于標(biāo)識信息內(nèi)容以及決定信息優(yōu)先級的高低。 控制區(qū)包 含數(shù)據(jù)區(qū)的長度信息,數(shù)據(jù)區(qū)的長度為 0到 8個字節(jié)。 DeviceNet 的數(shù)據(jù)包傳送 采用 CRC 循環(huán)冗余碼檢驗,所以數(shù)據(jù)通訊誤碼率極低。 CRC 區(qū)中包含的就是用 于 CRC 檢驗的序列, 由發(fā)送器初始化產(chǎn)生。 當(dāng)接收器計算的 CRC 值不符合發(fā)送 器發(fā)送的 CRC 值, 則檢測到 CRC 錯誤, 要求發(fā)送器重新發(fā)送。 所有接收到匹配 CRC 序列的節(jié)點,通過 ACK 區(qū)給發(fā)送節(jié)點返回一個應(yīng)答。DeviceNet 的媒體訪問控制采用 C

48、AN 非破壞性逐位仲裁機(jī)制 CSMA/ NBA (Carrier Sense Multiple Access with Non-destructive Bitwise Arbitration ,實現(xiàn)按優(yōu) 先級發(fā)送信息。 CAN 節(jié)點的發(fā)送過程可以被網(wǎng)絡(luò)上其他所有節(jié)點監(jiān)聽并應(yīng)答, 在總線空閑時任何節(jié)點都可以嘗試發(fā)送,提供了網(wǎng)絡(luò)固有的點對點的通信能力。 如果一個節(jié)點正在發(fā)送, 其他節(jié)點必須要等這一節(jié)點的發(fā)送完成后才可以開始發(fā) 送信號。 如果有兩個或兩個以上的節(jié)點同時開始發(fā)送時, 沖突將通過仲裁區(qū)的非 破壞性逐位仲裁算法得以解決如果兩個或多個節(jié)點在同一時間開始發(fā)送, 通過使 用仲裁區(qū)的無損逐位仲裁算

49、法來解決。仲裁區(qū)包含在所有 DeviceNet 數(shù)據(jù)幀中。 仲裁區(qū)包括 11位 CAN 標(biāo)識符區(qū)和一個 RTR 位。 RTR 位表示這個幀是一個實際 的數(shù)據(jù)幀還是一個遠(yuǎn)程幀, 由于 DeviceNet 不使用 CAN 提供的遠(yuǎn)程幀, 所以 RTR 位始終是顯性的。 11位標(biāo)識符場從最高位到最低位順序發(fā)送?？偩€上的一個顯 性位和一個隱性位同時發(fā)送的結(jié)果是呈現(xiàn)顯性位。 在仲裁區(qū)傳送期間, 每一個發(fā) 送器都監(jiān)視總線上的當(dāng)前電平, 并與它已經(jīng)發(fā)送的位電平進(jìn)行比較。 如果值相等, 那么這個節(jié)點可以繼續(xù)發(fā)送。如果發(fā)送了一個隱性位 (值 1 ,同時在總線上監(jiān)視 到一個顯性位 (值 0 ,那么此發(fā)送節(jié)點將失去

50、仲裁權(quán),同時必須停止發(fā)送數(shù)據(jù)。 失去仲裁僅的節(jié)點可以在當(dāng)前發(fā)送完成的時候再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。 具有最低數(shù)字 值的標(biāo)識符獲得仲裁優(yōu)先權(quán)。DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)中首先是一種基于連接的網(wǎng)絡(luò),設(shè)備之間欲進(jìn)行通信,必須 先建立連接, 網(wǎng)絡(luò)的任何一個設(shè)備欲和其它設(shè)備通信時, 亦須先建立連接; 當(dāng)設(shè) 備不想和已建立連接的某個設(shè)備通信時, 它可通過發(fā)送釋放連接或刪除連接服務(wù) 來斷開連接。 如果在某個特定的連接上長時間沒有進(jìn)行通信, 這個通信將自動斷 開以釋放資源。 在 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)中, 每個連接用連接標(biāo)識符 (圖 2-5 來標(biāo)識, 它使用 CAN 規(guī)范中的 11位仲裁區(qū)來定義。 連接標(biāo)識符包括設(shè)備媒

51、體訪問控制標(biāo)上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文羅克韋爾自動化 NetLinx 網(wǎng)絡(luò)體系研究與應(yīng)用 識符(MAC ID和信息標(biāo)識符(Message ID其中 MAC ID可通過硬件設(shè)定,也可通過軟件來配置。 標(biāo)識符分為四組, 每組對應(yīng)的標(biāo)識符和含義如表所示。 其中報文組 1通常用于報文交換應(yīng)用數(shù)據(jù); 報文組 2中的大多數(shù)報文 ID 可選擇定義為“預(yù)定義主 /從連接集” ,以用于傳輸預(yù)定義非連接報文;報文組 3的主要用途是交換低優(yōu)先級的過程數(shù)據(jù)和建立動態(tài)的顯式連接;報文組 4用于網(wǎng)絡(luò)管理。 圖 2-5 DeviceNet 的連接標(biāo)識符 37Fig.2-5 DeviceNet Connection Ident

52、ifierDeviceNet 有兩種基本類型的報文:顯式信息報文和 I/O報文。顯式信息報文用于 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)中兩個設(shè)備之間的一般性數(shù)據(jù)交換,通常使用低優(yōu)先級的報文標(biāo)識符。顯式報文為點對點傳送,采用典型的請求 /響應(yīng)通訊模式,通常用于設(shè)備配置、 故障診斷。 顯式報文傳送通過顯式信息連接對象來實現(xiàn), 在設(shè)備中建立顯式信息連接對象。 顯式報文請求指明了對象、 實例和屬性, 以及所要調(diào)用的特定分類服務(wù), 并由報文路由對象傳遞到相應(yīng)的對象。 顯式報文的格式繁雜,傳送數(shù)據(jù)的效率相對較低。I/O信息報文用于在 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)中傳輸應(yīng)用和過程數(shù)據(jù),通過一點或多點進(jìn)行信息交換。 I/O報

53、文通常使用高優(yōu)先級的報文標(biāo)識符,連接標(biāo)識符提供了I/O報文的相關(guān)信息。 I/O報文傳送通過 I/O信息連接對象來實現(xiàn),在 I/O報文被傳輸之前, I/O信息連接對象必須已經(jīng)建立。 I/O 信息報文格式的最重要的特性是完全利用了 CAN 數(shù)據(jù)場來傳輸過程數(shù)據(jù)。連接的端點通過 CAN 報文標(biāo)識符來識別過程數(shù)據(jù)的重要性。每個 I/O報文使用 1個 CAN 標(biāo)識符。DeviceNet 通過抽象的對象模型 ( Object Model 來描述網(wǎng)絡(luò)中所有可見的數(shù)據(jù)和功能,每個 DeviceNet 節(jié)點可以用對象的集合建立模型,對象提供了產(chǎn)品內(nèi)一個特定組件的抽象表示, 為管理和實現(xiàn) DeviceNet 產(chǎn)品

54、組件的屬性、 服務(wù)和行為提供了一個模板。 DeviceNet 中一個對象的數(shù)據(jù)和服務(wù)通過一個分層的尋址概念進(jìn)行尋址,它包括設(shè)備地址(MAC ID 、分類 ID 、實例 ID 、屬性 ID 和服務(wù)代碼幾部分。他們與顯示報文相結(jié)合,可以實現(xiàn) DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳遞。在 DeviceNet 設(shè)備中典型的對象類如下。(1標(biāo)識對象:提供設(shè)備的標(biāo)識和一般信息,包括供應(yīng)商 ID 、設(shè)備類型、產(chǎn)品代碼、版本和序列號等設(shè)備固有的信息;(2信息路由器對象:提供一個信息傳輸連接點,將顯式信息傳送給其它 對象;(3 DeviceNet 對象:提供網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)及節(jié)點的狀態(tài),包括 DeviceNet 端口 的

55、物理連接的配置;(4組合對象:組合多個對象的屬性,通過單個連接實現(xiàn)多個屬性數(shù)據(jù)的 交換;(5連接對象:分配和管理與 I/O及顯式信息連接有關(guān)的內(nèi)部資源,并通 過顯式信息實現(xiàn)訪問連接類的外部可視接口;(6參數(shù)對象:為配置工具訪問所有參數(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)的方法;(7應(yīng)用對象:是針對設(shè)備完成具體功能的對象,提供應(yīng)用特定的行為和 數(shù)據(jù),定義設(shè)備的操作 2。2.3 ControlNet現(xiàn)場總線ControlNet 現(xiàn)場總線是由美國羅克韋爾公司推出的面向控制層的實時性現(xiàn) 場總線。 1997年 7月, Rockwell 等 22家企業(yè)聯(lián)合發(fā)起成立了 ControlNet International(CI組織, 來在

56、全世界范圍內(nèi)推廣和發(fā)展 ControlNet 技術(shù)。 ControlNet 現(xiàn)場總線是 IEC61158現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的子集。 ControlNet 可廣泛應(yīng)用于交通運輸、 汽車制造、冶金、礦山、電力、食品、造紙、水泥、石油化工、娛樂及其它各個 領(lǐng)域的工廠自動化和過程自動化。 世界上許多知名的大公司, 包括福特汽車公司、 通用汽車公司、 巴斯夫公司、 柯達(dá)公司、 現(xiàn)代集團(tuán)公司以及美國宇航局等政府機(jī) 構(gòu)都是 ControlNet 的用戶。ControlNet 現(xiàn)場總線主要有如下優(yōu)點:(1同一鏈路上滿足 I/O數(shù)據(jù) , 實時互鎖 , 端到端報文傳輸和編程 /組態(tài);(2具有高確定性 , 可重復(fù)性 ,

57、適合離散控制和過程控制;(3同一鏈路上允許有多個控制器同時并存;(4允許輸入數(shù)據(jù)和端到端數(shù)據(jù)的多路組播;(5可選的介質(zhì)冗余和本質(zhì)安全;(6安裝及維護(hù)簡單 , 無需特殊工具;(7網(wǎng)絡(luò)中可從任意節(jié)點存取;(8靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (總線型 , 樹型 , 星型 和介質(zhì)類型 (同軸電纜 , 光纖和其 它 。 圖 2-6 ControlNet 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2-6 ControlNet ArchitectureControlNet 總線協(xié)議也是基于 OSI 模型的。其分層結(jié)構(gòu)如圖 2-6所示, ControlNet 沒有 OSI 七層模型中的會話層, ControlNet 的對象與對象模型相當(dāng)于 OSI 的

58、應(yīng)用層, 數(shù)據(jù)管理相當(dāng)于 OSI 的表示層, 報文路由傳輸與連接管理相當(dāng)于 OSI 的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層。ControlNet 的物理層介質(zhì)可采用同軸電纜和光纖等, 其中最被廣泛使用的是 RG - 6四重屏蔽電纜。 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢詾榭偩€形、 星形、 樹形及其任何拓?fù)涞幕旌?(如圖 2-7 , 使用同軸電纜的單網(wǎng)段長度 1000m , 使用光纖短距離系統(tǒng)為 300m , 中等距離系統(tǒng)為 7km ; 帶中繼器最大拓?fù)溟L度在使用同軸電纜時為 5000m , 在使 用光纖時為 30km 。使用中繼器時可編址節(jié)點最多為 99個,不帶中繼器最多為 48個。最大網(wǎng)絡(luò)傳輸速度為 5Mbps ,設(shè)備采用外部供電,節(jié)點支持帶電插撥。 圖 2-7 DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2-7 DeviceNet Network topology ArchitectureControlNet 采用隱性令牌傳遞機(jī)制,且網(wǎng)絡(luò)上每個節(jié)點被分配一個唯一的 MAC ID。與傳統(tǒng)的令