第九章Rockwell三層網(wǎng)絡體系

一、NetLinx簡介RockwellAutomation

已經(jīng)推出了先進的工業(yè)控制網(wǎng)絡技術NetLinx開放網(wǎng)絡體系結構。NetLinx

體系結構包括一系列網(wǎng)絡服務，相同的應用層協(xié)議，以及開放的軟件接口，以保證高效、無縫的信息以及控制數(shù)據(jù)流。網(wǎng)絡設計的最重要的目標，就是在同一網(wǎng)絡上實現(xiàn)實時控制、系統(tǒng)組態(tài)以及數(shù)據(jù)采集等多種不同的功能。NetLinx體系結構包括三層開放的網(wǎng)絡技術：

DeviceNet,ControlNet和EtherNet/IP。NetLinx網(wǎng)絡架構中三層網(wǎng)絡技術及規(guī)范已經(jīng)先后成為廣泛接受的國際標準。第九章Rockwell三層網(wǎng)絡體系深入淺出NetLinx網(wǎng)絡架構機械工業(yè)出版社DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP三層網(wǎng)絡結構無論是單獨應用其中某種網(wǎng)絡技術，抑或結合起來應用于不同行業(yè)：DeviceNet–適用于簡單智能設備，需要提供診斷能力、減少接線和安裝成本，提供即插即用方案，需要密封式介質(zhì)，適合于小型分組數(shù)據(jù)通訊的場合。ControlNet–如果應用的首要要求是實時數(shù)據(jù)傳送，要求較高的確定性和/或介質(zhì)冗余，通訊速率更高，中等大小的分組數(shù)據(jù)傳送，要求可重復的規(guī)劃數(shù)據(jù)，或者需要本征安全的設備時。EtherNet/IP–需要有效的工廠級管理信息通訊，要求更多的數(shù)據(jù)采集站點，需要處理大量報文數(shù)據(jù)的場合，利用成熟的技術，可以降低成本。Profibus-PAProfibus-DP西門子以太網(wǎng)CIP協(xié)議突出網(wǎng)絡效率，可在同一介質(zhì)上實現(xiàn)實時控制、設備組態(tài)以及數(shù)據(jù)采集等工作。

控制部分用以進行實時I/O數(shù)據(jù)傳送和互鎖。信息處理部分用以進行報文信息的交換，如對等的通訊、報警、組態(tài)、操作員顯示站以及故障診斷等。NetLinx體系結構的核心技術是：控制與信息協(xié)議（CIP，ControlandInformationProtocol）也稱為通用工業(yè)協(xié)議（CommonIndustrialProtocol）。CommonIndustrialProtocol(CIP)

通用工業(yè)協(xié)議

CIP包含了各種工業(yè)實時控制需要的服務和行規(guī)(Profiles);

CIP將網(wǎng)絡上數(shù)據(jù)按照有實時控制要求和沒有實時控制要求以不同的優(yōu)先等級區(qū)別對待。CIPMessageRouting,ConnectionManagementCIPDataManagementServicesExplicitMessages,I/OMessagesCIPApplicationLayerApplicationObjectLibrarySemi-conductorValvesDrivesRobotsOther通用工業(yè)協(xié)議CIP

（CommonIndustrialProtocol）設備應用描述AppProfilesLay7應用層DeviceNetSpecificationEthernet(IEEE802.3)CAN(ISO11898)ControlNetSpecificationControlNetSpecificationApplicationCIPDeviceProfilesDataLinkPhysicalNetworkTransportSessionPresentationDeviceNetSpecificationEthernetCSMA/CD(IEEE802.3)Future???InternetProtocolUDPTCPCIPEncapsulationCIPMessageRouting,ConnectionManagementCIPDataManagementServicesExplicitMessages,I/OMessagesCIPApplicationLayerApplicationObjectLibraryMotorStarterPneumaticValvesACDrivesPositionControllerOtherProfilesCIPDeviceNetEtherNet/IPControlNet未來網(wǎng)絡技術CTDMA就象同一種語言讓不同地區(qū)的人們能夠直接進行交流，CIP讓DeviceNet、ControlNet以及EtherNet/IP網(wǎng)絡無縫集成；無須附加編程，用戶即可直接從任意一點訪問、組態(tài)并維護以上任意網(wǎng)絡中的任意設備。BBDeviceNetControlNetEtherNet/IPBCIPCIPBCIPCIP對于用戶而言，

所有CIP工業(yè)網(wǎng)絡是無縫集成的“一種”網(wǎng)絡二、控制和信息協(xié)議（CIP）控制和信息協(xié)議（CIP，ControlandInformationProtocol；也稱為通用工業(yè)協(xié)議，CommonIndustrialProtocol）是一種為工業(yè)應用開發(fā)的應用層協(xié)議。DeviceNet,ControlNet和EtherNet/IP三種網(wǎng)絡所采用。

CIP是設計工業(yè)控制設備的基于對象的一種方法(例如體系結構、數(shù)據(jù)類型、服務等)，它是獨立于特定網(wǎng)絡的應用層協(xié)議，提供了訪問數(shù)據(jù)和控制設備操作的服務集。三種網(wǎng)絡的網(wǎng)絡模型和ISO/OSI參考模型對照DeviceNet是一種基于CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域網(wǎng)）的網(wǎng)絡，除了其物理層的傳輸介質(zhì)、收發(fā)器等是自己定義的以外，物理層的其他部分和數(shù)據(jù)鏈路層都采用CAN的協(xié)議。ControlNet的物理層是自己定義的，數(shù)據(jù)鏈路層用的是并存時間域多路存取(ConcurrentTimeDomainMultipleAccess—CTDMA)協(xié)議。EtherNet/IP是一種基于以太網(wǎng)技術和TCP/IP技術的工業(yè)以太網(wǎng)，其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層用的是以太網(wǎng)協(xié)議，網(wǎng)絡層和傳輸層用的是TCP/IP協(xié)議族種的協(xié)議。EtherNet/IP

IEC61158及IEC61784標準工業(yè)以太網(wǎng)UDPARPIPRARPICMPOSPFTCPFTPHTTPBOOTPDHCPOPCSNMPIGMPIGRPIEEE802.3EthernetUDPIPTCPCIPUpperLayers(Session,Presentation,Application,DeviceProfiles)DataLink&PhysicalLayersNetworkLayerTransportLayerExplicitMessagingReal-timeI/O

ControlEtherNet/IP=標準TCP/IP以太網(wǎng)+CIP1、生產(chǎn)者/消費者(客戶)網(wǎng)絡模型

(Producer/ConsumerModel)

工業(yè)自動化網(wǎng)絡中有兩種主要的網(wǎng)絡模型：

源/目的地模型(Source/Destination)

生產(chǎn)者/消費者(Producer/Consumer)1）源/目的地模型典型的源/目的地模型的一個數(shù)據(jù)包如下所示：1、主/從系統(tǒng)：主/從是一個層次體系，系統(tǒng)中包含一個發(fā)起所有通信的主機，從機只能跟主機通信并且以“只答”的方式，當用于I/O信息時，這種網(wǎng)絡就只能限于這種功能。2、點對點結構：點對點結構優(yōu)于主從結構，在點對點的系統(tǒng)中，設備既可以發(fā)起通信，也可以回應系統(tǒng)中其他設備的請求。為保證節(jié)點設備都有機會發(fā)送信號到網(wǎng)絡，大多數(shù)點對點的網(wǎng)絡使用某種類型的令牌傳遞算法；但點對點網(wǎng)絡的靈活性使得控制器之間的互鎖問題更加復雜化，響應的時間隨著網(wǎng)絡的負載、需傳送信息的節(jié)點與當前令牌持有者之間“距離”有很大的不定性?！霸?目的地”(Source-Destination)通訊模式：需要將單一的報文逐一傳送到各個相關設備，這樣的解決方案有較明顯的缺點和局限性。無論對于網(wǎng)絡還是網(wǎng)絡設備，都占用了更多的時間和帶寬，效率較低。網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量、網(wǎng)絡拓撲的變化、網(wǎng)絡通訊任務量的變化，都會影響網(wǎng)絡相應的時間，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳送的確定性、可重復性較差。基于源/目的地的網(wǎng)絡在把同樣數(shù)據(jù)發(fā)往不同節(jié)點時都消耗了過多帶寬，實現(xiàn)協(xié)同控制將更加困難，數(shù)據(jù)到達每個驅(qū)動器的時間是不同的。CIP中采用了個全新的生產(chǎn)者/消費者網(wǎng)絡模型。在生產(chǎn)者/消費者模型中，信息按內(nèi)容來標識，如果一個節(jié)點要接收一個數(shù)據(jù)，僅僅需識別與此信息相連的特定的標識符，每個數(shù)據(jù)包不再需要源地址位和目標地址位。2）生產(chǎn)者/消費者模型數(shù)據(jù)是按內(nèi)容進行標識的，數(shù)據(jù)源只需將數(shù)據(jù)發(fā)送一次。許多需用此數(shù)據(jù)的節(jié)點通過在網(wǎng)上同時識別這個標識符，可同時從同一生產(chǎn)者取用此消費同一數(shù)據(jù)。消費者節(jié)點之間可實現(xiàn)精確的同步，而且提高了帶寬的有效使用率，其他的設備加入網(wǎng)絡后并不增加網(wǎng)絡負載，因為它們同樣可以消費這些相同的信息。當節(jié)點發(fā)送多個數(shù)據(jù)組時，對每個數(shù)據(jù)組使用不同的標識符。工作原理例如：一間房間內(nèi)有20個人，把當前的時間通知給其中數(shù)人。源/目的模式中，時間信息被逐個告知室內(nèi)每個人，其中有的人可選擇聽，另一些人則選擇不聽。在信息的逐個傳輸過程中，時間已發(fā)生變化，因此數(shù)據(jù)在傳給第一個人以后就變得不準確了。當室內(nèi)人數(shù)增加時，通信時間也就增加了。生產(chǎn)者/客戶模式中，時間信息被同時告知室內(nèi)20人，所有人同時聽到，有些人需要則聽，其他則選擇不聽。這樣就不會出現(xiàn)信息失真的現(xiàn)象，室內(nèi)人數(shù)的增減也不會影響通信時間和效率，因而保證了高效率和高確定性。一個使用生產(chǎn)者／消費者模型示例。2、顯性報文和I/O報文

(ExlicitandI/Omessaging)CIP協(xié)議可以傳輸多種類型的數(shù)據(jù)，CIP根據(jù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對傳輸服務質(zhì)量要求的不同，把報文分為兩種：顯性報文和I/O報文

工廠控制層網(wǎng)絡傳送：

（1）一般的計算機通信網(wǎng)絡中需傳送的報文（2）傳送實時的輸入/輸出(I/O)控制信息及整個控制系統(tǒng)中各控制器互鎖信息等。顯性報文用來上載和下載程序，修改設備組態(tài)，記載數(shù)據(jù)日志，作趨勢分析和診斷等功能。這種類型的報文在數(shù)據(jù)量的大小和使用頻率上都是非常不確定的。

I/O報文I/O報文在本質(zhì)上是隱性的(Implicit)，也稱為隱性報文。它是數(shù)據(jù)域中常不包括協(xié)議信息，僅僅是實時的I/O控制數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的含義是預定義的。在節(jié)點中對處理這些數(shù)據(jù)所需的時間大大減小。這種類型的報文而必須引入的附加量(overhead)小，數(shù)據(jù)短，使用頻率一致，并且需要高的性能：對I/O報文傳送的可靠性，送達時間的確定性及可重復性有很高的要求。3、I/O觸發(fā)機制CIP支持多種I/O數(shù)據(jù)觸發(fā)方式。除了傳統(tǒng)的輪詢方法外，CIP還允許用兩種新的功能的I/O觸發(fā)方法：狀態(tài)改變發(fā)送(Change-of-State)和周期I/O發(fā)送(Cyclic)（1）輪詢輪詢是從源/目的地模型產(chǎn)生的，它本質(zhì)上是一種兩個報文的雙向處理(發(fā)送方輸出數(shù)據(jù)命令，接收節(jié)點收到后作出響應并把反應送回)，往往用在主機到它的從機之間。許多輪詢周期充滿了相同的輸入和輸出數(shù)據(jù)，這些冗余的數(shù)據(jù)浪費了大量網(wǎng)絡帶寬。（2）狀態(tài)改變(基于事件)觸發(fā)機制狀態(tài)改變(基于事件)觸發(fā)機制的系統(tǒng)中，僅當數(shù)據(jù)改變時節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，并同時發(fā)送給所有需要該數(shù)據(jù)的節(jié)點，沒有輪詢周期帶來的延遲。同時一個作為背景的心跳(heart-beat)信息可以周期地發(fā)送，消費者可用它來辨別設備是狀態(tài)沒有改變還是設備不在線(離線)。采用狀態(tài)改變觸發(fā)機制可以顯著的降低網(wǎng)絡阻塞和負載，特別當設備需要重復的接收、處理和生成同一種數(shù)據(jù)時。（3）周期性發(fā)送周期性發(fā)送(基于時間)時，數(shù)據(jù)可根據(jù)用戶選擇的速度來產(chǎn)生，數(shù)據(jù)的更新速度與節(jié)點和應用相匹配。例如在優(yōu)化的PID控制中，傳感器的信息可以以精確的間隔進行采樣，或者控制器可以收集大塊數(shù)據(jù)后以每秒若干次且大于操作員界面的反應速度進行發(fā)送。這樣，可為快速變化的IO信息的節(jié)點保留了帶寬。4、通信模式CIP支持多種通信模式，包括：

主從（Master/Slaver）、多主（Multi-Master）、對等（Peer-to-Peer），或者三種模式的任意組合在主從通信模式中，網(wǎng)絡上的節(jié)點地位是不平等的，網(wǎng)絡由一個主節(jié)點和若干個從節(jié)點組成，典型的主從網(wǎng)絡是由一臺控制器和若個臺被控單元組成。在多主通信模式中，網(wǎng)絡上有多個主節(jié)點。在對等通信模式中，網(wǎng)絡上各個節(jié)點的地位是平等的，沒有主從之分。5、面向連接

CIP另一個重要特點是面向連接，在通信開始之前必須建立起連接，獲取唯一的連接標識符（ConnectionID――CID）。如果連接涉及到雙向的數(shù)據(jù)傳輸，就需要兩個CID。CID的定義及格式是與具體網(wǎng)絡有關的，比如DeviceNet的CID定義是基于CAN標識符的。通過獲取CID，連接報文就不必包含與連接有關的所有信息，只需要包含CID即可，從而提高了通信效率。ControlNet是1997年推出的一種新的面向控制層(監(jiān)控級)的實時性現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。

(1)ControlNet在單根電纜上支持兩種類型的信息傳輸：一是對時間有苛求的控制信息和I/O數(shù)據(jù)，ControlNet授予它們最高的優(yōu)先權，保證其不受其他信息的干擾，具有確定性和可重復性；二是無時間苛求的信息發(fā)送和程序上/下載，它們被授予較低的優(yōu)先權，在保證第一種類型信息傳輸?shù)臈l件下進行傳遞。

(2)ControlNet生產(chǎn)者/客戶模式取代了傳統(tǒng)的源/目的模式，不僅支持傳統(tǒng)的點對點通信，而且允許同時向多個設備傳遞信息。三、ControlNet1、ControlNet物理層

ControlNet物理媒介可以使用電纜和光纖，電纜使用RG-6/U同軸電纜(和有線電視電纜相同)，其特點是廉價、抗干擾強、安裝簡單。使用標準BNC連接器和無源分接器(Tap)，分接器允許節(jié)點安裝在網(wǎng)絡的任何地方，每個網(wǎng)段可延伸1000m，并且可用中繼器(Repeater)進行擴展。在戶外、危險及高電磁干擾環(huán)境下可使用光纖。當與同軸電纜混接時，可延伸到25km，其距離僅受光纖的質(zhì)量所限制。

2、媒質(zhì)訪問

媒質(zhì)訪問控制使用時間片算法(TimeSlice)，保證每個節(jié)點之間的同步帶寬的分配。根據(jù)實時數(shù)據(jù)的特性，帶寬預先保留或預訂(Scheduled)用來支持實時數(shù)據(jù)的傳送，余下的帶寬用于非實時或未預訂(Unscheduled)數(shù)據(jù)的傳送；實時數(shù)據(jù)包括I/O信息和控制器之間對等信息的互鎖(Interlocking)非實時數(shù)據(jù)包括顯性報文(ExplicitMessaging)和連接的建立。

ControlNet數(shù)據(jù)鏈路層的

介質(zhì)存取控制協(xié)議

網(wǎng)絡上各節(jié)點要通信時，哪個節(jié)點有優(yōu)先權在網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)?幾個節(jié)點同時在網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)生“碰撞”時，誰有權繼續(xù)發(fā)送?各種網(wǎng)絡的MAC協(xié)議就是負責整個“仲裁”的。

當一個節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)時，它首先偵聽網(wǎng)絡。如果偵聽到網(wǎng)絡是“忙”的，它就等待，直到偵聽到“空”時馬上發(fā)送。如果兩個或更多個節(jié)點偵聽到網(wǎng)絡是“空”時，并同時向網(wǎng)絡上發(fā)送數(shù)據(jù)，不同節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)的同時也在偵聽。如偵聽到發(fā)生碰撞，正在發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點馬上停止發(fā)送，并等待一個無規(guī)的時間間隔后再嘗試發(fā)送。這個無規(guī)的時間間隔由標準的二進指數(shù)式后退算法(BinaryExponentialBack-offalgorithm—BEB)來確定。

以太網(wǎng)采用“碰撞檢測載波偵聽多路訪問”(CSMA/CD)仲裁機制，在IEEE802.3網(wǎng)絡標準中對它作了描述。在停止發(fā)送的過程中，數(shù)據(jù)“散片”殘留在網(wǎng)絡上。采用這種缺乏優(yōu)先級考慮的“仲裁”機制的網(wǎng)絡一般不具有工業(yè)控制所要求的可靠性、確定性。在工業(yè)控制網(wǎng)絡中往往采用“優(yōu)先級仲裁”機制，如DeviceNet、SDS、CANopen等網(wǎng)絡“非破壞性逐位仲裁載波偵聽多路訪問”(CarrierSenseMulipleAccessWithNonde-structivenBit-wiseArbitration—CSMA/NBA)。Profibus和ControlNet都是典型的令牌傳遞的總線型控制網(wǎng)絡。

令牌總線協(xié)議(IEEE802.4)是一個線性的、多支路樹型或分段的拓撲結構，網(wǎng)絡上的節(jié)點邏輯上組成一個環(huán)。在ControlNet中，每個節(jié)點知道它前一個和后一個的節(jié)點地址，在網(wǎng)絡運行中，持有令牌的節(jié)點可以發(fā)送數(shù)據(jù)，直到發(fā)完要發(fā)的所有數(shù)據(jù)或者用完令牌持有時間，然后該節(jié)點再重新生成一個新的令牌并傳遞給網(wǎng)絡中下一個邏輯節(jié)點。如果某個節(jié)點沒有要傳送的數(shù)據(jù)，它只須將令牌傳給其下一個節(jié)點即可，由于令牌傳遞的對象是邏輯意義的下一個節(jié)點，因而與其物理位置無關。令牌在邏輯上循環(huán)傳遞。每次只有一個節(jié)點可以發(fā)送數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)幀不可能發(fā)生碰撞。令牌總線協(xié)議網(wǎng)絡上每個節(jié)點分配一個唯一的MAC地址(從1到99)，像普通令牌傳遞總線一樣，持有令牌的節(jié)點可以發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡上并沒有真正的令牌在傳輸；每個節(jié)點，監(jiān)視收到的每個數(shù)據(jù)幀的源節(jié)點地址，在該數(shù)據(jù)幀結束之后，每個節(jié)點設置一個隱性令牌寄存器(impicittokenregister)，其值為收到的源MAC地址加1。如果隱性令牌寄存器的值等于某個節(jié)點自己的MAC地址，該節(jié)點就可以立刻發(fā)送數(shù)據(jù)。所有節(jié)點的隱性令牌寄存器在任一時刻的值不同，這就避免了沖突的發(fā)生。如果某個節(jié)點沒有要發(fā)的數(shù)據(jù)，則只須發(fā)一個空的數(shù)據(jù)幀。ControlNet采用了一個特殊的令牌傳遞機制：

隱性令牌傳遞(implicittokenpassing)ControlNet中傳遞隱性令牌的邏輯是通過特別設計的時間分片存取算法來控制，即用并存時間域多路存取(ConcurrentTimeDomainMultipleAccess—CTDMA)算法。在每一個網(wǎng)絡更新時間(NetworkUpdateTime—NUT)內(nèi)自動調(diào)節(jié)網(wǎng)絡上的每個節(jié)點拿到隱性令牌傳送信息的機會。ControlNet的技術規(guī)范規(guī)定可組態(tài)的NU