控制网络系统的构建与实现.ppt

第四章 控制网络系统的构建与实现,概述,工业控制网络要求： 具有较好的响应实时性 高可靠性，能满足工业现场的要求，现场设备或局部网络出现故障能迅速恢复 结构简洁，降低设备成本，提高系统的健壮性 开放性好，尽量不要采用专用网络 现场总线控制网络的构建： 现场总线的选择： 数据传输容量的不同 本质安全的适用性,通信协议的开放性 行业的适用性 不同总线有不同的应用范围，因此选用现场总线时，对现场总线配套产品的开发情况应有清楚的了解。 实时性要求 在工业环境中，现场总线实时传输的是现场设备的运行参数、状态及故障信息和控制室的各种控制、维护与组态命令等。这些信息对实时性要求高，往往涉及系统安全，设计控制网络时需重点考虑。,现场总线控制网络的性能比较,物理特性 传输特性,以太控制网络系统与工业以太网,以太网（Ethernet）是一种计算机局域网组网技术。IEEE制定的IEEE 802.3标准给出了以太网的技术标准。它规定了包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议（CSMA/CD）的内容。以太网是当前应用最普遍的局域网技术。 以太控制网络系统的设计内容： 分析设计目标并确定主要性能指标 确定组网方式 网络拓扑结构设计 网络设备和网络硬件、软件的选择与配置,设计评价指标： 费用 一般是在满足控制网络功能与性能指标的要求下，寻求费用最少的方案。 功能和性能 可靠性 设计任务：根据给定数据，在满足用户功能与性能要求的前提下，选择不同的变量，求得网络代价最小的设计方案。 控制网络系统的构建：5个阶段 系统分析 可行性分析：组建网络的必要性、系统总体目标、系统实现方案的比较、经济技术指标、系统实现的可行性论证、系统的经济效益和社会效益等。 逻辑设计：系统数据流图设计、信息量分析统计与信息量交换表的制定、系统总目标和功能的描述、子系统目标和功能的描述等。,总体规划与设计 主要任务：确定方案 网型选择：建网关键 采用成熟、先进的技术和设备，维修方便 网络应具有可扩充性、兼容性 安全可靠 易于实现数据库管理系统及应用软件开发 性能指标优越 详细设计 工程实施 运行维护,以太控制网络系统的组成 书163图41 星形结构 中心：网络交换机，100M连至服务器 监视工作站：监控控制网络工作状态 控制设备：一般工业PC（以太网卡接入）、PLC（以太网模块接入，不带模块通过RS485/232转换及工业PC接入）、嵌入式控制器（自带以太网模块接入）等，现场总线控制网络通过数据网关接入以太网。 控制设备可通过交换式集线器接入。 控制网络规模较大时，可采用分段结构。 操作系统需满足实时性要求。,工业以太网,工业以太网：在以太网技术和TCP/IP技术的基础上开发出来的一种现场总线。 优点： 应用广泛 支持几乎所有的编程语言 成本低廉 软硬件价格低廉 通信速率高：10M、100M、1000M、10G（研究中） 软硬件资源丰富 可持续发展潜力大 易于与Internet连接 工业以太网在技术上与商用以太网兼容，但因其面向工业现场，产品设计时需满足以下要求：,环境适应性 机械、气候、电磁 可靠性 安全性 安装方便 以太网全面应用于工业控制网络还需解决以下关键技术问题： 适用于工业控制现场的以太网媒体规范问题 不同厂商生产的设备的直连问题 应用层协议问题 需定义统一的应用层规范 通信实时性服务质量控制策略与客观评价问题 网络安全性问题,工业以太网模型,EtherNet/IP指的是“以太网工业协议”(Ethernet Industrial Protocol)。它定义了一个开放的工业标准，将传统的以太网与工业协议相结合。 Ethernet/IP是一个面向工业自动化应用的工业应用层协议。它建立在标准TCP/IP协议之上，利用固定的以太网硬件和软件，为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。 EtherNet/IP是基于TCP/IP系列协议，因此采用以原有的形式OSI层模型中较低的4层。所有标准的以太网通信模块，如PC接口卡、电缆、连接器、集线器和开关都能与 EtherNet/IP 一起使用。,特点： 可以传输多种不同类型的数据 面向连接 用不同的方式传输不同类型的报文 TCP：发送显式报文（协议信息和服务指令），节点接收、解释报文并作出响应 UDP：发送隐式报文（实时数据），其含义在连接建立时已经定义好。 基于生产者/消费者模型，支持多播 支持多种数据触发方式 用对象模型来描述应用层协议 提供设备描述，保证互操作性和互换性,CIP的封装,封装协议定义应用层和传输层的接口，即CIP和TCP/UDP的接口。 封装协议包括：数据包组装、会话管理及用于会话管理的报文。 封装数据包包头格式： 命令 长度 会话句柄 状态 发送者背景 选项 包头长度为24B，其有效数据段的长度为065511B。 命令域命令8种：OP、Registersession、 UnRegistersession、SendRRData只能用TCP传输，其余传输两种皆可。,长度域：封装报文有效数据段的长度 会话句柄域：所建立的会话的编码，由目标节点产生，发给发起节点 状态域：指示接收者是否接收报文，为0接收，否则忽略。 发送者背景域：用于请求报文和回复报文的配对 选项域：给命令提供参数 CIP报文：连接报文和未连接报文 未连接报文在命令域为SendRRData的封装报文中，通过TCP传输。 连接报文在命令域为SendUnitData的封装报文中传输，采用何种协议取决于连接报文的传输类。 7种传输类：06类，4、5、6不常用。,0、1类CIP报文通过UDP传输，可靠性不高，不允许包丢失的情况不宜采用。 报文丢失判断：1类接收者通过检查包的序号判断，0类通过连接超时机制（在一定时间内接收者没有接收到新的数据包终止连接）判断。 0、1类CIP多播报文的传输要用到IP多播技术。两个问题： 确定IP传输的范围：生存时间（TTL）法 IP多播地址分配 2、3类报文通过TCP连接传输。一TCP连接可以传输多个CIP连接。 4、5、6类未给出封装协议。 工业以太网网络拓扑结构：星形、环形、线形,传输介质： 通信线缆和连接件：同轴电缆、双绞线和光缆 工业以太网中通信线缆和连接器件防护要求：对环境的适应性比商业以太网要更强 工业以太网实时性的实现机制 以太网是实时性不高、非确定性的网络，由以太网的介质访问方式（CSMA/CD）决定。不确定是指数据传输的响应和时延“不可预测和再现”。 实现实时性的机制主要包括以下几个方面： 采用交换式集线器（交换机） 集线器：各站点共享带宽，需通过CSMA/CD解决网络碰撞问题 交换机：每个端口就是一个碰撞域，交换机对这些碰撞域进行隔离，并实现碰撞域的连接和数据帧的交换。各端口之间可以同时形成多个数据通道，数据传输互不影响，信息按优先级进行分组传输。,使用全双工通信模式 点对点同时发送、接收，理论上可以使传输速率翻一番。 虚拟局域网（VLAN） VLAN可以克服物理位置的限制，将特定设备组成广播域，从而更加合理地使用带宽，增强网络的安全性。 特征： 一个VLAN中所有设备都是一个广播域的成员 逻辑子网是由被配置为该VLAN成员的所有设备组成 设置：a 基于交换机的端口号（多数）；b 基于设备的MAC地址 地理上的VLAN 端到端的VLAN是通过交换架构进行定义的 一个端口只能标记一个VLAN，不同VLAN信息隔离，避免广播风暴。,VLAN在工业以太网中的作用,分割功能层 将管理层与控制层、不同功能单元在逻辑上分割开；在网络层设备上使用“过滤器”，实现上下层之间的“无缝”连接。 分割部门 不同部门和车间处于同一广播域时，通过VLAN划分功能单元，保证各自子网不受其他网段影响 提高网络的整体安全性 在核心层交换机配置路由访问列表，控制用户访问权限和数据流向（不同VLAN通信必经过第三层路由） 简化网络管理：网管在网管中心即可重新配置,服务质量（QoS）,IP QoS：IP数据流通过网络时的性能，目的是向用户提供端到端的服务质量保证。 QoS是网络的一种安全机制，用于工业以太网（实现了信息层到设备层的无缝集成），当网络过载或拥塞时，确保重要控制数据传输不受延迟或丢弃，同时保证网络的高速运行。 智能网络（使用QoS ）： 能区分实时非实时数据 识别来自控制层的拥有较高优先级别的采样数据和控制数据，优先处理 制止对网络的非法使用 实现智能3个过程：分类；标注化；优先级,网络生存性,网络生存性：以太网用于工业现场控制时，必须具备较强的网络可用性。 内容： 可靠性 可恢复性：设备或网段发生故障时，系统能依靠自动恢复程序恢复，能对故障进行隔离和定位。 网络的可恢复性取决于网络装置和基础组件的组合情况。 可维护性 在线管理发现故障及时处理 可管理性：性能管理、配置管理、变化管理,提高生存性可采用的方法： 冗余设计 端口冗余：设计两个以太网通信端口和冗余切换机制 链路冗余：两个设备通过两条独立的链路连接 设备冗余：同一类型的关键设备进行冗余，一工作，一待机，故障时可迅速切换 冗余双环：双环链路通过具有故障探测与恢复功能的交换机或中继器自动路由，找到合适的链路 故障探测和自恢复 提供快速的故障恢复 限制网络的故障传播,网络安全性 对内网络安全 因其实现了无缝连接，上下网段使用的是相同的协议，可互连与互操作，需制定安全策略，防止本地用户对设备控制域系统的非法访问。 对外网络安全 有连接外部网络的通道，需防止外部非法用户访问内部网络的资源和非法向外传递内部信息。 本质安全与安全防爆技术 防爆技术：隔爆型和本质安全型，实现本质安全的关键技术为：低功耗技术和本安防爆技术。 远距离传输 Ethernet协议规定：双绞线100m，细同轴电缆185m，粗同轴电缆500m,设计时，将控制室与各控制域之间用光纤连接成骨干网，采用屏蔽双绞线连接各控制域的主交换机和现场设备。 互可操作与应用层协议 实现性能类似的设备之间的互换 工业以太网通信设备 网络设备 测控设备,基于现场总线的控制网络设计,Profibus现场总线网络的构建 基于Profibus-DP/PA现场总线的控制系统位于工厂自动化系统的底层，即现场与车间层 控制系统组成： 主站： 一类：PLC、PC或可作为一类主站的控制器，完成总线控制与管理 二类：操作员工作站、编程器、操作员接口等，完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等 从站 PLC（智能型I/O）：执行程序并按程序指令驱动I/O，主站可经由通信间接控制从站PLC的I/O。,分散式I/O （非智能型I/O）：自身不具有程序存储和程序执行，按主站指令驱动I/O，并将I/O输入及故障诊断等信息返回给主站。由主站统一编址。 驱动器、传感器、执行机构等现场设备：由主站在线完成系统配置、参数修改、数据交换等功能。 控制系统配置形式： 1、根据现场设备是否具备Profibus接口分 总线接口型：现场设备不具备Profibus接口，采用分散式I/O作为总线接口。 单一总线型：现场设备都具备Profibus接口，可实现完全的分布式结构。 混合型：现场设备部分具备Profibus接口，可采用现场设备与分散式I/O 混合使用的方法。,2、根据实际应用需要及经费情况分 结构类型1：以PLC或控制器作为一类主站，不设监控站。 结构类型2：以PLC或控制器作为一类主站，监控站通过串行口与PLC一对一地连接。监控站不在Profibus网上，不是二类主站。 结构类型3：以PLC或其他控制器作为一类主站，监控站（二类主站）连接在Profibus总线上。 结构类型4：PC加Profibus网卡作为一类主站，监控站与一类主站一体化。PC故障将导致整个网络瘫痪。 结构类型5：采用PCProfibus网卡SOFTPLC的结构形式。 结构类型6：SOFTPLC的软件产品，形成一个PLC与监控站一体化的控制器工作站。 结构类型7：使用两级网络结构，易于拓展,构建系统应考虑的问题： 1、关于底层设备 现场被控设备是否分散？关键问题 系统对底层设备是否有信息集成要求？ 系统对底层设备是否有较高的远程诊断、故障报警及参数化要求？ 2、系统实时性要求 实时性：现场设备的通信数据更新速率 快速互锁控制、故障保护及闭环控制对系统的实时性有要求。 影响系统实时性的因素： 数据传输速率高 数据传输量小 从站数目少 主站数据处理速度快,单机控制I/O方式 在一条总线上的设备 主站设计原理 3、采用什么样的系统结构配置 在系统结构形式方面需考虑的问题： 该如何分层？ 从站应该采取怎样的形式？需要多少？分布如何？设备如何连接？应根据现场设备的地理分布进行分组，并确定从站个数及从站功能的划分。 主站应该采取怎样的形式？需要考虑从站的数据量、分布情况及主站设备的连接。 选型 选择DP、PA或FMS 确定现场总线数据传输速率 车间级监控及监控站,主站形式 4、与车间自动化系统或全厂自动化系统的连接 是否需要车间级监控，若需要留出接口 设备层数据如何进入车间管理层数据库？ 系统配置及设备选型 选择PLC作一类主站有以下几种形式： 1、CPU带内置Profibus接口 2、Profibus通信处理器 CPU不带Profibus接口，需要配置以下的通信处理器模块： IM308-C接口模板 CP5431 FMS/DP通信处理器 CP342-5通信处理器 CP443-5通信处理器 IF964-DP接口子模块,3、选择PC加网卡作为一类主站 软件功能决定PC作为一类或二类主站 CP5411、 CP5511 、CP5611网卡 CP5X11自身不带微处理器，可运行多种软件包，具有以下功能： DP功能：一类主站，可连接DP分散型I/O设备。 S7 Function：实现SIMATIC S7设备之间的通信 支持SEND/RECEIVE功能 PG Function：使用STEP 7PG/PC支持MPI。 CP5412通信处理器 从站的选取：在满足现场设备控制需要的前提下再考虑Profibus接口问题。不具备接口可考虑分散式I/O方案。,4、DP/PA耦合器 任务：将数据格式从异步（11位）转为同步（8位），将传输速率从45.45kbit/s转换为31.25kbit/s。 分为两类： 非Ex型：可供31台现场仪表使用，最大输出电流400mA Ex型：可供10台现场仪表使用，最大输出电流100mA，经过防爆型认证。 特征： DP和PA之间电位隔离； LED显示诊断； DP总线上的波特率为45.45kbit/s PA总线上的波特率为31.25kbit/s,5、DP/PA链接器 最多由5个类型相同的DP/PA耦合器组成，通过一块主板作为一个工作站连接到DP上，主板既是上位DP的一个从站，又是下位PA的一个主站。带仪表不超过31台，用于总线循环时间要求很高和设备数量较多的场合。 特征与DP/PA耦合器类似，不同在于DP的波特率最大为12Mbit/s。,与Profibus有关的软件,系统启动前先要进行站点配置和参数化工作。支持软件有两种： STEP7，用于SIMATIC S7，集成了其主要设备的所有Profibus通信功能。 COM Profibus参数化软件，用于SIMATIC S7及PC网卡，完成参数化配置。 1、远程I/O从站配置 Profibus参数配置：站点，数据传输速率 远程I/O从站硬件配置：电源、通信适配器、I/O模块 远程I/O从站I/O模块的地址分配 主从站传输的输入/输出的字/字节数及通信映像区地址。 设定故障模式。,2、系统诊断 在线监测故障定位读取故障提示信息 3、第三方设备集成及GSD文件 得到第三方设备GSD文件复制到STEP7 或COM Profibus指定目录完成配置及参数化工作 4、STEP7编程软件 为开发提供了各种工具： SIMATIC管理器 符号编辑器：定义符号名称、数据类型和全局变量的注释 硬件组态：系统组态和各种模板的参数设置 通信配置：用于MPI、ProfibusDP/FMS网络配置 信息功能：语句表、梯形图、控制系统流程图 5、COM Profibus参数化软件：主站、从站,DeviceNet现场总线网络的构建,组建基本步骤： 1、网络规划：选择节点、电缆，布线规划 2、硬件设备连接 3、安装和启动网络组态工具软件 4、将编程终端连接到网上，并建立通信 5、节点预配置：设置节点通信波特率（须一致）；给设备分配节点地址（不允许重复） 6、配置DeviceNet设备参数：设备的I/O数据触发方式、I/O报文的大小及设备本身的运行参数配置 7、保存配置参数：下载到节点设备和DeviceNet扫描器中，保存到网络组态工具软件的配置文件中（用于离线查看）,ControlNet现场总线网络的构建,组建基本步骤： 1、网络规划：选择节点、电缆，布线规划 2、硬件设备连接 3、安装和启动网络组态工具软件 4、将编程终端连接到网上，并建立通信 5