1、第七章羅克韋爾公司的可編程邏輯控制器通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、7.1羅克韋爾綜合通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、7.2 NetLinx開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、7.3 DeviceNet、7.4控制網(wǎng))、7.5工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)、7.6 DH網(wǎng)絡(luò)、7.7 DH-485網(wǎng)絡(luò)、7.8 PROFIBUS通信技術(shù)、7.9網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)安全性分析、7.1羅克韋爾綜合通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、羅克韋爾公司的可編程邏輯控制器自動(dòng)化綜合通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)主要包括Logix控制平臺(tái)、NetLinx開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、可視化平臺(tái)、FactoryTalk羅技控制平臺(tái)提供了各種各樣的具有各種功能的可編程控制器。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的需要，可以選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)用

2、的PLC控制器。NetLinx開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)?？梢暬脚_(tái)方便了系統(tǒng)的使用，提供了統(tǒng)一的、可擴(kuò)展的解決方案，加快了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，降低了使用成本。FactoryTalk是一系列嵌入在集成架構(gòu)的各種組件中的企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)通信服務(wù)，它可以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)生成、傳輸和使用的過(guò)程。7.1羅克韋爾綜合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，例如，在傳統(tǒng)的食品加工生產(chǎn)線自動(dòng)化解決方案中，獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)將受到傳輸性能、通信距離、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量等的限制。根據(jù)工藝要求，通常使用一個(gè)集中控制柜鋪設(shè)多條網(wǎng)絡(luò)線路，如圖7-1所示。7.1羅克韋爾綜合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，配置多個(gè)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)，可以減少每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，然后通過(guò)Control

3、Net連接這些網(wǎng)絡(luò)，不僅可以縮短數(shù)據(jù)采樣周期，提高控制精度，還可以有效節(jié)約項(xiàng)目投資，如圖7-2所示。羅克韋爾的NetLinx是一種基于三層工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，是一種包括信息管理層、數(shù)據(jù)控制層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。它不是一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)，而是一個(gè)特定的混合網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，如圖7-3所示。7.2 NetLinx開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，NetLinx是工業(yè)通信的中樞，為所有羅克韋爾軟件提供完整的驅(qū)動(dòng)程序。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7-4所示。7.2 NetLinx開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，NetLinx的三個(gè)核心元素是采集、配置和控制，它們通過(guò)生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式連接，主要用于信息采集、輸入/輸出數(shù)據(jù)交換和控制操

4、作，如圖7-5所示。7.2、NetLinx開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，NetLink網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖7-6所示。CIP的網(wǎng)絡(luò)功能與媒體無(wú)關(guān)，包括對(duì)象建模、信息協(xié)議、通信對(duì)象、對(duì)象庫(kù)、設(shè)備描述、設(shè)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(shí)時(shí)輸入輸出的隱式消息傳輸，信息協(xié)議主要適用于配置、數(shù)據(jù)采集和診斷等顯式消息傳輸。CIP為NetLinx開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供公共應(yīng)用層和設(shè)備描述，如圖7-7所示。7.2 NetLinx開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，2NetLink基本功能(1)數(shù)據(jù)采集用戶可以根據(jù)實(shí)際控制系統(tǒng)的需要，以固定的時(shí)間間隔或隨時(shí)收集數(shù)據(jù)，并通過(guò)人機(jī)界面顯示數(shù)據(jù)。(2)實(shí)時(shí)控制是基于控制器

5、或智能設(shè)備中存儲(chǔ)的配置信息，通過(guò)數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。可以為單個(gè)設(shè)備選擇輸入/輸出刷新頻率，可以共享輸入數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)控制器的互鎖和對(duì)等消息通信。(3)網(wǎng)絡(luò)配置基于NetLink網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可配置同層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)上層網(wǎng)絡(luò)到下層網(wǎng)絡(luò)的配置。7.2 NetLinx開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的3種連接形式(1)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接形式(2)多點(diǎn)傳輸連接形式(3)廣播形式(4)分級(jí)形式(1)一個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備(2)多個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備(3)對(duì)等5I/O數(shù)據(jù)交換模式(1)輪詢模式(2)循環(huán)刷新模式(3)狀態(tài)改變。7.3設(shè)備網(wǎng)，1設(shè)備網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍(1)設(shè)備網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)系統(tǒng)安裝、調(diào)試和接線簡(jiǎn)單；它可以支持標(biāo)

6、準(zhǔn)設(shè)備和智能設(shè)備；它可以為系統(tǒng)提供重要的設(shè)備級(jí)診斷功能。它可以在計(jì)算機(jī)或設(shè)備上配置；支持網(wǎng)絡(luò)電源(傳感器)和自身電源(執(zhí)行器)的設(shè)備；支持熱插拔或設(shè)備更換，即插即用，不中斷網(wǎng)絡(luò)連接；支持控制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換；兼容多供應(yīng)商設(shè)備。(2)設(shè)備網(wǎng)需要大量的硬連線應(yīng)用項(xiàng)目；有大量設(shè)備連接到多點(diǎn)輸入/輸出模塊(分布式或機(jī)架式)的應(yīng)用項(xiàng)目；需要快速啟動(dòng)的應(yīng)用項(xiàng)目；在數(shù)據(jù)信息中使用多個(gè)簡(jiǎn)短數(shù)據(jù)包的應(yīng)用項(xiàng)目；需要大量設(shè)備級(jí)預(yù)測(cè)診斷功能的應(yīng)用項(xiàng)目；具有多個(gè)小型設(shè)備和設(shè)備間長(zhǎng)距離的應(yīng)用項(xiàng)目。7.3設(shè)備網(wǎng)、2設(shè)備網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳輸媒體設(shè)備網(wǎng)是一種方便連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)自由，通常由干線和支線組成。其拓?fù)浣Y(jié)

7、構(gòu)如圖7-8所示。7.3設(shè)備網(wǎng)。設(shè)備網(wǎng)的電纜結(jié)構(gòu)如圖7-9所示。7.3、DeviceNet中，不同的電纜，在不同的網(wǎng)絡(luò)速率下，主干的最長(zhǎng)距離和分支的累計(jì)長(zhǎng)度是不同的，分別如表7-1、表7-2和表7-3所示。根據(jù)以下條件計(jì)算設(shè)備網(wǎng)干線長(zhǎng)度。案例1如圖7-10所示。7.3設(shè)備網(wǎng)，案例2，如圖7-11所示。7.3設(shè)備網(wǎng)，案例3，如圖7-12所示。7.3設(shè)備網(wǎng)。設(shè)備網(wǎng)上的典型設(shè)備(如傳感器、接觸器、開(kāi)關(guān)、按鈕、操作接口、變頻器等。)如圖7-13所示。7.3設(shè)備網(wǎng)，3設(shè)備網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(1)網(wǎng)絡(luò)電源設(shè)計(jì)設(shè)備網(wǎng)的電源連接如圖7-14所示。7.3設(shè)備網(wǎng)。當(dāng)連接兩個(gè)以上的電源時(shí)，電源的接地線應(yīng)連接在一起，并且

8、只能接地，電源的正極端子必須斷開(kāi)，如圖7-15所示。7.3 DeviceNet，(2)共模電壓漂移共模電壓是同時(shí)施加在兩個(gè)測(cè)量端子和指定公共端子之間的輸入電壓。從DeviceNet網(wǎng)絡(luò)中繼線的電源獲取的電流和網(wǎng)絡(luò)中繼線的長(zhǎng)度直接影響共模電壓的漂移。(3)3)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)點(diǎn)的終端電阻分別連接到干線的末端；網(wǎng)絡(luò)接地有一個(gè)獨(dú)特的接地點(diǎn)；干線和支線的總長(zhǎng)度不能超過(guò)波特率允許的范圍；干線具有線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；掃描儀分配的站號(hào)為0；站號(hào)的使用不得超過(guò)61號(hào)，62號(hào)為配置終端預(yù)留，63號(hào)為新設(shè)備預(yù)留；支線長(zhǎng)度不能超過(guò)6m；滿載時(shí)，網(wǎng)絡(luò)末端的共模電壓滿足技術(shù)性能要求。7.3設(shè)備網(wǎng)，4設(shè)備網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸(

9、1)設(shè)備網(wǎng)CAN技術(shù)的電壓和時(shí)間波形如圖7-16所示。7.3、設(shè)備網(wǎng)，(2)網(wǎng)絡(luò)控制器局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的電壓和負(fù)載電阻在允許的電壓范圍內(nèi)，這是信號(hào)正確的保證。網(wǎng)絡(luò)的白色線和藍(lán)色線的電壓值相對(duì)于黑色線，黑色線的信號(hào)在2.5V DC(隱藏狀態(tài))和4.0V DC(主導(dǎo)狀態(tài))之間波動(dòng)?？刂破骶钟蚓W(wǎng)信號(hào)在1.5伏DC(顯性)和2.5伏DC(隱性)之間波動(dòng)。(3)設(shè)備網(wǎng)的電平和信號(hào)設(shè)備網(wǎng)上CAN信號(hào)傳輸?shù)奈锢頎顟B(tài)是特定電平范圍的方波信號(hào)，如圖7-17所示。7.3設(shè)備網(wǎng)，(4)設(shè)備網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包格式如圖7-18所示。，7.3設(shè)備網(wǎng)，(5)設(shè)備網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符結(jié)構(gòu)設(shè)備網(wǎng)控制器局域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符是11位結(jié)構(gòu)，它是一

10、種信息類(lèi)型的標(biāo)識(shí)符。信息類(lèi)型分為四組，每組有不同的信息源和優(yōu)先級(jí)。設(shè)備網(wǎng)控制器局域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符的組信息結(jié)構(gòu)如表7-4所示。設(shè)備網(wǎng)控制器局域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符詳情見(jiàn)表7-5。7.3設(shè)備網(wǎng)，(6)設(shè)備網(wǎng)消息仲裁機(jī)制設(shè)備網(wǎng)每個(gè)數(shù)據(jù)包最多只能傳輸8B數(shù)據(jù)。如果請(qǐng)求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊超過(guò)8B，則必須以包的形式傳輸。分包發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)只有7B，第一個(gè)字節(jié)將作為分包的標(biāo)識(shí)。例如，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包是01 02 03 04 05 06 07 08 09 11 22 33 44 55 08 09 11 22 33 44 55 66 77 88 99。分包數(shù)據(jù)包如圖7-19所示。7.4控制網(wǎng))、1控制網(wǎng))、1控制網(wǎng)的技術(shù)特征

11、、高速輸入輸出控制采集和對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)；高效的網(wǎng)絡(luò)能力；主干網(wǎng)上的設(shè)備沒(méi)有物理安裝位置限制；同一網(wǎng)絡(luò)可以支持99個(gè)節(jié)點(diǎn)；靈活的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)可以從任何節(jié)點(diǎn)接入；用戶配置簡(jiǎn)單，用戶可選擇控制和輸入輸出更新速率，節(jié)點(diǎn)的增減不影響更新速率；開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)。7.4控制網(wǎng)(ControlNet)、2控制網(wǎng)拓?fù)浜蛡鬏斀橘|(zhì)控制網(wǎng)拓?fù)淙鐖D7-20所示。7.4、控制網(wǎng)絡(luò)(ControlNet)，控制網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)媒體如圖7-21所示。7.4控制網(wǎng)，水龍頭的外觀如圖7-22所示。7.4控制網(wǎng)，控制網(wǎng)上的典型設(shè)備，如邏輯控制器、輸入/輸出設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、變頻器、過(guò)程控制設(shè)備、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，如圖7-23所示。7.4控制網(wǎng)，一個(gè)網(wǎng)

12、段中最長(zhǎng)的中繼電纜長(zhǎng)度可達(dá)1000米，在此時(shí)間限制內(nèi)有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)連接；一個(gè)網(wǎng)段最多可以有48個(gè)節(jié)點(diǎn)，電纜長(zhǎng)度限制為250米，這是兩種極端情況。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，網(wǎng)段中同軸電纜的長(zhǎng)度縮短，每增加一個(gè)站點(diǎn)，電纜長(zhǎng)度縮短約16m，其線性關(guān)系如圖7-24所示。7.4控制網(wǎng))，控制網(wǎng)的干線電纜段主要由同軸干線電纜、分路器隔離和終端電阻組成。網(wǎng)絡(luò)受限的主要原因是信號(hào)衰減，這將發(fā)生在這三個(gè)部分：控制網(wǎng)可以允許網(wǎng)絡(luò)信號(hào)衰減；電纜長(zhǎng)度引起的信號(hào)衰減；分接開(kāi)關(guān)引起的信號(hào)衰減。如圖7-25所示。7.4、控制網(wǎng)(ControlNet)，控制網(wǎng)可以建立冗余網(wǎng)絡(luò)，如圖7-26所示。7.4控制網(wǎng)，3控制網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)交換機(jī)制

13、控制網(wǎng)傳輸幅度為0.51毫伏8.2V、脈沖寬度為80120毫微秒的方波信號(hào)。當(dāng)信號(hào)從一個(gè)站傳輸?shù)搅硪粋€(gè)站時(shí)，物理傳輸介質(zhì)將產(chǎn)生硬件延遲，這稱(chēng)為時(shí)隙。任意兩個(gè)站點(diǎn)之間的總延遲時(shí)間不能超過(guò)121秒的最大傳播延遲時(shí)間。如果是冗余網(wǎng)絡(luò)，不僅要分別計(jì)算通道A和通道B的延遲時(shí)間，還要計(jì)算兩個(gè)通道之間的時(shí)間差，一般不能超過(guò)6.4秒，7.4控制網(wǎng)絡(luò)(ControlNet)，4控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次控制網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議層次如圖7-27所示。7.4控制網(wǎng)，5控制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)控制網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖7-28所示。例如，7.4控制網(wǎng)絡(luò)(ControlNet)，在控制網(wǎng)絡(luò)上有一個(gè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和三個(gè)數(shù)據(jù)消費(fèi)者，如圖7-29所示。

14、7.4控制網(wǎng)。在圖7-29中，三個(gè)數(shù)據(jù)消費(fèi)者過(guò)濾和丟棄數(shù)據(jù)包的過(guò)程如圖7-30所示。7.4控制網(wǎng)，6網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間(NUT)控制網(wǎng)系統(tǒng)將每個(gè)NUT分為三個(gè)主要部分：計(jì)劃部分、非計(jì)劃部分和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)部分，如圖7-31所示。7.4控制網(wǎng)，(1)預(yù)定部分的數(shù)據(jù)刷新機(jī)制如圖7-32所示。7.4控制網(wǎng)，(2)非計(jì)劃部分的數(shù)據(jù)刷新機(jī)制如圖7-33所示。7.4控制網(wǎng)，(3)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)部分，即網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)維護(hù)期到來(lái)時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)都停止發(fā)送數(shù)據(jù)。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)不能在維護(hù)期開(kāi)始前發(fā)送完數(shù)據(jù)，它就不能在這個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。在維護(hù)期間，具有最小媒體訪問(wèn)控制標(biāo)識(shí)的節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器，發(fā)送維護(hù)數(shù)據(jù)消息(協(xié)調(diào)幀)，以完成網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)

15、的螺母定時(shí)器和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)數(shù)據(jù)參數(shù)的同步。以太網(wǎng)是最早的局域網(wǎng)，也是目前最流行的局域網(wǎng)。以太網(wǎng)的原始原型來(lái)自夏威夷大學(xué)的ALOHA網(wǎng)絡(luò)。1973年，施樂(lè)帕洛阿爾托研究中心的研究人員羅伯特梅特卡夫和大衛(wèi)博格斯基于ALOHA網(wǎng)絡(luò)，采用CSMA/光盤(pán)算法設(shè)計(jì)了一個(gè)通信速率為2.94兆位/秒的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，作為阿爾托工作站之間的互連網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)引起了廣泛關(guān)注。7.5工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，2工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須在短時(shí)間內(nèi)靈活響應(yīng)并滿足控制要求，保證網(wǎng)絡(luò)容量，最大限度地利用其機(jī)器和設(shè)備，并最大限度地減少停機(jī)時(shí)間。所有生產(chǎn)過(guò)程和管理過(guò)程必須相互作用。這要求自動(dòng)化和信息技術(shù)領(lǐng)域中使用的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)必須滿足以下先決條件：(1)連續(xù)的信息流從傳感器/致動(dòng)器層傳輸?shù)焦S管理層；整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各站點(diǎn)的信息有效性；工廠各部門(mén)之間的快速數(shù)據(jù)交換。7.5工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，3工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用機(jī)制(1)交換技術(shù)(2)自動(dòng)傳感功能(3)自動(dòng)協(xié)商功能(4)冗余技術(shù)(4)工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，目前其市場(chǎng)份額已達(dá)到80%。7.5工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，工業(yè)以太網(wǎng)的5種常見(jiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(1)總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，易于擴(kuò)展，可靠性好，總線不封閉，易于增加或減少節(jié)