第九章Rockwell三层网络体系

一、NetLinx简介RockwellAutomation

已经推出了先进的工业控制网络技术NetLinx开放网络体系结构。NetLinx

体系结构包括一系列网络服务，相同的应用层协议，以及开放的软件接口，以保证高效、无缝的信息以及控制数据流。网络设计的最重要的目标，就是在同一网络上实现实时控制、系统组态以及数据采集等多种不同的功能。NetLinx体系结构包括三层开放的网络技术：

DeviceNet,ControlNet和EtherNet/IP。NetLinx网络架构中三层网络技术及规范已经先后成为广泛接受的国际标准。第九章Rockwell三层网络体系深入浅出NetLinx网络架构机械工业出版社DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP三层网络结构无论是单独应用其中某种网络技术，抑或结合起来应用于不同行业：DeviceNet–适用于简单智能设备，需要提供诊断能力、减少接线和安装成本，提供即插即用方案，需要密封式介质，适合于小型分组数据通讯的场合。ControlNet–如果应用的首要要求是实时数据传送，要求较高的确定性和/或介质冗余，通讯速率更高，中等大小的分组数据传送，要求可重复的规划数据，或者需要本征安全的设备时。EtherNet/IP–需要有效的工厂级管理信息通讯，要求更多的数据采集站点，需要处理大量报文数据的场合，利用成熟的技术，可以降低成本。Profibus-PAProfibus-DP西门子以太网CIP协议突出网络效率，可在同一介质上实现实时控制、设备组态以及数据采集等工作。

控制部分用以进行实时I/O数据传送和互锁。信息处理部分用以进行报文信息的交换，如对等的通讯、报警、组态、操作员显示站以及故障诊断等。NetLinx体系结构的核心技术是：控制与信息协议（CIP，ControlandInformationProtocol）也称为通用工业协议（CommonIndustrialProtocol）。CommonIndustrialProtocol(CIP)

通用工业协议

CIP包含了各种工业实时控制需要的服务和行规(Profiles);

CIP将网络上数据按照有实时控制要求和没有实时控制要求以不同的优先等级区别对待。CIPMessageRouting,ConnectionManagementCIPDataManagementServicesExplicitMessages,I/OMessagesCIPApplicationLayerApplicationObjectLibrarySemi-conductorValvesDrivesRobotsOther通用工业协议CIP

（CommonIndustrialProtocol）设备应用描述AppProfilesLay7应用层DeviceNetSpecificationEthernet(IEEE802.3)CAN(ISO11898)ControlNetSpecificationControlNetSpecificationApplicationCIPDeviceProfilesDataLinkPhysicalNetworkTransportSessionPresentationDeviceNetSpecificationEthernetCSMA/CD(IEEE802.3)Future???InternetProtocolUDPTCPCIPEncapsulationCIPMessageRouting,ConnectionManagementCIPDataManagementServicesExplicitMessages,I/OMessagesCIPApplicationLayerApplicationObjectLibraryMotorStarterPneumaticValvesACDrivesPositionControllerOtherProfilesCIPDeviceNetEtherNet/IPControlNet未来网络技术CTDMA就象同一种语言让不同地区的人们能够直接进行交流，CIP让DeviceNet、ControlNet以及EtherNet/IP网络无缝集成；无须附加编程，用户即可直接从任意一点访问、组态并维护以上任意网络中的任意设备。BBDeviceNetControlNetEtherNet/IPBCIPCIPBCIPCIP对于用户而言，

所有CIP工业网络是无缝集成的“一种”网络二、控制和信息协议（CIP）控制和信息协议（CIP，ControlandInformationProtocol；也称为通用工业协议，CommonIndustrialProtocol）是一种为工业应用开发的应用层协议。DeviceNet,ControlNet和EtherNet/IP三种网络所采用。

CIP是设计工业控制设备的基于对象的一种方法(例如体系结构、数据类型、服务等)，它是独立于特定网络的应用层协议，提供了访问数据和控制设备操作的服务集。三种网络的网络模型和ISO/OSI参考模型对照DeviceNet是一种基于CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域网）的网络，除了其物理层的传输介质、收发器等是自己定义的以外，物理层的其他部分和数据链路层都采用CAN的协议。ControlNet的物理层是自己定义的，数据链路层用的是并存时间域多路存取(ConcurrentTimeDomainMultipleAccess—CTDMA)协议。EtherNet/IP是一种基于以太网技术和TCP/IP技术的工业以太网，其物理层和数据链路层用的是以太网协议，网络层和传输层用的是TCP/IP协议族种的协议。EtherNet/IP

IEC61158及IEC61784标准工业以太网UDPARPIPRARPICMPOSPFTCPFTPHTTPBOOTPDHCPOPCSNMPIGMPIGRPIEEE802.3EthernetUDPIPTCPCIPUpperLayers(Session,Presentation,Application,DeviceProfiles)DataLink&PhysicalLayersNetworkLayerTransportLayerExplicitMessagingReal-timeI/O

ControlEtherNet/IP=标准TCP/IP以太网+CIP1、生产者/消费者(客户)网络模型

(Producer/ConsumerModel)

工业自动化网络中有两种主要的网络模型：

源/目的地模型(Source/Destination)

生产者/消费者(Producer/Consumer)1）源/目的地模型典型的源/目的地模型的一个数据包如下所示：1、主/从系统：主/从是一个层次体系，系统中包含一个发起所有通信的主机，从机只能跟主机通信并且以“只答”的方式，当用于I/O信息时，这种网络就只能限于这种功能。2、点对点结构：点对点结构优于主从结构，在点对点的系统中，设备既可以发起通信，也可以回应系统中其他设备的请求。为保证节点设备都有机会发送信号到网络，大多数点对点的网络使用某种类型的令牌传递算法；但点对点网络的灵活性使得控制器之间的互锁问题更加复杂化，响应的时间随着网络的负载、需传送信息的节点与当前令牌持有者之间“距离”有很大的不定性。“源-目的地”(Source-Destination)通讯模式：需要将单一的报文逐一传送到各个相关设备，这样的解决方案有较明显的缺点和局限性。无论对于网络还是网络设备，都占用了更多的时间和带宽，效率较低。网络节点数量、网络拓扑的变化、网络通讯任务量的变化，都会影响网络相应的时间，网络数据传送的确定性、可重复性较差。基于源/目的地的网络在把同样数据发往不同节点时都消耗了过多带宽，实现协同控制将更加困难，数据到达每个驱动器的时间是不同的。CIP中采用了个全新的生产者/消费者网络模型。在生产者/消费者模型中，信息按内容来标识，如果一个节点要接收一个数据，仅仅需识别与此信息相连的特定的标识符，每个数据包不再需要源地址位和目标地址位。2）生产者/消费者模型数据是按内容进行标识的，数据源只需将数据发送一次。许多需用此数据的节点通过在网上同时识别这个标识符，可同时从同一生产者取用此消费同一数据。消费者节点之间可实现精确的同步，而且提高了带宽的有效使用率，其他的设备加入网络后并不增加网络负载，因为它们同样可以消费这些相同的信息。当节点发送多个数据组时，对每个数据组使用不同的标识符。工作原理例如：一间房间内有20个人，把当前的时间通知给其中数人。源/目的模式中，时间信息被逐个告知室内每个人，其中有的人可选择听，另一些人则选择不听。在信息的逐个传输过程中，时间已发生变化，因此数据在传给第一个人以后就变得不准确了。当室内人数增加时，通信时间也就增加了。生产者/客户模式中，时间信息被同时告知室内20人，所有人同时听到，有些人需要则听，其他则选择不听。这样就不会出现信息失真的现象，室内人数的增减也不会影响通信时间和效率，因而保证了高效率和高确定性。一个使用生产者／消费者模型示例。2、显性报文和I/O报文

(ExlicitandI/Omessaging)CIP协议可以传输多种类型的数据，CIP根据所传输的数据对传输服务质量要求的不同，把报文分为两种：显性报文和I/O报文

工厂控制层网络传送：

（1）一般的计算机通信网络中需传送的报文（2）传送实时的输入/输出(I/O)控制信息及整个控制系统中各控制器互锁信息等。显性报文用来上载和下载程序，修改设备组态，记载数据日志，作趋势分析和诊断等功能。这种类型的报文在数据量的大小和使用频率上都是非常不确定的。

I/O报文I/O报文在本质上是隐性的(Implicit)，也称为隐性报文。它是数据域中常不包括协议信息，仅仅是实时的I/O控制数据，这些数据的含义是预定义的。在节点中对处理这些数据所需的时间大大减小。这种类型的报文而必须引入的附加量(overhead)小，数据短，使用频率一致，并且需要高的性能：对I/O报文传送的可靠性，送达时间的确定性及可重复性有很高的要求。3、I/O触发机制CIP支持多种I/O数据触发方式。除了传统的轮询方法外，CIP还允许用两种新的功能的I/O触发方法：状态改变发送(Change-of-State)和周期I/O发送(Cyclic)（1）轮询轮询是从源/目的地模型产生的，它本质上是一种两个报文的双向处理(发送方输出数据命令，接收节点收到后作出响应并把反应送回)，往往用在主机到它的从机之间。许多轮询周期充满了相同的输入和输出数据，这些冗余的数据浪费了大量网络带宽。（2）状态改变(基于事件)触发机制状态改变(基于事件)触发机制的系统中，仅当数据改变时节点发送数据，并同时发送给所有需要该数据的节点，没有轮询周期带来的延迟。同时一个作为背景的心跳(heart-beat)信息可以周期地发送，消费者可用它来辨别设备是状态没有改变还是设备不在线(离线)。采用状态改变触发机制可以显著的降低网络阻塞和负载，特别当设备需要重复的接收、处理和生成同一种数据时。（3）周期性发送周期性发送(基于时间)时，数据可根据用户选择的速度来产生，数据的更新速度与节点和应用相匹配。例如在优化的PID控制中，传感器的信息可以以精确的间隔进行采样，或者控制器可以收集大块数据后以每秒若干次且大于操作员界面的反应速度进行发送。这样，可为快速变化的IO信息的节点保留了带宽。4、通信模式CIP支持多种通信模式，包括：

主从（Master/Slaver）、多主（Multi-Master）、对等（Peer-to-Peer），或者三种模式的任意组合在主从通信模式中，网络上的节点地位是不平等的，网络由一个主节点和若干个从节点组成，典型的主从网络是由一台控制器和若个台被控单元组成。在多主通信模式中，网络上有多个主节点。在对等通信模式中，网络上各个节点的地位是平等的，没有主从之分。5、面向连接

CIP另一个重要特点是面向连接，在通信开始之前必须建立起连接，获取唯一的连接标识符（ConnectionID――CID）。如果连接涉及到双向的数据传输，就需要两个CID。CID的定义及格式是与具体网络有关的，比如DeviceNet的CID定义是基于CAN标识符的。通过获取CID，连接报文就不必包含与连接有关的所有信息，只需要包含CID即可，从而提高了通信效率。ControlNet是1997年推出的一种新的面向控制层(监控级)的实时性现场总线网络。

(1)ControlNet在单根电缆上支持两种类型的信息传输：一是对时间有苛求的控制信息和I/O数据，ControlNet授予它们最高的优先权，保证其不受其他信息的干扰，具有确定性和可重复性；二是无时间苛求的信息发送和程序上/下载，它们被授予较低的优先权，在保证第一种类型信息传输的条件下进行传递。

(2)ControlNet生产者/客户模式取代了传统的源/目的模式，不仅支持传统的点对点通信，而且允许同时向多个设备传递信息。三、ControlNet1、ControlNet物理层

ControlNet物理媒介可以使用电缆和光纤，电缆使用RG-6/U同轴电缆(和有线电视电缆相同)，其特点是廉价、抗干扰强、安装简单。使用标准BNC连接器和无源分接器(Tap)，分接器允许节点安装在网络的任何地方，每个网段可延伸1000m，并且可用中继器(Repeater)进行扩展。在户外、危险及高电磁干扰环境下可使用光纤。当与同轴电缆混接时，可延伸到25km，其距离仅受光纤的质量所限制。

2、媒质访问

媒质访问控制使用时间片算法(TimeSlice)，保证每个节点之间的同步带宽的分配。根据实时数据的特性，带宽预先保留或预订(Scheduled)用来支持实时数据的传送，余下的带宽用于非实时或未预订(Unscheduled)数据的传送；实时数据包括I/O信息和控制器之间对等信息的互锁(Interlocking)非实时数据包括显性报文(ExplicitMessaging)和连接的建立。

ControlNet数据链路层的

介质存取控制协议

网络上各节点要通信时，哪个节点有优先权在网上发送数据?几个节点同时在网上发送数据，发生“碰撞”时，谁有权继续发送?各种网络的MAC协议就是负责整个“仲裁”的。

当一个节点要发送数据时，它首先侦听网络。如果侦听到网络是“忙”的，它就等待，直到侦听到“空”时马上发送。如果两个或更多个节点侦听到网络是“空”时，并同时向网络上发送数据，不同节点发送的数据的同时也在侦听。如侦听到发生碰撞，正在发送数据的节点马上停止发送，并等待一个无规的时间间隔后再尝试发送。这个无规的时间间隔由标准的二进指数式后退算法(BinaryExponentialBack-offalgorithm—BEB)来确定。

以太网采用“碰撞检测载波侦听多路访问”(CSMA/CD)仲裁机制，在IEEE802.3网络标准中对它作了描述。在停止发送的过程中，数据“散片”残留在网络上。采用这种缺乏优先级考虑的“仲裁”机制的网络一般不具有工业控制所要求的可靠性、确定性。在工业控制网络中往往采用“优先级仲裁”机制，如DeviceNet、SDS、CANopen等网络“非破坏性逐位仲裁载波侦听多路访问”(CarrierSenseMulipleAccessWithNonde-structivenBit-wiseArbitration—CSMA/NBA)。Profibus和ControlNet都是典型的令牌传递的总线型控制网络。

令牌总线协议(IEEE802.4)是一个线性的、多支路树型或分段的拓扑结构，网络上的节点逻辑上组成一个环。在ControlNet中，每个节点知道它前一个和后一个的节点地址，在网络运行中，持有令牌的节点可以发送数据，直到发完要发的所有数据或者用完令牌持有时间，然后该节点再重新生成一个新的令牌并传递给网络中下一个逻辑节点。如果某个节点没有要传送的数据，它只须将令牌传给其下一个节点即可，由于令牌传递的对象是逻辑意义的下一个节点，因而与其物理位置无关。令牌在逻辑上循环传递。每次只有一个节点可以发送数据，因而数据帧不可能发生碰撞。令牌总线协议网络上每个节点分配一个唯一的MAC地址(从1到99)，像普通令牌传递总线一样，持有令牌的节点可以发送数据。网络上并没有真正的令牌在传输；每个节点，监视收到的每个数据帧的源节点地址，在该数据帧结束之后，每个节点设置一个隐性令牌寄存器(impicittokenregister)，其值为收到的源MAC地址加1。如果隐性令牌寄存器的值等于某个节点自己的MAC地址，该节点就可以立刻发送数据。所有节点的隐性令牌寄存器在任一时刻的值不同，这就避免了冲突的发生。如果某个节点没有要发的数据，则只须发一个空的数据帧。ControlNet采用了一个特殊的令牌传递机制：

隐性令牌传递(implicittokenpassing)ControlNet中传递隐性令牌的逻辑是通过特别设计的时间分片存取算法来控制，即用并存时间域多路存取(ConcurrentTimeDomainMultipleAccess—CTDMA)算法。在每一个网络更新时间(NetworkUpdateTime—NUT)内自动调节网络上的每个节点拿到隐性令牌传送信息的机会。ControlNet的技术规范规定可组态的NU