《工业控制系统信息安全》课件-第二节 工业数据通信的实例与仿真 -p2

ModBus通信协议主从查询—回应Modbus协议是一个master/slave架构的协议。有一个节点是master节点，其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave节点。每一个slave设备都有一个唯一的地址。ModBus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据和错误检测域。从设备回应消息也由ModBus协议构成，包括确认要行动的域、要返回的数据和错误检测域。所有设备都会收到命令，但只有指定位置的设备会执行及回应指令。所有的Modbus命令包含了检查码，以确定到达的命令没有被破坏。基本的ModBus命令能指令一个RTU改变它的寄存器的某个值，控制或者读取一个I/O端口，以及指挥设备回送一个或者多个其寄存器中的数据功能代码告之从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。常用ModBus协议ASCII方式起始位设备地址功能代码数据LRC校验结束符1个字符2个字符2个字符N个字符2个字符2个字符RTU方式起始位设备地址功能代码数据CRC校验结束符T1-T2-T3-T48位8位N个字符2个字符T1-T2-T3-T4数据的校验的方式有两种，LRC（纵向冗余校验）和CRC（循环冗余校验）。以太网格式常用ModBus协议主设备查询格式从设备响应格式现场总线现场总线被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。现场总线现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络，是以数据通信代替传统4~20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemount公司的HART，CarloGavazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），ModBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有80%左右的市场。现场总线现场总线除具有一对N结构、互换性、互操作性、控制功能分散、互连网络、维护方便等优点外，还具有如下特点：网络体系结构简单综合自动化功能容错能力强提高了系统的抗干扰能力和测控精度现场总线-FF总线基金会现场总线FF（FoundationFieldbus）FF的参考模型具备ISO/OSI参考模型中的三层，即物理层、数据链路层和应用层，并按照现场总线的实际要求，把应用层划分为两个子层——总线范围子层与总线报文规范子层。此外，FF增加了用户层，因此可以将通信模型看作是四层。物理层规定了信号如何发送；数据链路层规定如何在设备间共享网络和调度通信；应用层规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式；用户层用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块、设备描述，实现网络管理、系统管理等。现场总线-过程现场总线ProfiBusProfiBus是PROCESSFieldbus的缩写。ProfiBus针对不同的应用需要推出了三种类型：ProfiBus-DP(DecentralizedPeriphery)、ProfiBus-PA(ProcessAutomation)和ProfiBus-FMS(FieldbusMessageSpecification)。这三种类型均使用统一的总线访问协议，其中PROFIBUS-DP采用经过优化的高速、廉价通信连接，专为自动控制系统和设备级的分散I/O之间通信设计，能满足设备级分布式控制系统的实时性、稳定性和可靠性的要求；PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，数据传输采用IEC11582标准，支持本质安全要求和总线供电；PROFIBUS-FMS用来解决车间级通信任务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，较DP通信量大，使用更灵活，服务复杂多样，但实时性能稍低。所以，PROFIBUS覆盖了制造业自动化、楼宇自动化和过程自动化等多个自动化领域。现场总线-过程现场总线ProfiBus过程现场总线Profibus传输速度可在9.6Kbps～12Mbps范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。Profibus-DP（DecentralizedPeriphery)和Profibus-PA（ProcessAutomation)是目前最常用的两种类型现场总线。它们主要使用主-从方式，通常周期性地与总线设备进行数据交换。Profibus-DP，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。可实现高速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输，用于连接Profibus-PA和加工自动化。该协议定义了第一、二层和用户接口，第三层到第七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同Profibus-DP设备的设备行为。Profibus-DP采用RS-485作为物理层的连接接口，网络的物理连接采用屏蔽单对双绞铜线的A型电缆。Profibus-PA，专为过程自动化设计，可使传感器（变送器)和执行机构连在一根总线上。十分适合防爆安全要求高、通信速度低的过程控制场合，可以提供总线供电。该协议定义了第一、二、七层，第三层到第六层未加描述。现场总线-过程现场总线ProfiBus随着商务、办公领域的IT技术在企业信息化中的影响越来越大，ProfiBus又提出了结合Ethernet的解决方案——ProfiNet，ProfiNet采用了对象模型（COM/DCOM)，通过TCP/IP很容易实现对外信息的交换，原有的PROFIBUS设备通过代理接口也可以方便地集成到ProfiNet中。ProfiNet可以看作ProfiBus结合IT技术后的纵向向上拓展，这一拓展对实现企业的管控一体化具有重大意义。需要注意，在一些数据量较大、实时性要求不十分严格的车间级通信中ProfiNet已经逐渐取代了原来ProfiBus-FMS的地位。所以在谈到ProfiBus技术时，主要指PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA以及ProfiNetPROFIBUS-DP的协议结构EngineControlTransmissionControlAnti-lockBrakesActiveSuspensionLightingPowerSeatsAirConditionPowerLocksPowerWindowAirbagDashBoardEngineControlTransmissionControlAnti-lockBrakesActiveSuspensionLightingPowerSeatsAirConditionPowerLocksPowerWindowAirbagCANCANCANCANCANCANCANCANCANCANDashBoardCANCAN现场总线-CANCAN是ControllerAreaNetwork的缩写，中文称为控制局域网。它是德国Bosch公司在1986年为解决现代汽车中众多测量与控制部件之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线，已成为ISO国际标准ISO11898。虽然该技术最初是服务于汽车工业，但由于其在技术与性价比方面的优势，在众多领域得到了应用。CAN总线规范了任意两个CAN节点之间的兼容性，包括电气特性及数据揭示协议。CAN协议分为两层：物理层和数据链路层。物理层决定了实际传送过程中的电气特性，在同一网络中，所有节点的物理层必须保持一致，但可以采用不同方式的物理层。CAN的数据链路层功能包括帧组织形式，总线仲裁和检错、错误报告及处理，确认哪个信息要发送，确认接收到的信息以及为应用层提供接口等。CAN总线控制系统的结构常用CAN节点的结构物理层数据链路层现场总线-CANCAN在可靠性、实时性与灵活性方面具有独特的优势，主要表现在以下7个方面：（1）CAN总线网络上的任意一个节点均可在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，而不分主从。（2）CAN采用载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性总线仲裁技术。一是先听再说，二是当多个节点同时向总线发送报文而引起冲突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线仲裁时间。（3）通信灵活，可方便地构成多机备份系统及分布式检测、控制系统。（4）网络上的节点可分成不同的优先级以满足不同的实时要求。采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据。（5）具有点对点、一点对多点及全局广播传送接收数据的功能。通信距离最远可达10km（速率为5Kbps），在400m通信距离内，通信速率最高可达1Mbps。网络节点数实际可达110个。（6）每一帧的有效字节数为8，这样传输时间短，受干扰的概率低；每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低，可靠性极高。在传输信息出错严重时，节点可自动切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。（7）通信介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤。现场总线-DeviceNetDeviceNet是由Allen-Bradley公司（Rockwell自动化）开发的一种基于CAN的开放的现场总线标准。DeviceNet用户组织（ODVA）负责发布DeviceNet规范以及对DeviceNet标准进行维护。就像其他的协议一样，DeviceNet协议最基本的功能是在设备及其相应的控制器之间进行数据交换。因此，这种通信是基于面向连接的（点对点或多点传送）通信模型建立的。这样，DeviceNet既可以工作在主从模式，也可以工作在多主模式。DeviceNet的报文主要分为高优先级的进程报文（I/O报文）和低优先级的管理报文（直接报文）。两种类型的报文都可以通过分段模式来传输不限长度的数据。DeviceNet的通信和应用都是基于对象模型的。预先定义好的对象简化了不同厂商的不同设备间的数据交换。通过建立不同设备的子集，用户可以从进一步的规范化中获益。现场总线-ControlNetControlNet基于改型CANBUS技术，用于PLC与计算机之间的通信网络。它可连接拖动装置、穿并行设备、PC、人机界面等。它还可以沟通逻辑控制和过程控制系统，传输速率为5Mb/s。控制网网络是一种高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输。它为对等通信提供实时控制和报文传送服务。它作为控制器和I/O设备之间的一条高速通信链路，综合了现有各种网络的能力。控制网是一种现代化的开放网络，它提供如下功能：对在同一链路上的I/O实时互锁、进行对等通信报文传送和编程操作，均具有相同的带宽；对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性。现场总线应用领域ProfiBusInterBusDeviceNetControlNet制造业自动化

汽车制造（机器人、装配线、冲压线等），造纸，纺织；过程控制自动化

石化，制药，水泥，食品，啤酒。电力

发电，输配电：楼宇

空调，风机，照明；铁路交通

信号系统。现在是欧洲标准，应用在汽车、印刷等领域。DeviceNet的应用包括：汽车，半导体芯片制造，电子产品制造，食品和饮料，批量生产化学处理，装配，包装和物料转移ControlNet总线由Allen-Bradley公司于1997年推向市场，主要应用于汽车、化工、发电、过程控制、自动化制造等领域。信息层控制层设备层EtherNet以太网ControlNet控制网DeviceNet设备层Rockwell自动化系统CAN总线系统的构成CAN总线是现场总线的一种，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，隶属于控制网络的范畴。从原理和实现的角度，只要有两