第三章ControlLogix系统的通讯功能.docx
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第三章ControlLogix系统的通讯功能
第三章ControlLogix系统的通讯功能
3.1Rockwell的三层网络体系
近些年来，网络技术在工业上的应用越来越广泛。
这样就产生了各种各样的现场总线形式，现场总线控制系统（FieldbusControlSystem—FCS）已经成为集散控制系统（DistributedControlSystem—DCS）的一个强有力的竞争对手。
当今市场上有两种典型的现场总线模型：
源/地址模型和生产者/消费者模式。
其中属于源/地址模型的现场总线有Ethernet、InterbusS、Modicon公司的ModbusPlus、AS-I、RemoteI/O、DH+和西门子公司的Profibus（FMS，DP，PA）等。
属于生产者消费者模型的现场总线有ControlNet（控制网）、DeviceNet（设备网）和FoundationFieldbus（基金会现场总线）等等。
各家自动化生产厂商都分别推出了针对不同现场总线形式的网络产品，例如西门子公司的自动化产品主要应用在Profibus总线上，而罗克韦尔所大力推崇的确是它的工业三层网络结构。
我们主要谈一下罗克韦尔的网络体系结构。
罗克韦尔的网络体系结构是一个开放式的自动化系统结构，有三层网络构成：
设备层、控制层和信息层。
图3-1是罗克韦尔三层网络的示意图，从上至下分别是信息层、控制层和设备层。
各层网络之间通过控制系统中网络模块进行数据交换。
如上一章谈到的ControlLogix控制系统中，具有了1756-ENET模块，就可以登陆到信息层得以太网上；具有了1756-CNBR和1756-DHRIO模块，就可以分别登陆到控制层的控制网和DH+或远程RIO网络上；具有了1756-DNB模块，就可以登陆到设备层的设备网上。
这样就实现了网络之间的互相通讯。
3.1.1信息层
信息层是整个控制系统的上层管理层，它提供上层计算机系统通过以太网（或者Internet）访问车间机的数据，主要负责全厂范围内控制系统的数据汇集和监视。
特点是数据量大而实时性要求不高。
它采用开放性协议（IP协议）是的各种主计算机和不同的厂商的PLC可以互联，在必要时也可以进行一些控制和协调。
今天的以太网以其高速（10M–100Mb/s）、低廉和使用简单等特点称为信息层的主要构成部分。
以太网（Ethernet）是最著名的几种局域网之一，它是有美国Xerox公司于1975年开发成功的。
设计初期数据传输速率为10Mb/s，采用的是CMSA/CD（带有冲突检测的载波侦听多路存取）存取控制技术，控制协议为TCP/IP。
但是因为以太网的冗余比较困难、性能不太稳定（相对于工业现场的高稳定性的要求来说）、抗干扰性能不强和操作系统的安全性不高等缺点。
人们一直对以太网带有一种偏见，认为它只能使用在商业和民用上。
然而随着现在以太网技术的成熟和数据传输速度的飞速提高，以太网在工业上的应用也越来越广，它在控制系统中的作用也越来越重要，例如，位于以太网上的PC机，如果安装了组态软件RSView32，那么只需要一个普通的以太网卡，就可以控制位于其他网络上的设备。
同时，工业现场数据的采集、分析和存储，则更是充分利用了以态网的高速性和高容量性。
另外，随着互联网的迅速普及，我们就不能把罗克韦尔信息层的以太网简单地理解成局域网了，我们可以将该层扩展到整个互联网，位于该互联网上的任何一台工作站，只要具备必需的软件环境和适当的权限。
都可以把控制程序远程下载到工业现场的了编程控制器中，以便对底层设备进行控制。
这样就为我们带来了真正的实惠，例如，工业现场的设备出现问题，位于远程的工程师只需要具备一台装有组态软件（RSLinxGateway）和编程软件（RSLogix5000），就可以通过拨号上网直接连结到工业现场的以太网。
接下来就可以进行远程的组态和编程了。
在近期的沈阳罗克韦尔全方位自动化展示会上，我们曾经成功的通过互联网与位于香港理工大学的一台可编程控制器连结，并实现了远程的组态和编程。
下面我们通过举个例子，说明远程的组态和编程的具体实现过程：
首先，我们打开RSLinx软件，增加一个新的以太网型设备驱动器NEU_RALab。
然后点击OK（如图3-2）。
然后，在HostName名中输入远程以太网模块的IP地址。
本例中我们用本地局域网中IP地址为192.168.1.151的ControlLogix以太网模块的IP地址（如图3-3）。
那么，通过RSLinx作为软网关，我们就可以浏览到远程系统的位于各层网络上的设备（如图3-4）。
最后，我们就可以打开RSLogix5000软件，通过将路径指定到适当的控制器，就可以对该控制器进行编程和组态了（如图3-5）。
3.1.2自动化和控制层
一、工业网络的总体概述，引出控制网（ControlNet）的设计初衷
在工业企业中，网络就相当于整个企业的命脉。
对于大多数应用场合，在自动化和控制层DH＋和远程I/O网络是适用的，但是随着近代工业企业规模的日益扩大和工业现场数据交换的数量和速度日益提高，我们对工业网络性能的要求也越来越高，我们需要的是：
–体系化的结构平台
–更高要求的客户自动化系统
–功能更加强大的处理器、HMI（人机界面）和软件产品
而现有网络不能满足客户的要求：
–安装每个节点和每英尺长度的低成本
–接受数据速率、节点数量和距离长度的折衷方案
–应用场合要求更高的吞吐量
–确定性和可重复性的数据传送
–在同一网络上，适应I/O控制和编程的能力
–开放网络支持多销售商产品和连通
在整体研究以后，我们会发现没有一个现有网络满足上述要求，因此控制网的出现就理所当然了。
二、控制网的优点
控制网是由控制网国际有限公司（ControlNetInternational,Ltd.）首先提出来的一种开放式的网络。
该组织由生产厂商和用户共同组成，当各个生产厂商进行控制网产品的生产时，是没有任何版权许可的限制条件的。
罗克韦尔自动化公司（RockwellAutomation）的在设计之初就提出了三层通讯网络的概念，如图3-6所示：
上层信息层采用Ethernet（以太网），用于全厂的数据采集和程序维护；中层自动化和控制层采用控制网、DH＋、DH485和远程I/O网络，实现实时I/O的控制、控制器的互锁和报文的传送；底层设备层采用设备网，用于底层设备的低成本、高效率的信息集成。
控制网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。
它为对等通讯提供实时控制和报文传送服务。
作为控制器和I/O设备之间的一条高速通讯链路，它综合了现有网络的各种优点。
作为一种最现代的开放网络，控制网提供了如下功能：
●在同一条物理链路上支持I/O信息、控制器实时互锁，以及对等通信报文传送和编程操作。
●对于离散和连续过程控制和应用场合，均具有确定性和可重复性功能。
具体说来，在控制网的单根实际电缆上支持两种类型的信息传输：
一种是对时间有苛刻要求的控制和I/O数据（包括I/O刷新和互锁），并且这种类型的数据在发送时具有确定性和可重复性，优先权最高；另一种是对时间没有苛刻要求的信息（包括报文的发送和程序的上载/下载），并且这种类型的数据在发送时不允许牺牲控制和I/O数据，优先权较低。
因此，对于使用控制网的用户说来，可获得以下利益：
●灵活的控制系统体系结构
⏹I/O控制和编程在同一网络上完成
从每个节点
⏹甚至适配器上进行网络存取
●使用户编程过程简单化和增加功能
⏹用户可选择控制和I/O
⏹刷新速率
◆刷新速率恒定，可增加或减少节点
⏹对远程逻辑机架消除块传输编程
⏹在线反馈带宽利用率
●开放网络
⏹对其它自动化供应商可用技术参数和网络技术规范
●适用于对众多
罗克韦尔自动化产品进行编程和组态
⏹PLC-5C系列，1756-CNB（R），1771和FlexI/O适配器，PanelViewMMI，1784-KTCX卡，交流变频器和电动机保护器等
●高速（5Mb/s）控制和I/O网络
⏹改进I/O性能
⏹改进对等通信
●灵活的安装方式
⏹可以在干线的任何地方安装设备
⏹可选冗余介质
⏹在同一物理链路上支持多达99个节点
●先进网络能力
⏹确定性
⏹知道数据传输的时刻
⏹可重复性
⏹传输时间恒定，甚至当设备接入网络或拆除时
⏹生产者/客户模式：
多主结构，多信道广播输入和对等通信
三、控制网的技术规范（生产者/消费者通讯模式）
控制网的通讯采用的是当今流行的生产者/消费者（Producer/Consumer）模式，该通讯模式不同于传统的源/目的（点对点）通讯模式。
传统的源/目的模式具有以下特点：
●由于数据到每个节点之间的时间不同，因此各节点之间的同步就变得非常困难
●当仅仅是因为数据的目的地不同而需要多个数据包传送相同的数据到多台设备时，会造成带宽的极大浪费
●产生附加的网络通讯量，影响了网络的性能
●对于报文的发送和对时间有苛刻要求的I/O数据时，需要使用多个网络
●
而采用生产者/消费者（数据可由识别码CID识别）模式时：
●多个节点可以同时消费由单个生产者（数据源）生产的数据，因此多个节点的同步（多通道广播）问题就解决了
●优化的带宽潜力可用于增强系统功能
●
●数据的发送具有高度的确定性和可重复性
●可以使用同一个网络进行程序的上载/下载和I/O信息的传送
下面我们探讨一下控制网的数据传送过程。
在生产者/
♦
消费者模式中，生产者就是数据的发送者，消费者就是数据的接收者。
生产者将生产的发送数据包放置到网络上，数据包并没有包含接收数据的目的地址或者节点名，而是在数据包头包含一个简写的连结识别码或称作CID的报头，CID之后就是数据内容（最多可达到508个字节）。
任何需要该数据的节点（已经阻态）都可以直接从网络上获取该数据包，然后再过滤掉识别码。
因此相对于各个节点之间，其数据的获取可以看作是同时的。
四、控制网的结构体系
1、物理层
控制网物理层的介质是RG-6/U同轴电缆，
它是电视工业的标准电缆（75欧姆），它不仅廉价，而且抗噪声干扰（2层金属膜加2层金属编织物屏蔽），有不同供应商生产的各种类型可供选择。
关于同轴电缆干线段，有如下的技术规范（参阅图3-7）：
单段能够用于两节点之间，节点数为2时，干线电缆可
长达1000m；节点数为
48时，干线电缆最长为250m，当连结5个中继器时，全部距离能够长达6km。
端接器使用BNC标准的连接器，同样也有各种类型可供选择。
分接器的设计使得设备与干线电缆之间完全匹配，以避免反射干扰，其简单的安装使得用户可以在干线的任何地方安装分接器，对于网络上的每一个固定节点，都必须连结一个分接器。
节点连结在分接器下垂的支线电缆上。
一条链路上最多可以连结99个可寻址的节点（不包括中继器），所有的控制网设备都设计了一个内置的网络存取端口NAP（RJ45标准），用于系统调整、纠错或控制器编程等临时连接，可直接通过RJ-45接口访问整个控制网络，而非某个产品。
连接到临时设备的电缆可达10m长。
注意：
使用NAP时不能同时将NAP和同轴电缆连接不同的设备，也不能用NAP将网段相连。
控制网的电缆选择除了标准的RG-6/U同轴电缆以外，还可以使用光纤。
光纤使用在危险的区域或者室外的高电动势（High-EMF）的区域。
当网络长度和节点的个数不能满足现有需要时，我们通常有两种选择：
1）使用中继器对网络进行串行扩展REC（RepeaterExtendedControlNet）
当控制网需要扩展时，我们首先会想到使用中继器进行主链路的扩展。
中继器是一个有两个端口的有源物理部件。
它能把在一个段上获得的所有信息传输和再现到另一个段上。
控制网支持大多数介质结构，包括总线、树型、星型和使用中继器的组合结构。
中继器可以连结在网段上位于任何位置的标准分接器上。
其出错继电器用于诊断控制系统的反馈信息。
但是REC扩展方式却带来了以下不可克服的缺点：
a、一般情况下，高效率的控制网是将发送预定信息（ScheduledData）的节点尽可能往前排，而将发送未预定信息（UnscheduledData）的节点尽可能往后排的网络。
REC扩展实际上是增加了发送预定信息的节点号，同时也就人为地扩大了在网络刷新时间（NUT）中预定时间的带宽，降低了网络的效率。
要想解决此问题，只有重新对网络进行阻态。
b、REC扩展方式实际上只是控制网在物理链路上的延伸，这样势必会使更多的危险和错误的可能性集中于一条网络上，这与当今控制界所推崇的危险分散化的主旨是不相符的。
c、由于一个控制网的规模随着中继器的加入而越来越大，这样势必会使该控制网上的信息交换量增大。
那么出现数据风暴（DataStorms）的可能性也随之增大。
因此，下面的扩展方式越来越受到人们的关注：
在网关级模块下重新构建另一个控制网GEC（GatewaymoduleExtendedControlNet）
2）GEC扩展方式是建立在控制系统中网关级模块的引入的基础上的。
我们先谈一下网关的概念，网关是连接两个不同类型的网络的桥梁。
网关的主要功能是协议的转化。
以罗克韦尔公司的ControlLogix系统为例，由于网关功能已经体现在各层网络通讯模块（如：
以太网通讯模块1756-ENET、控制网通讯模块1756-CNB、设备网通讯模块1756-DNB以及DH+和远程IO模块1756-DHRIO）和背板上。
因此各层网络之间的协议转化不再需要处理器的参与，而直接由这些通讯模块和背板完成。
这样就不再占用处理器宝贵的资源，同时也就提高了处理器处理关键数据的能力。
最极端的情况，当处理器出现错误甚至是完全下线的情况下，各层网络的通讯依旧正常。
GEC方式，既可以理解成新的控制网的创建，又可以理解成原有控制网的扩展。
说新建是指我们确实是在创建一个与原有主控制网没有物理连接的控制网；说扩展是指有了ContorlLogix的网关功能，这两个控制网并非只是独立的自动化孤岛，包括I/O信息、组态信息和程序的上载/下载在内的数据都可以在两层网络之间实现交换。
使用GEC方式进行控制网的扩展时，需要在ControlLogix框架上再新增加一个控制网通讯模块1756-CNB，然后只需要在该通讯模块下构建一层新的控制网即可。
两个控制网的组态（包括网络刷新时间的设定和节点号的设定）分别独立，也就是说，两个控制网可以具有节点号相同的物理节点。
总之，GEC方式会给我们带来以下的方便：
a、新的控制网的扩展对原有控制网不会造成影响。
在不需要改变原有控制网的组态信的前提下，我们只需要按照控制网的设计标准来组建一个新的控制网即可。
关于该标准我们会后面的文章中谈到。
b、两个控制网上节点号相同的节点可以通过路径的不同加以区别。
在程序中用到哪一个节点，只需要选择可以指定到该节点正确路径即可。
c、两个控制网之间的网关级节点可以连结到控制网的任何一个分接器上。
d、如果控制网的大小还不能满足需要，我们只需要再增加一个控制网即可。
新增加的控制网可以挂接在原有的任何控制网上。
但是通常由于主控制网的信息交换量较大，我们推荐在节点数最少的控制网上连接新的控制网。
2、媒介存取（MediaAccess）
绝大多数控制系统中的交换数据有两种：
一种是控制和I/O数据，包括实时的控制数据（I/O的更新）和I/O的互锁信息，这种数据对时间有苛刻要求；另一种是对时间没有苛刻要求的数据，包括用于建立连结的数据、点对点的显式数据（ExplicitMessage）和编程数据（上载和下载）。
通常我们不希望非时间苛刻要求的数据挤压控制和I/O数据的传输带宽，因此对这种信息的传送，必须设置某种优先权。
采用不同的仲裁方案（ArbitrationScheme），优先权的确定也不同。
对于串行总线来说，有以下几种仲裁方案：
a、CSMA/CD—带有冲突检测的载波侦听多路存取，如以太网采用这种方案。
b、Master/Slave—主/从，如Profibus、RIO和Interbus采用这种方案。
c、CSMA/NBA—非破坏性逐位仲裁，如DeviceNet，SDS和CANOpen采用这种方案。
d、CTDMA—并行时间域多路存取，如ContorlNet采用这种方案。
下面我们讨论一下CTDMA的技术特点
如图3-8，我们首先看一下CTDMA算法中一些术语的定义：
a、网络刷新时间（NUT）—网络传送数据的基准时间。
它的取值区间为0.5—100ms，但是市场上出现的组态软件中所支持的最小NUT为2ms，在RSNetWorxforControlNet组态软件中，NUT的默认值为5ms。
网络以该时间为间隔刷新整个网络。
b、预定带宽（ScheduledBandwidth）—在NUT中为发送预定信息所保留的带宽。
预定带宽占整个NUT的百分比根据网络组态的不同而不同。
在每个NUT里，预定带宽中的任何节点都有机会发送数据。
一个高效率的控制网中，预定带宽的百分比为60%左右。
预定带宽占NUT的百分比称为预定带宽比率。
将128个网络刷新间隔内的预定带宽比率取平均值，就会得到平均预定带宽比率。
而在这128个网络刷新间隔内的预定带宽比率的最大值就是尖峰预定带宽比率。
通常使用平均预定带宽比率和尖峰预定带宽比率来综合衡量NUT设置的合理与否。
但是在实际的系统中，我们所希望传送的数据有可能超过预定的数据量。
换句话说，所能传送数据的速度是由具体系统决定的。
在组态网络时，一定要考虑这种情况。
c、非预定带宽（UnscheduledBandwidth）—在NUT中，用于发送非预定信息的带宽。
d、网络维护带宽（MaintenanceBandwidth）—NUT中为网络维护和协调所预留的带宽。
它自动会从NUT中减掉。
e、预定信息最大节点号（SMAX）—在控制网链路上能够占用预定带宽的最高节点号。
f、非预定信息最大节点号（UMAX）—在控制网链路上能够占用非预定带宽的最高节点号。
关于SMAX和UMAX的注释：
网络中大于SMAX的节点不能够占用预定带宽，大于UMAX的节点也不能够占用非预定带宽。
因为预定节点有时候也会发送非预定信息，再加上一些只能占用非预定带宽的节点（如人机操作界面PanelView），所以UMAX一定大于等于SMAX。
g、空节点等待时间（Slot-time）—在宣布一个节点“下线”（如：
与该节点的连接丢失了）之前的最大等待时间。
一个空节点等待时间是信号在链路上走一个来回所需的最小时间，它的计算取决于链路的物理特性，诸如电缆的长度和中继器的数目。
在CTDMA算法中，带宽的分配实际是建立在传输数据对时间有苛刻要求的本性上的。
在控制网中，预定带宽必须提前保留/组态好，因为实时数据的发送都占用该带宽。
预定带宽具有确定性和可重复性。
在控制网组态软件（如RSNetWorxforControlNet）中，预定带宽不是直接设定的，而是由以下条件所决定的。
当SMAX、UMAX和电缆长度不变时，预定带宽比率随着NUT的增加而减少。
当NUT和电缆长度不变时，预定带宽比率随着SMAX和UMAX的增加而增加。
当SMAX、UMAX和NUT不变时，预定带宽比率随着电缆长度的增加而增加。
而通常情况下，系统一旦固定，SMAX、UMAX和电缆长度也就固定了。
所以预定带宽比率主要就由NUT决定了。
因此NUT的设置合理与否，就决定了网络性能的好坏。
非预定带宽用来支持对时间没有苛刻要求的数据的传输。
它不是专门为单个节点保留的，任何一个发送非预定信息的节点都可以占用该带宽。
因此，在非预定带宽中发送的数据不具备确定性和可重复性。
所有的节点按一种顺序进行循环传送信息，这种循环不断重复以保证所有的节点存取数据的公平性。
它不会挤占预定信息的带宽。
下面举一个SMAX和UMAX的设置与网络性能好坏关系的例子：
如图3-9所示，SMAX=10，UMAX=19，空节点仍然会占用带宽。
因此该图就是一个不合理的SMAX和UMAX的设置实例。
为了达到最高的效率，SMAX和UMAX应该如图3-10所示：
图3-10中，SMAX=5，UMAX=8，其中10号节点变为4号节点，11号节点变为5号节点，12号节点变为6号节点。
节点好的重新编排，一者可以将空节点所占用的空节点等待时间消除；二者可以减少预定带宽比率，同时为非预定带宽让出更多的空间。
3、下面我们从深层次上理解一下介质存取控制（MediaAccessControl—MAC）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，谁有优先权继续发送？
MAC协议就是负责整个“仲裁”的。
以太网采用“碰撞监测载波侦听多路访问”CSMA/CD仲裁机制，它可以简要描述如下：
当一个节点要发送数据时，它首先监听网络。
如果监听到网络是“忙”的，它就等待到网络是“空闲”时马上向网络发送数据。
如果两个或几个节点同时监听到网络是“空闲”的，并同时向网络上发送数据，不同节点发送的数据就可能会发生碰撞。
每个节点在发送的时候同时也在监听网络，当监听到发生碰撞，则正在发送数据的节点马上停止发送，并等待一个无规则的时间间隔后再尝试发送。
这个无规则的时间间隔由标准的二进制指数式后退算法（BinaryExponentialBack-offalgorithm—BEB）来确定。
但是我们应该注意到，当数据停止发送时，数据“散片”（fragments）残留在网络上。
采用CSMA/CD仲裁机制，所有的节点是平等的，并没有优先级的考虑。
而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。
这也就是以太网一直不能作为工业网络的底层网络的原因。
在工业控制网络中往往采用“优先级仲裁”机制。
DeviceNet、SDS、CANOpen等网络采用的是“非破坏性逐位仲裁载波侦听多路访问”CSMA/NBA。
另外，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、多支路树形或分段的拓扑机构，网络上的节点逻辑上构成一个环。
在控制网上，每个节点知道它前一个和后一个地节点地址，在网络运行时，仅仅持有令牌的节点才可以发送数据，直到完成数据的发送后者用玩令牌的持有时间，然后该节点再重新生成一个令牌并传递给网络中的下一个逻辑节点。
如果某个节点没有要发送的数据，它只是将自己新产生的令牌往下传送，由于令牌传递的对象是逻辑意义上的下一个节点，所以与节点的物理位置无关。
以这种方式，令牌在逻辑上循环传递。
每次只有一个节点可以发送数据，以而数据侦不可能发生碰撞。
如果某个持有令牌的物理节点离线或者不把令牌传递给下一个逻辑节点，有某种机制重新产生令牌。
控制网采用的是一种特殊的令牌传递机制，叫做隐性令牌传递（implicittokenpassing）。
网络上每一个节点都分配一个唯一的MAC地址（从1到99），像普通的令牌传递一样，持有令牌的节点可以发送数据。
但是，网络上却没有真正的令牌在传输，相反，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，每个节点都将收到的源MAC地址加1，存放在其内部设置的隐性令牌寄存器（implicittokenregister）中。
然后节点检查隐性令牌寄存器中的值是否等于自己的MAC地址，如果相等，该节点就可以立刻发送数据。
因为所有节点的隐性令牌寄存器在任一时刻的值相同，这就避免了冲突的
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