1、ControlLogix 系统的 NetLink 网络本章内容: 本章介绍 ControlLogix 系统 NetLink 网络的物理结构和 RSNetWorx 软件组态操作，。本章目的: 通过本章的学习，了解 ControlLogix 系统 NetLink 网络的物理结构和物理特性；了解 RSNetWorx 软件组态操作过程。一 网络基础知识工业控制系统的网络是衡量控制系统性能的重要指标，网络的快速性、可靠性直接决定了控制系统的性能，工控系统的反应速度有很大的程度取决于数据的吞吐量，而数据的吞吐量取决于三个因素，数据传送速率、数据传送管理和数据通讯模式。 数据传送速率 在网线上的传输速度，如
2、每秒传送多少字节。 数据传送管理 传输工具的容量，如一个数据包有多少个字节。 数据通讯模式 带宽利用的度量，如传输时间的有效利用。人们往往认为，数据吞吐量主要由数据传输速率决定，数据传送管理和数据通讯模式次之；事实上，数据吞吐量首先取决于数据的通讯模式，其次是数据传送的管理，最后才是数据传送速率。NetLink 网络的数据通讯模式，是基于工业控制需求开发的先进的通讯模式，它大大地提高了网上的数据吞吐量，有效地改善了工业网络的性能。1. 数据通讯模式的对比毫无疑问，NetLink 网络在数据通讯模式上是不同于传统的通讯模式的，它是一种高效率的数据通讯模式，智能通讯设备上建立的智能通讯网络，使得数
3、据交换具有多重性，以下是两种通讯模式的对比。1-1 来源 /目标的通讯模式（点对点）：来源/目标的通讯模式是传统的控制器采用的通讯模式，在同一时间只有一台设备与另一台设备之间传送数据，其余设备处在闲置或等待状态，靠设备之间的呼应构成连接，并实现数据传送，被称为令牌传递方式的 DH网络和主从结构的 RI/O 通讯链，都属于这一类通讯模式。来源 目标 数据 校验 每个传输的数据块有各自独立的来源和目标区域 数据在不同时间到达各站点，站和站之间的同步非常困难 当目标地址不同时，必须传送多次，消耗了带宽。1-2 生产者 /用户的通讯模式（数据识别）生产者/用户的通讯模式是大范围的数据传送模式，它可以在
4、同一时间一台设备与多台设备之间实现数据传送，一台设备播出自己的数据之后，其它设备靠识别标识符来决定是否获取数据，ControlLogix 系统的 NetLink 的网络则是这一类型的通讯模式。 让所有的设备识别区域的代码 多个站点可以同时从一个生产者处得到相同的数据 各站点之间可以同步。 更有效地使用了带宽2. 网络性能的评价对网络性能的评价是多方面的，有设备之间的关系，也有信息之间的关系，应该从如下几个方面来考虑： 连接关系 设备和设备之间的信息连接关系 信息类型 不同用途的信息在网上的运用 分级形式 设备和设备之间的从属关系 I/O 数据交换模式 I/O 数据刷新的不同方法2-1 连接关系
5、连接关系讨论的是设备和设备之间的信息传送时的连接形式，有的网络只限于某些连接关系，有的网络允许几种连接关系并存。 一对一的连接 一台设备对一台设备的操作（点对点） 一个站点在同一时间只对一个站点通讯 用于组态或者维修一台设备 用于对每一台设备的控制都是唯一的 一对多的连接 一台设备对几台设备的操作 （多点传送） 站点同时与系统中所有站点中的一个子集进行通讯 用于控制一个共同的数据到几台设备 用于操作员界面区操作趋势、数据采集和维修 一对全部的连接 一台设备对所有设备的连接（广播形式）站点同时与系统中所有站点进行通讯用于控制一个共同的数据到所有设备标识符 数据 校验 用于报警/故障的情形 三种连
6、接关系混和并匹配在同一网络中。 生产者/用户的通讯模式支持以上所有的连接关系。2-2 信息类型信息类型主要用来区分通讯系统各种信息的用途，在网络中分为连接的信息传送和非连接的信息传送，在信息传送时是有先后级别之分的，网络的运行将根据信息的类型来分配数据传送时间段。 外来信息 用于上载/下载程序、修改设备组态、趋势显示、诊断等等 数据范围包括：协议信息、执行服务的指令、用于服务的内存地址 灵活多变的数据形式 效率低，因为每台设备都必须认可和响应 未经捆绑的连接 固定信息 用于定时的控制数据 数据范围只有预先确定的设备之间的交换数据 只有在用到数据时，接受数据的设备才有响应 带宽和站点处理的效率都
7、很高 捆绑式的连接 两种信息类型混和并匹配在同一网络中。这两种信息类型在网络里是并存的，但有优先次序，外在信息不能冲撞固定信息的执行。生产者/用户的通讯模式支持以上所有的信息类型。2-3 分级形式分级形式实际上说明了设备是否能成为数据发送源，一般来说主设备都是数据发送源，从设备都是数据接受者，对等设备既可以作数据发送源又可以是数据接受者。 一主多从 一台主设备多台从设备 从设备只跟这一台主设备交换数据 常常用于固定信息，如 I/O 数据 用于一对一的连接类型，多点传送和广播形式使用受限 多主多从 在同一网络中有多台主设备 每个主设备拥有自已的从设备 从设备仅仅与自己的主设备交换数据常常用于固定
8、信息，如 I/O 数据用于一对一的连接类型，多点传送和广播形式使用受限 同级对等 设备之间是对等的，按需要与其它设备自由地进行数据交换 常常用于外在信息一对一、多点传送和广播形式的连接类型均可。 三种分级形式混和并匹配在同一网络中 生产者/用户的通讯模式支持以上所有的分级形式。2-4 I/O 数据交换模式I/O 数据交换是工控系统中必不可少的数据传送，也是改善系统响应性能的重要措施，I/O 数据的刷新从最初的 I/O 扫描模式发展到 COS 模式，是数据及时传递和网络高效利用的典范。 轮流检测 （ Polling ） 当设备响应接受数据时立即送出数据 用于一主多从或多主多从，不用于同级对等 用
9、于一对一的连接类型，多点传送和广播形式不能使用 为来源/目标数据通讯模式而设计 循环刷新 （ Cyclic） 设备按用户定义的速率产生数据 有效率的原因：按设备和应用的需要速率刷新数据和精确间隔的数据采样，以及迅速改变设备后带宽被禁。 一主多从、多主多从或同级对等均可一对一、多点传送或广播形式的连接类型均可。 状态改变（COS） 只有状态发生改变设备才产生数据 COS 有效率的原因是：网络交流非常节省，没有处理旧数据的资源消耗 一主多从、多主多从或同级对等均可采用一对一、多点传送或广播形式的连接类型均可 三种 I/O 数据交换模式混和并匹配在同一网络中。生产者/用户的通讯模式支持以上所有的 I
10、/O 数据交换模式。3. ControlLogix 系统的网络ControlLogix 系统 的网络从应用的角度来说，有信息层、控制层和设备层，它们分别用作于信息的采集、控制的操作和 I/O 数据的交换。NetLink 网络就是实现这些应用的物理网络，如图 8 ，表示了网络的应用关系。图 8NetLink 的三个网络，在三个应用层次上都有交叉和延伸，EtherNet 最初只用于信息层，是上位机对控制器进行数据的收集，近年来开始应用于控制层，收集远程 I/O 的数据；ControlNet 是三个网络中最为活跃的网络，它主要应用于控制层，控制器之间的通讯，特别是远程 I/O 的控制，是它的主要用途
11、，在信息层也有应用，通常用于上位机的数据采集，近年来也延伸到了设备层，直接地与智能传感器进行通讯；DeviceNet 历来是用于设备层的，它的发展是要替代 I/O 模块的，但这取决于智能传感器的发展前景，三个网络中只有它是主从结构的网络，尽管它偶尔与控制器直接连接，但通讯的意义决不同于同级对等的网络。二. EtherNet /IP 网络罗可韦尔自动化产品所采用的 EtherNet/IP ，是一个开放式的以太网工业协议（ Ethernet Industrial Protocol ），使用标准的以太网 IEEE 802.3、TCP/IP 协议组和 CIP（Control and Informati
12、on Protocol），支持 10/100MB 速率。早在 1998年初，ControlNet 国际组织 SIG (Special Interest Group ) 开始推行开放的，通过ControlNet 和 DeviceNet 延伸至以太网的应用层的共享，为实现这种技术，ControlNet 国际组织（CI）、工业以太网协会（IEA ）和开放的 DeviceNet 设备制造商协会（ODVA）于 2000 年 3 月引进了 EtherNet/IP 工业自动化标准的以太网协议公共应用层端口。这种开放协议为以太网用户提供了外部信息和固定信息两种通讯服务。作为基于 CIP 协议开发的 Ether
13、Net/IP 产品除了可以独立应用于控制层和信息层，还可以在设备层得到应用，常常能解决一些特殊场合的需求问题。工业以太网适合用在需要快速响应和大量数据传输的系统，但对环境的要求较之 ControlNet 和 DeviceNet 要高，它不适合放置在较为恶劣的化学环境、温度和湿度极端变化、电子噪音强和振动大的场所。另外，以太网具有通用性的网络设备，除了满足工业系统的需求，面对外部系统沟通和连接，也变得非常简单。也就是说，搭接网络的媒介质是通用的，容易得到的，而不需要罗克韦尔特别提供。1. 网络的拓扑结构及媒介质建立一个以太网网络首先要做好网络的规划，网络规划就是根据连接设备的个数，安装的空间距离
14、和环境、及对安全性的要求，来决定采用什么样的网络拓扑结构，选用什么样的电缆类型和接头、以及使用什么样的中转设备。1-1. 网络的拓扑结构网络的拓扑结构有主干结构、星形结构、混合结构和环形结构，不同的网络结构所使用的电缆和接头也是不同的。1 主干结构主干结构，是采用同轴电缆连接的网络，以同轴电缆作为主干线，所有的节点都连接在主干线上，这种网络结构可以长距离地延伸网络，并较节省电缆，但由于同轴电缆本身价格较贵，所以相对与双绞线电缆，网络的铺设费用较高。另外，一旦网络安装完毕，它的拓扑结构就不能随便改变，所以不能随意地增减节点。这种网络结构常见于传统产品的网络连接，如早期 PLC-5E 的拓扑结构。
15、目前在 ControlLogix 系统中，一般不推荐使用。 2 星形结构星形结构，用双绞线或光纤和网线集中设备构成的网络结构，所有的节点都连接在网线集中器上，网络的材料价格低廉，搭接容易，市面可以找到很多合适设备，并且增减节点和维护维修都很方便。这是目前经常采用的网络结构， 也是 ControlLogix 的以太网推荐采用的网络结构。3 混合结构主干结构和星形结构混合而成的网络结构，同时满足长距离的需求和当地设备连接的方便。4 环形结构环形结构是满足于冗余 的特殊结构，1-2 电缆和接头 同轴电缆，是一种铺设费用较高的电缆，其中：粗缆 10BASE-5 ，每个网段最长可达 500 米，连接节点
16、 100 个。细缆 10BASE-2 ，每个网段最长可达 185 米，连接节点 30 个。 双绞线电缆 10BASE-T，是一种费用低廉的，用于星形结构的电缆。最长距离 100 米，每个网段 2 个节点，有屏蔽和非屏蔽两种。 光缆 10BASE-FL 最长距离 2000 米，每个网段 2 个节点，特别适合长距离的需求，或适用于电子噪音的场所。1-3 中转设备中转设备是将网段连接起来的关键设备，根据不同的应用场合选用不同的设备，它们各自不同运用特点简述如下：1 中继器（Repeater） 中继器是用来放大衰减信号的设备，通常用来扩充网络的长度。一般的中继器在放大衰减信号时，连同噪音也一起放大；只
17、有再生中继器可滤掉噪音，重新整理信号，再传输出去。2 集线器（HUB） 集线器是星形结构的中心设备，接受来自设备的信号，并将信号重播给网络上的其它设备，没有选择性地发送信息包给设备，所有的设备共用网络带宽，所以此设备带宽使用是有限的，建议使用在带宽要求不高的场合。集线器有时被称为多端口中继器，亦有放大信号的功能。3 网桥（Bridge） 往前信号通道相互隔离的两个网段之间的沟通设备，连接的网段可以是相同或不同的媒介质，有选择地将信息包传送到目标地址。确保有足够的带宽，网桥工作在数据链的层面（第二层）。4 交换机（Switch）交换机综合了集线器和网桥优点的高性能设备，有选择性地将信息包送到指定
18、地目标地址。交换机又可以称为多端口的网桥，每台设备都有独立的带宽可使用，适用于需求足够带宽的情形，作为 EnthNet/IP 网络拓扑结构的中心设备，是目前特别推荐使用的设备。交换机工作在数据链层（第二层）。5 路由器（Router）路由器是网段连接的协议设备，它必须建立路由表，才能实现网段的连接，在不同的网络或子网之间完成信息包的转送。路由器用于局域网网段，用以平衡工作组内的数据交流量，并可以像防火墙一样过滤信息通道，以获得安全保证。路由器操作在网络层（第三层），只能发送由路由表协议传输的信息，它比网桥和交换机能做更多的处理和管理工作，也正因为它的信息转发是一个过程管理，具有实时性的 I/O
19、 数据则不能通过。6 网关（Gateway ）不同的情况下网关可以有不同的含义，既可以指在两种不同协议的网络或应用之间完成转换的设备，或将一种协议转换到较为复杂的层面，是在传送层以上的功能，这就像路由器完成的功能；它也可以充当两个或更多的相同协议网络之间的连接作用，并不需要完成协议的转换，这时网关就像网络的入口或出口。集线器和交换机都是星形拓扑结构的中心设备，但两者在信息带宽的运用上却有很大的差别，集线器所有的设备只建立一个信息通道，交换机则为每对设备建立一个信息通道。如图 8所示图 8两种设备的信息带宽运用比较，例如，16 个端口的集线器在 16 台设备全部接上时，共享 10Mb 的带宽；而
20、 16 个端口的转换器在 16 台即 8 对设备全部接上时，则享用 80Mb 的带宽。随着市场上转换器性价比的提高，交换机几乎代替了集线器的应用。网段是局域网的一段，一个局域网可能由好几个网段构成，网段和网段之间用中转设备隔离。一个局域网被隔离成几个网段，也许是出于安全性的考虑，也许是为了改善数据的流通和过滤数据包。2. 网络地址TCP/IP 以太网的网络地址有两种，物理地址和 IP（Internet Protocol）地址。物理地址标志着制造商、机器类别和计量识别的数字，它不包含任何数据通道的信息。IP 地址是一个 32 位的数字，作为唯一的网络节点的识别标志，它包含的信息可遍及全世界以达到
21、目标站点。2-1 EntherNet/MAC 地址EntherNet/MAC （Media Access Control）是物理地址，用 6 字节构成的全世界唯一以太网设备代码，罗克韦尔自动化产品（Allen-Bradley 注册）的代码形式为：00:00:BC:XX:XX:XX00:00:BC 是 Allen-Bredley 注册的生产商代码，XX:XX:XX 为计量代码，是产品的生产编号。其中 X 为十六进制数，例如某 1756-ENBT 模块的 MAC 地址为：00:00:BC:罗克韦尔自动化生产的以太网设备都贴有设备 MAC 地址的条形码标签。2-2 TCP/IP 地址IP 地址是节点
22、的唯一标识符，它用来定位以太网设备在网络中的位置，并遵循一定的编址规则，其组成由两个部分构成： Net ID 网络身份识别编号 Host ID 主机身份识别编号网络的身份识别分为 A、B、C、D、E 5 个类别，它们在 32 位数的 4 个字节中，分配的网络识别号和主机识别号各不相同，如图 8 所示图 8每个字节代表数字 0-255，构成网络的 ID 和主机的 ID。 Class A 第一个字节的数字 1-127，作为网络的 ID，可有 126 个网络；后面三个字节的数字作为主机 ID，每个网络可有 16777214 台主机，这类地址分配给主机数目非常大的网络，目前已没有资源可供分配。 Class B 第一个字节的数字 128-191，加上第二个字节的数，作为网络的ID，可有 16384 个网络；后面两个字节的数字作为主机的 ID，每个网络可有 65534 台主机，这类地址分配给中到大型的网络。0 1 2 8 16 31Class A 0 Net ID Host ID Class B 1 0 Net ID Host IDClass C 1 1 0 Net ID Host IDClass D 用于多点传送 Class E 保留
