工控网络拓扑结构及其协议分析

工控网络拓扑结构及其协议分析

秦春华，李

奇，方仕雄

（东南大学自动控制系，江苏南京210096）

摘要：随着信息技术的不断发展，（工业自动化）网络在工厂控制领域得到了广泛的普及，并被广泛用于FA

集散控制系统和监视监控系统。主要阐述了几种FA网络的结构及其互连，并对它们的协议进行了分析，同时针对实际情况给出了一种拓展方案。

关键词：FA网络；ControIIerLink网；Compobus/D网；DeviceNet；令牌中图法分类号：TP393.02文献标识码：A文章编号：1001-3695（2002）04-0133-03

TopoIogyofFANetworkandAnaIysisofTheirProtocoIs

OINChun-hua，LIOi，FANGShi-xiong

（Dept.ofAutomation，SoutheastUniuersity，NanjingJiangsu210096，China）

（FactoryAutomation）networkhasbeenpopuIarizedgreatIyintheindustriaIcontroIareaandap-Abstract：WiththedeveIopmentofIT，FA

pIiedwideIytotheDCSandSCADAS.ThispaperdeaIswiththetopoIogyandtheinterconnectionofseveraIFAnetworks，anaIysestheirpro-tocoIsandgivesonedesigningmethodinpractice.

Keywords：FANetwork；ControIIerLink；Compobus/D；DeviceNet；Token-ring

!引言

南京梅山铁矿选厂以生产合格的铁精矿为主要任务，以硫精矿作为副产品。其生产经营的主要目标是保证铁精矿的产量及品质的稳定，同时力争降低能源和生产消耗，减少设备故障和维修损耗，以降低生产成本。

为完成以上目标，我们建立了一个分布式控制，高可靠、开放的控制和管理一体化的工业DCS高速网络系统。它由三层网络构成：

（1）最底层为Compobus/D现场总线网，它把智能仪表延伸到现场，对开关量、数字量直接控制，信息通过现场总线传到控制站；

（2）中间层为高速实时ControIIerLink网，它把各车间控制站连成一体，ControIIerLink网既可以与PLC，也可与普通计算机连网，从而便于与其它类型的DCS系统互连，达到系统开放的目的；

（3）上层为Ethernet网，可与各科室和总调室相连，并与MIS系统互连。Ethernet上的通信服务器可为远程用户提供方便，共享有关信息（如宝钢集团总部），如图1所示。

图1三层网络互连结构

\"网络拓扑结构及其协议介绍

（1）（DeviceNet）网络Compobus/D

能够进行多Compobus/D是一种开放型器件网络，

位通信，特别适合于既需要管理控制信号又需要管理数据的低层次的PLC。它是OrMON公司开发的符合DeviceNet标准的现场总线网络。

收稿日期：2001-04-30

DeviceNet是美国AIIen-bradIIy公司开发的开放式新一代网络，它基于CANbus技术，用于PLC与现场设备之间的通信网络，可连接开关、拖动装置、电源监控器、固态过载保护装置、条形码阅读器、I/O和人机界

同轴电缆传输距离为面等，传输速率为125~500kbps，

500m。

DeviceNet网络是符合国际工业标准的开放网络，将底层的设备直接和车间级控制器相连，而无需通过硬线将它们与I/O模块连接。世界范围的150多个销售商积极支持开放式设备网销售者协会（ODVA）基于（ControIIerAreaNetwork）技术的网络。CAN

在物理层上，介质可以采用双绞线，不管是粗缆还是细缆都可用于干线或支线，端到端的距离与数据速率和电缆型号有关，同时它支持多种多样的拓扑结构，可以是T分支、菊花链方式的自由组合。

DeviceNet的通信协议是建立在连接的概念基础上的，为完成信息交换必须和设备建立连接，在这之前，每个设备都要完成非连接的信息管理（Unconnected

。我们通过预先设定CAN标识符来实MessageManager）

现这种功能，其中11位的CAN标识符被用来定义连接标识符（ConnectionID），DeviceNet把这11位的CAN标识符分成四组，前面的三个组包含两个域：6位域作为

·l34·计算机应用研究2002年

其余的作为信息标识符；第四组是为离线MAC标识符，

通信设置的，如表l所示。

通讯协议，可以对PLC的存储进行读/写，或控制各种操作而不必建立应用程序，以下举例介绍一下控制过表l

DeviceNet定义的CAN标识符分组

IdentifierbitsHex

Identityl098765432l0RangeUsageGroupl0MessageSourceMAC

000-MessageIDID

3ffGrouplGroup2l0MACID

Message400-MessageID5ffGroup2Group3llMessageSourceMAC

600-MessageIDID

7bfGroup3Group4lllllMessage7c0-7ef

Message（）ID0-2fGroup4InvaiidlllllllXXXX7f0-7ffCANIdentifiersl0

9

87

6

5

4

4

3

2

l

0

Compobus/D

（DeviceNet）的应用层定义标识符的指派（即控制优先权）及CAN数据域如何用于说明设备、移动数据和确定它的含义。区别于传统的源—目的的方法，DeviceNet采用了更为有效的生产者—消费者的模型，它需要一种带有标识域的信息包。标识域提供了多级优先权（用于仲裁）、I/O数据的转换和多用户的解决方法。采用生产者—消费者的模型，信息不再与特定的源或目的相连，而是占用很少的带宽被更多用户享用。

总之，Compobus/D完全符合DeviceNet标准，创建了一种多厂商的网络，能够进行多位通信，特别适合既需要管理控制信号又需要管理数据的低层次的PLC。

（2）ControiierLink网络

ControiierLink是本次项目三层网络中的核心，

它是一种FA（工厂自动化）网络，可以在OMRON可编程控制器和IbMPC/AT或其兼容机间方便地、灵活地发送和接收大容量数据包。

ControiierLink的物理媒介为指定的屏蔽双绞线电缆或光纤，采用曼彻斯特编码，同步方式符合HDLC帧，错误控制使用曼彻斯特检查和CRC检验。

ControiierLink支持能共享数据的数据链接和在需要时发送和接收数据的信息服务。数据链接使公共数

据能够在网络上的PLC和计算机之间共享，

当数据段写入本地节点的发送区域时，数据会自动传送到远程节点的接收区域中，由此实现计算机和PLC之间的通信。信息服务是一项必要时在指定节点之间传输数据的功能，还可以用来读/写状态信息，改变操作方式及执行其它任务。它采用N：N令牌总线通讯方式，在一个ControiierLink网络中，通过传递令牌来控制网络的存取。发送权被称为“令牌”，在网络中循环。一个接到令牌的节点被允许有权发送数据。如果该节点有数据要发送，它会将数据附在令牌上一起发送。如果该节点没有数据要发送，它将令牌传递至下一个节点。

第一个ControiierLink网络总有一个控制网络中通讯的单元。此单元被称为“发牌节点”。通常，是由网络中节点地址最小的节点担任发牌节点。所有在发牌节点之外的节点上的单元称为“接牌节点”（或接牌单元）。发牌节点控制令牌，检查网络和执行其它相关的任务。如果发牌节点出现故障，下一个最小节点地址的节点会自动被选为发牌节点以防止整个网络的崩溃。

为完成以上的网络功能，ORMON公司开发了功能强大的FINS通讯服务，它是一种用于FA控制设备的

程。

一般都是通过发送FINS命令和接收FINS响应来实现控制，数据格式如下：

例如：

a.读取控制器状态

b.读取网络状态

（3）Ethernet网

Ethernet网络标准是由Xerox，Digitai与Intei三家公司于l970年初开发出来的，是目前世界上使用最为普遍的网络，被称为“以太”网络。此网络的各项标准如下：

!

通信标准IEEE802.3；!传输速率l0Mbps；!传送数据方法CSMA/CD；

!网络拓扑

以l0base2与l0baseT而言，前者实体与逻辑拓扑均为bus；后者实际拓扑为Star，但逻辑拓扑为bus；

!传输媒介同轴电缆、UTP双绞线、

光纤。Ethernet正成为信息网络中越来越重要的标准。OR-MON公司的Ethernet单元支持多达8个TCP/IP和UDP/IP的Socket接口，它也支持FINS信息，FTP文件传送和电子邮件，因此能将生产现场和产品管理连接起来。主要有如下功能：①远程编程和监控，

在连接到Ethernet的计算机上运行CX-Programmer可对网络中所有的PLC进行编程和监控。②FINS信息服务，在PLC之间和PLC与计算机之间发送FINS信息。③Socket服务，使用UDP或TCP协议传送数据。④FTP服务，使用FTP在PLC的CPU单元存储卡和计算机存储器之间传送文件。⑤邮件服务，当在出错或预定的时间内，一个标志变ON，此时从PLC到上位机发送邮件。

（4）网络互连结构及其无缝通信

从器件网络到顶层的Ethernet，都能使用FINS指令，所以可实现网络间的无缝通信。网络对于每个系统层次都是有效的，用于信息层的Ethernet，用于控制器层的ControiierLink网络和用于器件层的DeviceNetCompobus/D），而且在Ethernet和ControiierLink网络之间的通信，能够在三个网络层次间进行，像一个网络一样方便。

（第4期秦春华等：工控网络拓扑结构及其协议分析·135·

!对三层网络的一种实际拓展

在实际系统中，我们使用FIX组态软件编写梅山

选矿厂三个车间—细碎、中碎和重选车间的运行界面，实时从PLC中采集数据并发送命令给PLC执行。用户要求记录各种设备的启停时间，运行时间以及电量和矿量统计（如破碎机、皮带等），所以我们在Controller

在操作站和服务器上插两块Link层拓展了一种网络，

连Ethernet网；一块Controller网卡，一块Ethernet网卡，

连ControllerLink网，如图2所示。Link网卡，

本系统采用分散控制方式，充分利用各技术，由通

信网络将各部分互连可实现中碎、筛洗、重选、细碎和磨浮等生产全过程的自动化，采用设备网、控制网、管理网三层网络结构，分散控制、集中管理，实现了实时控制系统和企业未来的MIS系统无缝连接，做到了只要有授权，管理者可异地查看本系统的实时运行，为未来企业综合自动化和信息管理提供坚实基础。

系统投运以后，极大地方便了操作人员和调度人员，并提高了系统的稳定性和健壮性，取得了良好的经济效益，受到了用户的好评。

图2ControllerLink网络上的拓展

在操作站运行FIX系统，通过ODBC标准往服务器

的SOL数据库写数据，然后应用ASP技术读数据并以网页形式显示，同时FIX系统可以把运行界面转化为

HTM文件在网上发布，

这样MIS网用户可以很方便查询各种设备的实时和历史情况以及所需要的各种报表。

\"总结

异构网络的互连与集成已经逐渐成为目前工控网

络发展的一个趋势，其涉及技术包括各网络的协议分析及其转换以及数据库技术与Web技术的综合应用。132页）

执行采购操作；若在其它库存中尚有足够数量，则执行转库操作。当货物转到用户所在地的

时候，再由当地的配送部门进行配送。

图3物流解决方案

这种物流解决方案的关键是要将各个模块之间的接口定义清晰，减少不必要的信息传送以简化操作、提高效率。例如采购部门不会知道哪个用户要了什么样的书，他只知道某一本书需要采购几本。另外，由于电子商务的非地域性，导致完整高效的库存一定是分布式的，因此适应实际需要的分布式算法在物流中就显得十分重要。

#总结与展望

本文讨论的电子商务中4种“流”的作用和部分实

现技术对于我国电子商务的发展有一定的普遍意义。根据社会分工越细化、效率越高这个原则，随着电子商务在我国的不断发展，信息流、商流、资金流、物流将各自更加专一化、社会化。将来的电子商务将会出现以客户为中心，商家、银行、配送中心为基点的经营模式，如图4所示。商家主管信息流、商流；银行主管资金

参考文献：

1］［美］布莱克（BlackU）.计算机网络［M］.北京：

人民邮电出版社，1992.

2］AndrewSTanenbaum.计算机网络［M］.熊喜贵，

王小虎.北京：清华大学出版社，1998.

3］陈夕松，等.PLC在梅山铁矿细碎及筛分系统中的应用［J］.

电气自动化，2001，（1）：48-50.

4］OMRONControllerLink单元操作手册［R］.1997.

5］SYSMACC-seriesRackPCsSYSMACWAY［R］.OmronSystem

Munual，1997.

作者简介：

秦春华（1977-），男，硕士研究生，主要研究方向为计算机综合自动化；李奇（1964-），男，教授，博士生导师，东南大学自动化所所长，系主任，主要研究方向为计算机综合自动化、DCS系统等；方仕雄（1976-），男，硕士研究生，主要研究方向为计算机综合自动化。

流；而配送中心主管物流。

图4集成电子商务经营模式

新的电子商务集成系统将与传统的企业联营，形成集供、产、在线销售及个性化服务一条龙的经营模式，集商务、法规和管理为一体的社会化服务体系。

参考文献：

1］汤荷美，黄维通，金磊，等.基于BWD的会员制电子商务在

线支付系统的研究和实现［J］.计算机工程，2000（，增刊）：483.

2］虞益诚.电子商务物流理论浅析［J］.计算机工程，2000，

（增刊）：545.

3］HelanderMartinG，KhalidHalimahtunM.ModelingtheCus-tomerinElectronicCommerce［J］.AppliedErgonomics，2000，31

（12）：609.

4］ZabaS.ToolsandProtocolsforE-commerce［R］.InformationSe-curityTechnicalReport，1999.23.

作者简介：

金磊（1977-），男，研究生，研究方向为计算机应用；汤荷美

1953-），女，副研究员，学士，研究方向为计算机应用、教育技术

学；黄维通（1964-）

，男，工程师，博士，研究方向为计算机应用、教育技术学。

［［［［［（上接第［［［［（工控网络拓扑结构及其协议分析

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

秦春华， 李奇， 方仕雄

东南大学,自动控制系,江苏,南京,210096计算机应用研究

APPLICATION RESEARCH OF COMPUTERS2002,19(4)2次

1.布莱克 计算机网络 1992

2.Andrew S Tanenbaum;熊喜贵;王小虎 计算机网络 1998

3.陈夕松 PLC在梅山铁矿细碎及筛分系统中的应用[期刊论文]-电气自动化 2001(01)4.OMRON Controller Link 单元操作手册 19975.SYSMAC C-series Rack PCs SYSMAC WAY 1997

1.郑睿 火电厂气力除灰控制系统的设计与探讨[学位论文]硕士 2004

2.陈岚岚 断路器DeviceNet现场总线通信适配器的设计与实现[学位论文]硕士 2005

引用本文格式：秦春华.李奇.方仕雄 工控网络拓扑结构及其协议分析[期刊论文]-计算机应用研究 2002(4)