《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全》課件-第二節(jié) 工業(yè)數(shù)據(jù)通信的實(shí)例與仿真 -p2

ModBus通信協(xié)議主從查詢—回應(yīng)Modbus協(xié)議是一個(gè)master/slave架構(gòu)的協(xié)議。有一個(gè)節(jié)點(diǎn)是master節(jié)點(diǎn)，其他使用Modbus協(xié)議參與通信的節(jié)點(diǎn)是slave節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)slave設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址。ModBus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤檢測(cè)域。從設(shè)備回應(yīng)消息也由ModBus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、要返回的數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤檢測(cè)域。所有設(shè)備都會(huì)收到命令，但只有指定位置的設(shè)備會(huì)執(zhí)行及回應(yīng)指令。所有的Modbus命令包含了檢查碼，以確定到達(dá)的命令沒有被破壞?；镜腗odBus命令能指令一個(gè)RTU改變它的寄存器的某個(gè)值，控制或者讀取一個(gè)I/O端口，以及指揮設(shè)備回送一個(gè)或者多個(gè)其寄存器中的數(shù)據(jù)功能代碼告之從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯(cuò)誤檢測(cè)域?yàn)閺脑O(shè)備提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法。常用ModBus協(xié)議ASCII方式起始位設(shè)備地址功能代碼數(shù)據(jù)LRC校驗(yàn)結(jié)束符1個(gè)字符2個(gè)字符2個(gè)字符N個(gè)字符2個(gè)字符2個(gè)字符RTU方式起始位設(shè)備地址功能代碼數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)結(jié)束符T1-T2-T3-T48位8位N個(gè)字符2個(gè)字符T1-T2-T3-T4數(shù)據(jù)的校驗(yàn)的方式有兩種，LRC（縱向冗余校驗(yàn)）和CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）。以太網(wǎng)格式常用ModBus協(xié)議主設(shè)備查詢格式從設(shè)備響應(yīng)格式現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)既是一個(gè)開放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動(dòng)化功能。這是一項(xiàng)以智能傳感器、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動(dòng)化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，是以數(shù)據(jù)通信代替?zhèn)鹘y(tǒng)4~20mA模擬信號(hào)及普通開關(guān)量信號(hào)的傳輸，是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場(chǎng)總線，如法國(guó)的FIP，英國(guó)的ERA，德國(guó)西門子公司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，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI（ActraturSensorInterface），ModBus，SDS，Arcnet，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織-基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美國(guó)的DeviceNet與ControlNet等等。這些現(xiàn)場(chǎng)總線大都用于過程自動(dòng)化、醫(yī)藥領(lǐng)域、加工制造、交通運(yùn)輸、國(guó)防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域，大概不到十種的總線占有80%左右的市場(chǎng)。現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線除具有一對(duì)N結(jié)構(gòu)、互換性、互操作性、控制功能分散、互連網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)外，還具有如下特點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單綜合自動(dòng)化功能容錯(cuò)能力強(qiáng)提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和測(cè)控精度現(xiàn)場(chǎng)總線-FF總線基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF（FoundationFieldbus）FF的參考模型具備ISO/OSI參考模型中的三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并按照現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)際要求，把應(yīng)用層劃分為兩個(gè)子層——總線范圍子層與總線報(bào)文規(guī)范子層。此外，F(xiàn)F增加了用戶層，因此可以將通信模型看作是四層。物理層規(guī)定了信號(hào)如何發(fā)送；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定如何在設(shè)備間共享網(wǎng)絡(luò)和調(diào)度通信；應(yīng)用層規(guī)定了在設(shè)備間交換數(shù)據(jù)、命令、事件信息以及請(qǐng)求應(yīng)答中的信息格式；用戶層用于組成用戶所需要的應(yīng)用程序，如規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的功能塊、設(shè)備描述，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理等。現(xiàn)場(chǎng)總線-過程現(xiàn)場(chǎng)總線ProfiBusProfiBus是PROCESSFieldbus的縮寫。ProfiBus針對(duì)不同的應(yīng)用需要推出了三種類型：ProfiBus-DP(DecentralizedPeriphery)、ProfiBus-PA(ProcessAutomation)和ProfiBus-FMS(FieldbusMessageSpecification)。這三種類型均使用統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，其中PROFIBUS-DP采用經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)通信連接，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)的分散I/O之間通信設(shè)計(jì)，能滿足設(shè)備級(jí)分布式控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性的要求；PROFIBUS-PA專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)傳輸采用IEC11582標(biāo)準(zhǔn)，支持本質(zhì)安全要求和總線供電；PROFIBUS-FMS用來解決車間級(jí)通信任務(wù)，完成中等傳輸速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)，較DP通信量大，使用更靈活，服務(wù)復(fù)雜多樣，但實(shí)時(shí)性能稍低。所以，PROFIBUS覆蓋了制造業(yè)自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和過程自動(dòng)化等多個(gè)自動(dòng)化領(lǐng)域?，F(xiàn)場(chǎng)總線-過程現(xiàn)場(chǎng)總線ProfiBus過程現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus傳輸速度可在9.6Kbps～12Mbps范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。Profibus-DP（DecentralizedPeriphery)和Profibus-PA（ProcessAutomation)是目前最常用的兩種類型現(xiàn)場(chǎng)總線。它們主要使用主-從方式，通常周期性地與總線設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Profibus-DP，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。可實(shí)現(xiàn)高速傳輸，適用于分散的外部設(shè)備和自控設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，用于連接Profibus-PA和加工自動(dòng)化。該協(xié)議定義了第一、二層和用戶接口，第三層到第七層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同Profibus-DP設(shè)備的設(shè)備行為。Profibus-DP采用RS-485作為物理層的連接接口，網(wǎng)絡(luò)的物理連接采用屏蔽單對(duì)雙絞銅線的A型電纜。Profibus-PA，專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可使傳感器（變送器)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連在一根總線上。十分適合防爆安全要求高、通信速度低的過程控制場(chǎng)合，可以提供總線供電。該協(xié)議定義了第一、二、七層，第三層到第六層未加描述?，F(xiàn)場(chǎng)總線-過程現(xiàn)場(chǎng)總線ProfiBus隨著商務(wù)、辦公領(lǐng)域的IT技術(shù)在企業(yè)信息化中的影響越來越大，ProfiBus又提出了結(jié)合Ethernet的解決方案——ProfiNet，ProfiNet采用了對(duì)象模型（COM/DCOM)，通過TCP/IP很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)外信息的交換，原有的PROFIBUS設(shè)備通過代理接口也可以方便地集成到ProfiNet中。ProfiNet可以看作ProfiBus結(jié)合IT技術(shù)后的縱向向上拓展，這一拓展對(duì)實(shí)現(xiàn)企業(yè)的管控一體化具有重大意義。需要注意，在一些數(shù)據(jù)量較大、實(shí)時(shí)性要求不十分嚴(yán)格的車間級(jí)通信中ProfiNet已經(jīng)逐漸取代了原來ProfiBus-FMS的地位。所以在談到ProfiBus技術(shù)時(shí)，主要指PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA以及ProfiNetPROFIBUS-DP的協(xié)議結(jié)構(gòu)EngineControlTransmissionControlAnti-lockBrakesActiveSuspensionLightingPowerSeatsAirConditionPowerLocksPowerWindowAirbagDashBoardEngineControlTransmissionControlAnti-lockBrakesActiveSuspensionLightingPowerSeatsAirConditionPowerLocksPowerWindowAirbagCANCANCANCANCANCANCANCANCANCANDashBoardCANCAN現(xiàn)場(chǎng)總線-CANCAN是ControllerAreaNetwork的縮寫，中文稱為控制局域網(wǎng)。它是德國(guó)Bosch公司在1986年為解決現(xiàn)代汽車中眾多測(cè)量與控制部件之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，已成為ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898。雖然該技術(shù)最初是服務(wù)于汽車工業(yè)，但由于其在技術(shù)與性價(jià)比方面的優(yōu)勢(shì)，在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。CAN總線規(guī)范了任意兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)之間的兼容性，包括電氣特性及數(shù)據(jù)揭示協(xié)議。CAN協(xié)議分為兩層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層決定了實(shí)際傳送過程中的電氣特性，在同一網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)的物理層必須保持一致，但可以采用不同方式的物理層。CAN的數(shù)據(jù)鏈路層功能包括幀組織形式，總線仲裁和檢錯(cuò)、錯(cuò)誤報(bào)告及處理，確認(rèn)哪個(gè)信息要發(fā)送，確認(rèn)接收到的信息以及為應(yīng)用層提供接口等。CAN總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)常用CAN節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)物理層數(shù)據(jù)鏈路層現(xiàn)場(chǎng)總線-CANCAN在可靠性、實(shí)時(shí)性與靈活性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下7個(gè)方面：（1）CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。（2）CAN采用載波監(jiān)聽多路訪問、逐位仲裁的非破壞性總線仲裁技術(shù)。一是先聽再說，二是當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送報(bào)文而引起沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線仲裁時(shí)間。（3）通信靈活，可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)及分布式檢測(cè)、控制系統(tǒng)。（4）網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可分成不同的優(yōu)先級(jí)以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。（5）具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播傳送接收數(shù)據(jù)的功能。通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率為5Kbps），在400m通信距離內(nèi)，通信速率最高可達(dá)1Mbps。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。（6）每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8，這樣傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低；每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，可靠性極高。在傳輸信息出錯(cuò)嚴(yán)重時(shí)，節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響。（7）通信介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜或光纖?，F(xiàn)場(chǎng)總線-DeviceNetDeviceNet是由Allen-Bradley公司（Rockwell自動(dòng)化）開發(fā)的一種基于CAN的開放的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。DeviceNet用戶組織（ODVA）負(fù)責(zé)發(fā)布DeviceNet規(guī)范以及對(duì)DeviceNet標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維護(hù)。就像其他的協(xié)議一樣，DeviceNet協(xié)議最基本的功能是在設(shè)備及其相應(yīng)的控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因此，這種通信是基于面向連接的（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)傳送）通信模型建立的。這樣，DeviceNet既可以工作在主從模式，也可以工作在多主模式。DeviceNet的報(bào)文主要分為高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程報(bào)文（I/O報(bào)文）和低優(yōu)先級(jí)的管理報(bào)文（直接報(bào)文）。兩種類型的報(bào)文都可以通過分段模式來傳輸不限長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。DeviceNet的通信和應(yīng)用都是基于對(duì)象模型的。預(yù)先定義好的對(duì)象簡(jiǎn)化了不同廠商的不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換。通過建立不同設(shè)備的子集，用戶可以從進(jìn)一步的規(guī)范化中獲益?，F(xiàn)場(chǎng)總線-ControlNetControlNet基于改型CANBUS技術(shù)，用于PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信網(wǎng)絡(luò)。它可連接拖動(dòng)裝置、穿并行設(shè)備、PC、人機(jī)界面等。它還可以溝通邏輯控制和過程控制系統(tǒng)，傳輸速率為5Mb/s。控制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是一種高速確定性網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)時(shí)間有苛刻要求的應(yīng)用場(chǎng)合的信息傳輸。它為對(duì)等通信提供實(shí)時(shí)控制和報(bào)文傳送服務(wù)。它作為控制器和I/O設(shè)備之間的一條高速通信鏈路，綜合了現(xiàn)有各種網(wǎng)絡(luò)的能力?？刂凭W(wǎng)是一種現(xiàn)代化的開放網(wǎng)絡(luò)，它提供如下功能：對(duì)在同一鏈路上的I/O實(shí)時(shí)互鎖、進(jìn)行對(duì)等通信報(bào)文傳送和編程操作，均具有相同的帶寬；對(duì)于離散和連續(xù)過程控制應(yīng)用場(chǎng)合，均具有確定性和可重復(fù)性?，F(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用領(lǐng)域ProfiBusInterBusDeviceNetControlNet制造業(yè)自動(dòng)化

汽車制造（機(jī)器人、裝配線、沖壓線等），造紙，紡織；過程控制自動(dòng)化

石化，制藥，水泥，食品，啤酒。電力

發(fā)電，輸配電：樓宇

空調(diào)，風(fēng)機(jī)，照明；鐵路交通

信號(hào)系統(tǒng)?，F(xiàn)在是歐洲標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用在汽車、印刷等領(lǐng)域。DeviceNet的應(yīng)用包括：汽車，半導(dǎo)體芯片制造，電子產(chǎn)品制造，食品和飲料，批量生產(chǎn)化學(xué)處理，裝配，包裝和物料轉(zhuǎn)移ControlNet總線由Allen-Bradley公司于1997年推向市場(chǎng)，主要應(yīng)用于汽車、化工、發(fā)電、過程控制、自動(dòng)化制造等領(lǐng)域。信息層控制層設(shè)備層EtherNet以太網(wǎng)ControlNet控制網(wǎng)DeviceNet設(shè)備層Rockwell自動(dòng)化系統(tǒng)CAN總線系統(tǒng)的構(gòu)成CAN總線是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，隸屬于控制網(wǎng)絡(luò)的范疇。從原理和實(shí)現(xiàn)的角度，只要有兩