工廠自動化網絡結構

工廠自動化網絡結構如圖1所示，它主要包括現場設備層、車間監(jiān)控層和工廠管理層3個層次的內容。

圖1工廠自動化網絡結構

1、現場設備層
主要功能是連接現場設備，例如分布式I/O、傳感器、驅動器、執(zhí)行機構和開關設備等，完成現場設備控制及設備間連鎖控制。在這里可以采用AS-i和PROFIBUS通訊總線來進行控制。
2、車間監(jiān)控層
車間監(jiān)控層又稱為單元層，用來完成車間主生產設備之間的連接，包括生產設備狀態(tài)的在線監(jiān)控、設備故障報警及維護等。還有生產統(tǒng)計、生產調度等功能。傳輸速度不是最重要的，但是應能傳送大容量的信息。在這里主要采用ProfiNET通訊總線來進行控制。
3、工廠管理層
車間操作員工作站通過以太網集線器與車間辦公管理網連接，將車間生產數據送到車間管理層。車間管理網作為工廠主網的一個子網，連接到廠區(qū)骨干網，將車間數據集成到工廠管理層。

二、PROFIBUS通訊概述
1、概述
PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準，它廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領域自動化。PROFIBUS 已被納入現場總線的國際標準IEC 61158 和歐洲標準EN 50170，并于2001 年被定為我國的國家標準JB/T10308.3-2001。
PROFIBUS由三個兼容部分組成，即PROFIBUS-DP（ Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA（Process Automation ）和PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。其中PROFIBUS-DP是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信，使用PROFIBUS－DP可取代辦24VDC或4－20mA信號傳輸。而PROFIBUS-PA是專為過程自動化設計，可使傳感器和執(zhí)行機構聯在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。PROFIBUS-FMS則用于車間級監(jiān)控網絡，是一個令牌結構、實時多主網絡。
PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。可實現現場設備層到車間級監(jiān)控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。
與其它現場總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS的最大優(yōu)點在于具有穩(wěn)定的國際標準EN50170作保證，并經實際應用驗證具有普遍性。目前已應用的領域包括加工制造．過程控制和自動化等。PROFIBUS開放性和不依賴于廠商的通信的設想，已在10多萬成功應用中得以實現。市場調查確認，在德國和歐洲市場中PROFIBUS占開放性工業(yè)現場總線系統(tǒng)的市場超過40％。PROFIBUS有國際著名自動化技術裝備的生產廠商支持，它們都具有各自的技術優(yōu)勢并能提供廣泛的優(yōu)質新產品和技術服務。
2、可以連接到PROFIBUS DP的設備
如圖2所示，大多數設備可以作為 DP 主站或 DP 從站連接至 PROFIBUS DP，唯一的限制是它們的行為必須符合標準 IEC 61784-1：2002 Ed1 CP 3/1。對于其它設備，可以使用以下產品系列的設備：
• SIMATIC S7/M7/C7
• SIMATIC S5
• SIMATIC PD/PC
• SIMATICHMI(操作面板(OP)、操作員站(OS)以及文本顯示(TD)操作員控制和監(jiān)視設備)
• 其它廠商的設備

圖2 可以連接到PROFIBUS DP的設備
3、PROFIBUS 協議結構
圖3所示為PROFIBUS的協議結構，PROFIBUS 采用主站（Master）之間的令牌（Token）傳遞方式和主站與從站（Slave）之間的主-從方式。當某主站得到令牌報文后可以與所有主站和從站通信。

圖3 PROFIBUS 協議結構

在總線初始化和起動階段建立令牌環(huán)。在總線運行期間，從令牌環(huán)中去掉有故障的主動節(jié)點，將新上電的主動節(jié)點加入到令牌環(huán)中。監(jiān)視傳輸介質和收發(fā)器是否有故障，檢查站點地址是否出錯，以及令牌是否丟失或有多個令牌。
DP 主站與DP 從站間的通信基于主-從原理，DP 主站按輪詢表依次訪問DP 從站。報文循環(huán)由DP 主站發(fā)出的請求幀（輪詢報文）和由DP 從站返回的響應幀組成。

三、PROFIBUS硬件
1、PROFIBUS 的物理層
可以使用多種通信介質(電、光、紅外、導軌以及混合方式)。傳輸速率9.6k～12M bit/s，假設DP 有32 個站點，所有站點傳送512 bit/s輸入和512bit/s 輸出，在12Ｍbit/s 時只需１ms。每個DP 從站的輸入數據和輸出數據最大為244 字節(jié)。使用屏蔽雙絞線電纜時最長通信距離為9.6km，使用光纜時最長90km，最多可以接127 個從站。可以使用靈活的拓撲結構，支持線型、樹型、環(huán)型結構以及冗余的通信模型。
DP 和FMS 使用相同的傳輸技術和統(tǒng)一的總線存取協議，可以在同一根電纜上同時運行。DP/FMS 符合EIA RS-485 標準（也稱為H2），采用屏蔽或非屏蔽雙絞線電纜，9.6 kbit/s 到12M bit/s。一個總線段最多32 個站，帶中繼器最多127 個站。
2、D 型連接器
PROFIBUS 標準推薦總線站與總線的相互連接使用9 針D 型連接器（如圖4所示）。A，B 線上的波形相反。信號為1 時B 線為高電平，A 線為低電平。

圖4 針D 型連接器
使用該連接器時，注意A1和B1為入線電纜接口端、A2、B2為出線電纜接入端；在接線時將電纜內的綠色芯纜接入A、紅色芯纜接B，并將PROFIBUS電纜的紫色外皮剝去適宜長度，并保留部分屏蔽層。