工厂自动化网络结构

一、工厂自动化网络结构
工厂自动化网络结构如图1所示，它主要包括现场设备层、车间监控层和工厂管理层3个层次的内容。

图1 工厂自动化网络结构

1、现场设备层
主要功能是连接现场设备，例如分布式I/O、传感器、驱动器、执行机构和开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。在这里可以采用AS-i和PROFIBUS通讯总线来进行控制。
2、车间监控层
车间监控层又称为单元层，用来完成车间主生产设备之间的连接，包括生产设备状态的在线监控、设备故障报警及维护等。还有生产统计、生产调度等功能。传输速度不是最重要的，但是应能传送大容量的信息。在这里主要采用ProfiNET通讯总线来进行控制。
3、工厂管理层
车间操作员工作站通过以太网集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网，连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。

二、PROFIBUS通讯概述
1、概述
PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，它广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS 已被纳入现场总线的国际标准IEC 61158 和欧洲标准EN 50170，并于2001 年被定为我国的国家标准JB/T10308.3-2001。
PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP（ Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA（Process Automation ）和PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。其中PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信，使用PROFIBUS－DP可取代办24VDC或4－20mA信号传输。而PROFIBUS-PA是专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。PROFIBUS-FMS则用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。
PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。
与其它现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造．过程控制和自动化等。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40％。PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。
2、可以连接到PROFIBUS DP的设备
如图2所示，大多数设备可以作为 DP 主站或 DP 从站连接至 PROFIBUS DP，唯一的限制是它们的行为必须符合标准 IEC 61784-1：2002 Ed1 CP 3/1。对于其它设备，可以使用以下产品系列的设备：
• SIMATIC S7/M7/C7
• SIMATIC S5
• SIMATIC PD/PC
• SIMATIC hmi (操作面板(OP)、操作员站(OS)以及文本显示(TD)操作员控制和监视设备)
• 其它厂商的设备

图2 可以连接到PROFIBUS DP的设备
3、PROFIBUS 协议结构
图3所示为PROFIBUS的协议结构，PROFIBUS 采用主站（Master）之间的令牌（Token）传递方式和主站与从站（Slave）之间的主-从方式。当某主站得到令牌报文后可以与所有主站和从站通信。

图3 PROFIBUS 协议结构

在总线初始化和起动阶段建立令牌环。在总线运行期间，从令牌环中去掉有故障的主动节点，将新上电的主动节点加入到令牌环中。监视传输介质和收发器是否有故障，检查站点地址是否出错，以及令牌是否丢失或有多个令牌。
DP 主站与DP 从站间的通信基于主-从原理，DP 主站按轮询表依次访问DP 从站。报文循环由DP 主站发出的请求帧（轮询报文）和由DP 从站返回的响应帧组成。

三、PROFIBUS硬件
1、PROFIBUS 的物理层
可以使用多种通信介质(电、光、红外、导轨以及混合方式)。传输速率9.6k～12M bit/s，假设DP 有32 个站点，所有站点传送512 bit/s输入和512bit/s 输出，在12Ｍbit/s 时只需１ms。每个DP 从站的输入数据和输出数据最大为244 字节。使用屏蔽双绞线电缆时最长通信距离为9.6km，使用光缆时最长90km，最多可以接127 个从站。可以使用灵活的拓扑结构，支持线型、树型、环型结构以及冗余的通信模型。
DP 和FMS 使用相同的传输技术和统一的总线存取协议，可以在同一根电缆上同时运行。DP/FMS 符合EIA RS-485 标准（也称为H2），采用屏蔽或非屏蔽双绞线电缆，9.6 kbit/s 到12M bit/s。一个总线段最多32 个站，带中继器最多127 个站。
2、D 型连接器
PROFIBUS 标准推荐总线站与总线的相互连接使用9 针D 型连接器（如图4所示）。A，B 线上的波形相反。信号为1 时B 线为高电平，A 线为低电平。

图4 针D 型连接器
使用该连接器时，注意A1和B1为入线电缆接口端、A2、B2为出线电缆接入端；在接线时将电缆内的绿色芯缆接入A、红色芯缆接B，并将PROFIBUS电缆的紫色外皮剥去适宜长度，并保留部分屏蔽层。