工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、車間監(jiān)控層和工廠管理層3個(gè)層次的內(nèi)容。

圖1工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層
主要功能是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，例如分布式I/O、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和開關(guān)設(shè)備等，完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制及設(shè)備間連鎖控制。在這里可以采用AS-i和PROFIBUS通訊總線來(lái)進(jìn)行控制。
2、車間監(jiān)控層
車間監(jiān)控層又稱為單元層，用來(lái)完成車間主生產(chǎn)設(shè)備之間的連接，包括生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)控、設(shè)備故障報(bào)警及維護(hù)等。還有生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度等功能。傳輸速度不是最重要的，但是應(yīng)能傳送大容量的信息。在這里主要采用ProfiNET通訊總線來(lái)進(jìn)行控制。
3、工廠管理層
車間操作員工作站通過(guò)以太網(wǎng)集線器與車間辦公管理網(wǎng)連接，將車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)送到車間管理層。車間管理網(wǎng)作為工廠主網(wǎng)的一個(gè)子網(wǎng)，連接到廠區(qū)骨干網(wǎng)，將車間數(shù)據(jù)集成到工廠管理層。

二、PROFIBUS通訊概述
1、概述
PROFIBUS是一種國(guó)際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS 已被納入現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158 和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170，并于2001 年被定為我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JB/T10308.3-2001。
PROFIBUS由三個(gè)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(shè)備級(jí)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(hào)傳輸。而PROFIBUS-PA是專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。PROFIBUS-FMS則用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。
PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。
與其它現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩(wěn)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性。目前已應(yīng)用的領(lǐng)域包括加工制造．過(guò)程控制和自動(dòng)化等。PROFIBUS開放性和不依賴于廠商的通信的設(shè)想，已在10多萬(wàn)成功應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)。市場(chǎng)調(diào)查確認(rèn)，在德國(guó)和歐洲市場(chǎng)中PROFIBUS占開放性工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的市場(chǎng)超過(guò)40％。PROFIBUS有國(guó)際著名自動(dòng)化技術(shù)裝備的生產(chǎn)廠商支持，它們都具有各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并能提供廣泛的優(yōu)質(zhì)新產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。
2、可以連接到PROFIBUS DP的設(shè)備
如圖2所示，大多數(shù)設(shè)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(biāo)準(zhǔn) IEC 61784-1：2002 Ed1 CP 3/1。對(duì)于其它設(shè)備，可以使用以下產(chǎn)品系列的設(shè)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(shè)備)
• 其它廠商的設(shè)備

圖2 可以連接到PROFIBUS DP的設(shè)備
3、PROFIBUS 協(xié)議結(jié)構(gòu)
圖3所示為PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)，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(dāng)某主站得到令牌報(bào)文后可以與所有主站和從站通信。

圖3 PROFIBUS 協(xié)議結(jié)構(gòu)

在總線初始化和起動(dòng)階段建立令牌環(huán)。在總線運(yùn)行期間，從令牌環(huán)中去掉有故障的主動(dòng)節(jié)點(diǎn)，將新上電的主動(dòng)節(jié)點(diǎn)加入到令牌環(huán)中。監(jiān)視傳輸介質(zhì)和收發(fā)器是否有故障，檢查站點(diǎn)地址是否出錯(cuò)，以及令牌是否丟失或有多個(gè)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(wèn)DP 從站。報(bào)文循環(huán)由DP 主站發(fā)出的請(qǐng)求幀（輪詢報(bào)文）和由DP 從站返回的響應(yīng)幀組成。

三、PROFIBUS硬件
1、PROFIBUS 的物理層
可以使用多種通信介質(zhì)(電、光、紅外、導(dǎo)軌以及混合方式)。傳輸速率9.6k～12M bit/s，假設(shè)DP 有32 個(gè)站點(diǎn)，所有站點(diǎn)傳送512 bit/s輸入和512bit/s 輸出，在12Ｍbit/s 時(shí)只需１ms。每個(gè)DP 從站的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)最大為244 字節(jié)。使用屏蔽雙絞線電纜時(shí)最長(zhǎng)通信距離為9.6km，使用光纜時(shí)最長(zhǎng)90km，最多可以接127 個(gè)從站?？梢允褂渺`活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持線型、樹型、環(huán)型結(jié)構(gòu)以及冗余的通信模型。
DP 和FMS 使用相同的傳輸技術(shù)和統(tǒng)一的總線存取協(xié)議，可以在同一根電纜上同時(shí)運(yùn)行。DP/FMS 符合EIA RS-485 標(biāo)準(zhǔn)（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(gè)總線段最多32 個(gè)站，帶中繼器最多127 個(gè)站。
2、D 型連接器
PROFIBUS 標(biāo)準(zhǔn)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(hào)為1 時(shí)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(shí)，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(shí)將電纜內(nèi)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?nèi)ミm宜長(zhǎng)度，并保留部分屏蔽層。