寫在面前
工業控制網絡按照“集中管理，分散控制”的原則，用於連接工業控制系統的工業計算機控制器、可編程邏輯控制器、傳感器、變送器、執行器、人機接口、工業服務器等設備節點，傳輸工業控制系統的採集、命令、診斷和協調等信號。整個控制網絡分為監控層、控制層、設備層三層網絡。（注意：這裡主要講的是控制網絡，即是前面文章：工業控制系統安全入門與實踐—從五層架構和安全標準說起中的下面三層）
01 網絡拓撲結構與特點
一般的網絡拓撲結構及特點如下：
總線型：
總線拓撲結構所有設備連接到一條連接介質上。總線結構所需要的電纜數量少，線纜長度短，易於佈線和維護。多個結點共用一條傳輸信道，信道利用率高。
星型：
星型拓撲結構是一箇中心，多個分節點。它結構簡單，連接方便，管理和維護都相對容易，而且擴展性強。網絡延遲時間較小，傳輸誤差低。中心無故障，一般網絡沒問題。中心故障，網絡就出問題，同時共享能力差，通信線路利用率不高。
環狀：
環形拓撲結構是節點形成一個閉合環。工作站少，節約設備。當然，這樣就導致一個節點出問題，網絡就會出問題，而且不好診斷故障。
樹型：
樹形拓撲結構從總線拓撲演變而來。形狀像一棵倒置的樹,頂端是樹根，樹根以下帶分支，每個分支還可再帶子分支，樹根接收各站點發送的數據，然後再廣播發送到全網。好擴展，容易診斷錯誤，但對根部要求高。
網狀：
網形拓撲結構是應用最廣泛的，它的優點是不受瓶頸問題和失效問題的影響，一旦線路出問題，可以做其他線路，但太複雜，成本高。
02 以太網、Profinet、Profibus實際搭建分析
以太網架構搭建及網絡拓撲形式
a) 網絡架構搭建
(1) 首先要按照控制分區確定PLC的具體數量和位置；
(2) 根據PLC的數量和位置，將PLC接於製造執行系統(MES)的交換機上；
(3) 將上位機接於MES交換機上，組建以太網網絡結構。
b) 搭建原則
工業以太網交換機是一種可以提供環網耦合功能的有源網絡組件，有高效冗餘的特性，可以保證當現場總線出現故障的時候，上位機與PLC之間的正常數據交換。在應用過程中每個交換機至少需預留1個備用口。
c) 網絡拓撲形式
以太網通過採用星型網絡拓撲結構保證PLC與上位機之間大量數據的實時傳輸。
Profinet架構搭建及網絡拓撲形式
a) 網絡架構搭建
(1) 首先需要按照控制分區確定所需搭建網絡結構線體的現場設備數量。
(2) 根據現場設備的數量及位置，確定交換機通訊接口數量，在交換機的選擇過程中線體形式的系統優先考慮16口交換機，工作站形式的系統優先考慮8口交換機。
(3) 對於線體形式系統若交換機數量大於2臺，則採用網管型交換機並將交換機組成環網型結構後與PLC連接，組建網絡結構。
b) 搭建原則
(1) 線體形式交換機與現場設備之間優先採用星型+總線型網絡拓撲結構，如果選用總線型拓撲結構，原則上每路總線連接設備不能超過5個，每兩個相鄰設備間距離不能超過90米；
(2) 每個交換機應至少預留1個備用口；
(3) 線體間的信號交互通過PN/PN耦合器來實現。
c) 網絡拓撲形式
(1) 線體網絡結構形式
圖1監控層與控制層網絡拓撲結構示意圖
圖1為“以太網+Profinet環網”的網絡結構示意圖。在圖中可以看到，整個網絡包括監控層、控制層兩個層次。PLC與上位機之間通過以太網的形式進行數據的傳輸。PLC與現場設備採用Profinet網絡形式進行連接，網管型交換機組成環網之後與PLC相連。耦合器主要應用於網際間的信號交互，用於連接的兩個相互獨立的Profinet網絡進行數據交換。
圖2設備層網絡拓撲結構示意圖
上圖為設備層的網絡結構拓撲示意圖。在圖中可以看到，現場設備與交換機之間採用總線型+星型的混合拓撲結構，此時需要保證相鄰設備間距離不能超過90米。Profinet網線使用專用網線，接頭使用專用快速連接的金屬接頭，以保證網絡通訊穩定、可靠。機器人及其周邊設備通過非網管型交換機連接。
- 工作站網絡結構形式
以太網+Profinet拓撲結構
方案二是方案一的簡化形式，當現場交換機小於3臺時，交換機之間可不必組成環網，直接採用這種連接方式。交換機採用非網管型，工作站之間或者工作站與其他控制系統的信號交互通過PN/PN耦合器實現。
Profibus架構搭建及網絡拓撲形式
a) 網絡架構搭建
(1) 確定需要搭建網絡結構的線體包含的現場設備數量。
(2) 按照驅動性負載、通訊模塊、機器人系統、安全設備、車型識別等對現場設備進行分類彙總。
(3) 確定中繼器的總類及數量：
①根據網絡設備的類型和位置，確定總共需要搭建幾條總線；
②通過判定需要診斷功能的總線數量來確定診斷中繼器的個數；
③根據網段中網絡設備的距離判斷所需中繼器的數量；
(4) 根據確定的中繼器數量，組建整個Profibus網絡拓撲結構。
b) 搭建原則
(1) 由於中繼器具有信號放大和再生的功能，在一條Profibus總線上使用RS485時，最多可以安裝9個。
(2) 在Profibus網絡結構中，當硬件設備超過32個，或者波特率對應的網絡通訊距離已經超出經驗值範圍時(見下表)，就應該使用Profibus中繼器來擴展網絡連接，從而達到擴展網絡規模、保證良好通信質量的目的。
(3) 例如一條Profibus總線上有80個站點，那麼就需要2箇中繼器將網絡分成3個段。由於中繼器本身也是一個特殊的DP從站設備，在網段中分別佔用一個物理地址，因而實際上都只能再連接31個DP主站/從站設備。
(4) 中繼器擴展的距離，假設1.5Mbps的波特率時，通訊距離為130米，則網段1從最遠站到中繼器網段1之間的距離為130米，而從中繼器的網段2到最遠站還可以再擴展130米，這樣整個網絡的距離為260米，以此類推。
(5) 如果選用帶診斷功能的中繼器，每個中繼器的DP2/DP3網段診斷的最遠距離不能超過80米，且保證同一診斷迴路不能有兩個診斷設備。
(6) 線體間的信號交互通過DP/DP耦合器來實現。
(7) 在網絡組建過程中，要嚴格保證每條總線具備可靠的終端電阻。
a) 網絡拓撲形式
Profibus網絡結構示意圖
上圖是Profibus網絡結構示意圖。在Profibus網絡結構示意圖中，採用總線型的網絡拓撲結構。中繼器將Profibus-DP分為多條總線，將網絡中的驅動性負載、通訊模塊、機器人系統、車型識別、安全開關分總線佈置。耦合器主要應用於網際間的信號交互，用來連接兩個相互獨立的Profibus網絡進行數據交換，其通信速率可以不同，可傳送的輸入和輸出數據最大為244個字節。它的每個Profibus接口做為一個獨立的設備在網絡中有獨立的設備名，更新時間可以不同，但是通信數據區輸入/輸出方式必須是相互對應的。
02 特點及應用
- 以太網特點及應用
工業以太網是建立在IEEE802.3系列標準和TCP/IP上的分佈式實時控制通訊網絡，工業以太網適用於數據量傳輸量大，傳輸速度要求較高的場合。它採用CSMA/CD協議，同時兼容TCP/IP協議。PLC與上位機之間的通訊，我們採用了以太網的形式。
- Profinet特點及應用
Profinet採用以太網作為通信介質，實際上是在以太網上掛接傳統的Profibus系統和新型的智能現場設備，因此基於以太網的任何開發都可以直接應用在Profinet網絡中。Profinet具有功能完善、傳輸速率高、抗干擾能力強、使用方便等優點。Profinet包括Profinet I/O和Profinet CBA兩個主要部分，其中Profinet I/O用於連接分散的外圍設備，採用循環數據和非循環數據兩種通信方式。PLC與現場設備間的通訊可以通過Profinet的形式來實現。
- Profibus特點及應用
Profibus 是Process Fieldbus 的簡稱，其總線傳輸速率一般可在9.6Kbit/s-12Mbit/s間選擇。Profibus總線的傳輸距離長：可以採用雙絞線或光纜作為傳輸介質，在對速率要求不高的情況下（9.6Kbit/s）傳輸距離可以達到1200m，即使是在12Mbit/s最高的傳輸速率下，其傳輸距離也能達到200m，此外，我們也可以使用中繼器等設備來延長其傳輸距離可達10km。
PROFIBUS由三個兼容部分組成：PROFIBUS一DP，PROFIBUS一FMS，PROFIBUS一PA三個兼容版本。其中PROFIBUS一DP是一種經過優化的高速通信網絡，專為自動控制系統和分散1/0設備之間通信設計，用於分佈式控制系統的高速數據傳輸；PROFIBuS一FMS主要解決車間級通用性通信任務，完成中等速度的循環和非循環通信任務；PROFIBUS一PA專為過程自動化設計，提供標準的本質安全傳輸技術，用於對安全性要求較高的場合及有總線供電的站點。我們一般使用PROFIBUS一DP協議。
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