工业控制网络

2012年人民邮电出版社出版的图书
工业控制网络(工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目)是人民邮电出版社出版的一本图书，作者王振力、刘博。
丛书简介
在现场总线技术的基础上发展了工业控制网络，它是用具有数字通信能力并能大量分散在生产现场的测量控制仪表作为网络节点而构成的。工业网络具有很高的公开性，对于通信协议的要求也很高。它的运作主要是把现场的设备之间的信息可以自由交流，在这样就更容易完成控制系统的任务，完成速度更快，与工业控制网络相比，现场总线就不能很好地完成这个任务。
产品特点
工业控制网络同时具有诸多特点。它具有实现互连设备间、系统间的信息传递与沟通的互操作性；还具有可以与世界任何地方遵守同标准的其它设备连接的系统开放性；与此同时，工业控制网络还可以与红外线、电力线、同轴电缆等很多设备合作，这就使得它可以适应不同的现场环境；还有一个明显的特点就是通信实时性，能提供相对应的实时通信，具有时间管理功能。
发展趋势
工业控制网络的发展历程是分步骤的，从传统的控制网络发展到较为先进的现场总线，再后来随着科技文明的进步，发展为现在研究热点工业以太网以及到无线网络控制。未来工业网络的发展需要从通信的实时性，安全性和可靠性来努力，想要达到这个层度也不是很简单的，实现多总线路集成，实时异构网络也是将来发展的一个重要方向。
工业控制网络的方向
现如今企业的经营方式随着互联网和其相关技术的出现和发展，已经被改变了很多，它使信息通信环绕在整个社会生活中，并在很大的范围内得以贯穿，世界上有文明的地方就有工业控制网络。在一些领域里，例如办公自动化领域里，办公设备中出现了互联网技术的支持。除此之外，在制造加工工业中，在互联网的基础上，开放式的、透明的商业运作是新技术的发展方向。
更高的带宽
更高的带宽是高性能工业控制网络的要求，要增加带宽，首先要分散控制数据，在将来的几年里，分散控制系统会产生增加二十到三十倍的制造信息。同样地，PLC 从场地设备采集的信息预计也会增加一二十倍。在自动化控制和通信设施中，如果总使用新的处理体系和技术，网络很可能无法承载，离散的网络组织也可能产生瓶颈效应从而对网络变成透明的、覆盖企业范围的应用实体产生阻碍。以太网的标准带宽是10Mbps，近期研究高速以太网，其速度能达到百兆甚至千兆，从而能够成为企业大范围内的主干网络。在这种状况下，只有以太网能满足大家的需要，这同时也促进了多样控制网络的出现。
开放性的工业控制网络体系
随着经济全球化的发展和大部分产品周期的提高，为了降低生产成本，企业大都应用互联网、智能设备和服务器式应用系统以及无线通信等新技术。虽然这样确实降低了成本，但同时这些新技术和商业过程无法避免地生成了很多数据，这些数据分配又是一个难题。虽然在执行方式上，硬件和软件不同，但它们在商业系统中具有相同的本质标准，那就是开放式的生产管理体系。这种体系能使企业脱离单一的设备维护费用的运作方式。除此之外，开放式的系统使动态的制造数据得以释放，在整个企业网络范围内，使我们的管理者能能把数据自由地分配给广大使用者，从而提高了企业的工作效率。
内容提要
本书介绍了工业控制网络的特点、发展历程、技术现状和发展趋势，重点介绍了Modbus、PROFIBUS、CAN、DeviceNet及CANopen等现场总线技术，还介绍了EPA、PROFINET、HSE、Ethernet/IP及Modbus TCP等工业以太网技术，并结合台达工业自动化产品有针对性地安排了大量工业控制网络应用案例和实验内容，着重对学生的实际动手能力、独立思考能力、创新思维能力和综合运用能力进行培养和训练。
本书可作为普通高等院校电气工程及其自动化、自动化、电子信息工程、仪器仪表、计算机、机械电子、汽车电子及相关专业的教材，也可作为相关工程技术人员的参考书。
目录
第1章　绪论　1
1.1　工业自动控制系统历史　1
1.1.1　模拟仪表控制系统　1
1.1.2直接数字控制系统2
1.1.3集散控制系统2
1.1.4现场总线控制系统3
1.2　工业控制网络特点　4
1.3　传统控制网络——现场总线　4
1.3.1　现场总线的定义　4
1.3.2　现场总线的发展历程　5
1.3.3　工业控制网络国际标准　5
1.4　现代控制网络——工业以太网　7
1.4.1　工业以太网定义　7
1.4.2　工业以太网的发展历程　7
1.4.3　工业以太网的特点　8
1.4.4　工业以太网的标准　8
1.4.5　工业以太网的发展前景　9
1.5　常用工业控制网络介绍　9
1.5.1　基金会现场总线(FF)　9
1.5.2　PROFIBUS　10
1.5.3　CIP　11
1.5.4　Modbus　12
1.5.5　CAN总线　13
1.5.6　LonWorks　14
1.6　工业控制网络发展趋势　14
第2章　数据通信与计算机网络基础　16
2.1　数据通信系统概述　16
2.1.1　数据通信系统组成　16
2.1.2　数据通信系统的性能指标　17
2.2　数据编码技术　17
2.2.1　数字数据的模拟信号编码　17
2.2.2　数字数据的数字信号编码　18
2.2.3　数据同步方式　19
2.3　传输差错及其检测　21
2.3.1奇偶校验码22
2.3.2　校验和　23
2.3.3循环冗余校验码24
2.4　工业控制网络的节点　25
2.4.1　可编程控制器　25
2.4.2　传感器与变送器　26
2.4.3　执行器与驱动器　26
2.4.4　人机界面　27
2.4.5　网络互连设备　27
2.5　通信传输介质　28
2.5.1　双绞线　28
2.5.2　同轴电缆　28
2.5.3　光纤　29
2.5.4　无线传输介质　30
2.6网络拓扑结构30
2.6.1　星型拓扑　30
2.6.2总线型拓扑31
2.6.3　环型拓扑　31
2.6.4　树型拓扑　32
2.7　网络传输介质的访问控制方式　32
2.7.1　载波监听多路访问/冲突检测　33
2.7.2　令牌访问控制方式　33
2.7.3　时分复用　34
2.7.4　轮询　34
2.7.5　集总帧方式　34
2.8OSI参考模型35
2.8.1　OSI参考模型简介　35
2.8.2　OSI参考模型的功能划分　36
2.8.3　几种典型控制网络的通信模型　38
第3章　Modbus现场总线　40
3.1　概述　40
3.1.1　Modbus的特点　40
3.1.2　Modbus的通信模型　40
3.1.3　通用Modbus帧　41
3.1.4　Modbus通信原理　41
3.2　Modbus物理层　42
3.2.1　RS-232接口标准　42
3.2.2　RS-485接口标准　44
3.3　Modbus串行链路层标准　46
3.3.1　Modbus的传输模式　46
3.3.2　Modbus差错检验　49
3.3.3　Modbus的功能码　51
3.3.4　Modbus协议编程实现　59
3.4　台达工业自动化设备　60
3.4.1台达PLC简介　61
3.4.2台达触摸屏62
3.4.3台达变频器62
3.5　Modbus系统组态　64
3.5.1　WPLSoft软件介绍　64
3.5.2　Screen Editor软件介绍　66
3.5.3　PLC与变频器Modbus通信　68
实验1　Modbus网络系统设计　72
第4章　PROFIBUS现场总线　73
4.1　PROFIBUS概述　73
4.1.1　PROFIBUS简介　73
4.1.2　PROFIBUS的通信参考模型　74
4.1.3　PROFIBUS的家族成员　74
4.2　PROFIBUS-DP的通信协议　76
4.2.1　PROFIBUS-DP的物理层　76
4.2.2　PROFIBUS-DP的数据链路层80
4.2.3　PROFIBUS-DP的用户层　85
4.3　PROFIBUS-DP设备简介　87
4.3.1　西门子S7-300 PLC　87
4.3.2远程I/O90
4.3.3　西门子触摸屏TP 177B　92
4.4　PROFIBUS-DP系统　92
4.4.1　STEP7软件介绍　92
4.4.2　WinCC flexible软件介绍　96
4.4.3　PROFIBUS-DP系统组态　97
实验2　PROFIBUS系统设计　101
第5章　CAN总线　103
5.1　CAN总线特点　103
5.2　CAN总线通信模型　104
5.2.1　CAN总线的物理层　104
5.2.2　CAN总线的数据链路层　108
5.3　CAN总线帧结构　109
5.3.1　数据帧　109
5.3.2　远程帧　111
5.3.3　出错帧　111
5.3.4　超载帧　112
5.3.5　帧间空间　112
5.4　CAN总线的错误处理机制　113
5.4.1　错误类型　113
5.4.2　错误界定规则　114
5.5　SJA1000 CAN控制器　115
5.5.1　SJA1000引脚功能　115
5.5.2　SJA1000内部功能结构　116
5.5.3　SJA1000内部存储区分配　117
5.5.4　SJA1000寄存器功能　118
5.6　CAN总线收发器PCA82C250　126
5.6.1　PCA82C250引脚功能　127
5.6.2　PCA82C250内部功能结构　127
5.6.3　PCA82C250的工作模式　128
5.7　CAN总线节点设计　129
5.7.1　CAN总线节点的硬件设计　129
5.7.2　CAN总线节点的软件设计　132
实验3　CAN总线节点一对一通信实验　134
第6章　DeviceNet现场总线　135
6.1　DeviceNet概述　135
6.1.1　设备级的网络　135
6.1.2　DeviceNet的特性　136
6.1.3　DeviceNet的通信模式　136
6.2　DeviceNet通信模型　136
6.2.1　DeviceNet的物理层　137
6.2.2　DeviceNet的数据链路层　140
6.2.3　DeviceNet的应用层　140
6.3　DeviceNet设备描述　143
6.3.1　DeviceNet设备的对象模型　143
6.3.2　DeviceNet设备的对象描述　144
6.3.3　DeviceNet设备组态的数据源　145
6.4　DeviceNet连接　145
6.4.1　重复MAC ID检测　146
6.4.2　建立连接　147
6.4.3　DeviceNet预定义主从连接组　151
6.4.4　预定义主从连接的工作过程　152
6.5　预定义主从连接实例　153
6.5.1　显示信息连接　153
6.5.2　轮询连接　154
6.5.3　位选通连接　155
6.5.4　状态变化连接/循环连接　157
6.5.5　多点轮询连接　159
6.6　台达DeviceNet设备简介　161
6.6.1　台达DNET扫描模块　161
6.6.2　台达DeviceNet远程IO适配模块　162
6.6.3　DeviceNet通讯转换模块　163
6.7　台达DeviceNet系统组态　165
6.7.1　DeviceNetBuilder软件介绍　165
6.7.2　DeviceNet应用案例　166
实验4　DeviceNet系统设计实验　169
第7章　CANopen现场总线　170
7.1　CANopen概述　170
7.1.1　CANopen的发展　170
7.1.2　CANopen的特性　172
7.2　CANopen通信模型　172
7.2.1　CANopen的物理层　173
7.2.2　CANopen的数据链路层　174
7.2.3　CANopen的应用层　174
7.3　台达CANopen设备简介　193
7.3.1　台达CANopen扫描模块　193
7.3.2　台达CANopen从站通信转换模块　194
7.4　台达CANopen系统组态　195
7.4.1　CANopen模块设置介绍　195
7.4.2　CANopen应用案例　196
实验5　CANopen系统设计实验　200
第8章　工业以太网　202
8.1　工业以太网简介　202
8.1.1　以太网与工业以太网　202
8.1.2　工业以太网的环境适应问题　203
8.1.3　以太网通信的非确定性问题　205
8.1.4　实时以太网　206
8.2　EPA　207
8.2.1　EPA的主要特点　208
8.2.2　EPA的通信协议模型　208
8.2.3　EPA的网络结构　209
8.3　PROFINET　210
8.3.1　PROFINET技术的起源　210
8.3.2　PROFINET的主要技术特点　210
8.3.3　PROFINET通信　212
8.3.4　PROFINET与其他现场总线系统的集成　214
8.4　HSE　214
8.4.1　HSE的系统结构　214
8.4.2　HSE与现场设备间的通信　215
8.4.3　HSE的柔性功能块　216
8.4.4　HSE的链接设备　217
8.5　Ethernet/IP　217
8.5.1　Ethernet/IP概述　217
8.5.2　Ethernet/IP的报文种类　217
8.5.3　基于Ethernet/IP的工业以太网组网　218
8.6　Modbus TCP　221
8.6.1　Modbus TCP概述　221
8.6.2　Modbus TCP应用数据单元　223
8.6.3　Modbus-RTPS　223
8.7　台达工业以太网设备简介　224
8.7.1　台达工业以太网通信模块　224
8.7.2　台达工业以太网远程I/O模块　225
8.7.3　台达工业以太网交换机226
8.8　台达工业以太网系统组态　227
8.8.1　DCISoft软件介绍　227
8.8.2　工业以太网应用案例　229
实验6　工业以太网系统设计实验　234
附录A　ASCII码表　235
附录B　CAN总线节点一对一通信参考程序　236
参考文献　239