工业控制网络
作 者： 王振力 主编
出版时间：2012
丛编项： 工业和信息化普通高等教育"十二五"规划教材立项项目
内容简介
《工业控制网络》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ModbusTCP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。《工业控制网络》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
2.8 OSI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/O 90
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
