丛书名：21世纪高等院校电气工程与自动化规划教材

在现场汇流排技术的基础上发展了工业控制网路，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路节点而构成的。工业网路具有很高的公开性，对于通信协定的要求也很高。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，与工业控制网路相比，现场汇流排就不能很好地完成这个任务。

工业控制网路同时具有诸多特点。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準的其它设备连线的系统开放性；与此同时，工业控制网路还可以与红外线、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。

工业控制网路的发展历程是分步骤的，从传统的控制网路发展到较为先进的现场汇流排，再后来随着科技文明的进步，发展为现在研究热点工业乙太网以及到无线网路控制。未来工业网路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，实现多汇流排路集成，实时异构网路也是将来发展的一个重要方向。
工业控制网路的方向
现如今企业的经营方式随着网际网路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，并在很大的範围内得以贯穿，世界上有文明的地方就有工业控制网路。在一些领域里，例如办公自动化领域里，办公设备中出现了网际网路技术的支持。除此之外，在製造加工工业中，在网际网路的基础上，开放式的、透明的商业运作是新技术的发展方向。
更高的频宽
更高的频宽是高性能工业控制网路的要求，要增加频宽，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製造信息。同样地，PLC 从场地设备採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，网路很可能无法承载，离散的网路组织也可能产生瓶颈效应从而对网路变成透明的、覆盖企业範围的套用实体产生阻碍。乙太网的标準频宽是10Mbps，近期研究高速乙太网，其速度能达到百兆甚至千兆，从而能够成为企业大範围内的主干网路。在这种状况下，只有乙太网能满足大家的需要，这同时也促进了多样控制网路的出现。
开放性的工业控制网路体系
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，企业大都套用网际网路、智慧型设备和伺服器式套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，硬体和软体不同，但它们在商业系统中具有相同的本质标準，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製造数据得以释放，在整个企业网路範围内，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路的特点、发展历程、技术现状和发展趋势，重点介绍了Modbus、PROFIBUS、CAN、DeviceNet及CANopen等现场汇流排技术，还介绍了EPA、PROFINET、HSE、Ethernet/IP及Modbus TCP等工业乙太网技术，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路套用案例和实验内容，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。

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　现场汇流排控制系统　3
1.2　工业控制网路特点　4
1.3　传统控制网路——现场汇流排　4
1.3.1　现场汇流排的定义　4
1.3.2　现场汇流排的发展历程　5
1.3.3　工业控制网路国际标準　5
1.4　现代控制网路——工业乙太网　7
1.4.1　工业乙太网定义　7
1.4.2　工业乙太网的发展历程　7
1.4.3　工业乙太网的特点　8
1.4.4　工业乙太网的标準　8
1.4.5　工业乙太网的发展前景　9
1.5　常用工业控制网路介绍　9
1.5.1　基金会现场汇流排(FF)　9
1.5.2　PROFIBUS　10
1.5.3　CIP　11
1.5.4　Modbus　12
1.5.5　CAN汇流排　13
1.5.6　LonWorks　14
1.6　工业控制网路发展趋势　14

第2章　数据通信与计算机网路基础　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　数字数据的数位讯号编码　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　工业控制网路的节点　25
2.4.1　可程式控制器　25
2.4.2　感测器与变送器　26
2.4.3　执行器与驱动器　26
2.4.4　人机界面　27
2.4.5　网路互连设备　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　网路拓扑结构　30
2.6.1　星型拓扑　30
2.6.2　汇流排型拓扑　31
2.6.3　环型拓扑　31
2.6.4　树型拓扑　32
2.7　网路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　几种典型控制网路的通信模型　38

第3章　Modbus现场汇流排　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接口标準　42
3.2.2　RS-485接口标準　44
3.3　Modbus串列链路层标準　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协定编程实现　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　台达触控萤幕　62
3.4.3　台达变频器　62
3.5　Modbus系统组态　64
3.5.1　WPLSoft软体介绍　64
3.5.2　Screen Editor软体介绍　66
3.5.3　PLC与变频器Modbus通信　68
实验1　Modbus网路系统设计　72

第4章　PROFIBUS现场汇流排　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的通信协定　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　西门子触控萤幕TP 177B　92
4.4　PROFIBUS-DP系统　92
4.4.1　STEP7软体介绍　92
4.4.2　WinCC flexible软体介绍　96
4.4.3　PROFIBUS-DP系统组态　97
实验2　PROFIBUS系统设计　101

第5章　CAN汇流排　103
5.1　CAN汇流排特点　103
5.2　CAN汇流排通信模型　104
5.2.1　CAN汇流排的物理层　104
5.2.2　CAN汇流排的数据链路层　108
5.3　CAN汇流排帧结构　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汇流排的错误处理机制　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暂存器功能　118
5.6　CAN汇流排收发器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汇流排节点设计　129
5.7.1　CAN汇流排节点的硬体设计　129
5.7.2　CAN汇流排节点的软体设计　132
实验3　CAN汇流排节点一对一通信实验　134

第6章　DeviceNet现场汇流排　135
6.1　DeviceNet概述　135
6.1.1　设备级的网路　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的套用层　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连线　145
6.4.1　重複MAC ID检测　146
6.4.2　建立连线　147
6.4.3　DeviceNet预定义主从连线组　151
6.4.4　预定义主从连线的工作过程　152
6.5　预定义主从连线实例　153
6.5.1　显示信息连线　153
6.5.2　轮询连线　154
6.5.3　位选通连线　155
6.5.4　状态变化连线/循环连线　157
6.5.5　多点轮询连线　159
6.6　台达DeviceNet设备简介　161
6.6.1　台达DNET扫描模组　161
6.6.2　台达DeviceNet远程IO适配模组　162
6.6.3　DeviceNet通讯转换模组　163
6.7　台达DeviceNet系统组态　165
6.7.1　DeviceNetBuilder软体介绍　165
6.7.2　DeviceNet套用案例　166
实验4　DeviceNet系统设计实验　169

第7章　CANopen现场汇流排　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的套用层　174
7.3　台达CANopen设备简介　193
7.3.1　台达CANopen扫描模组　193
7.3.2　台达CANopen从站通信转换模组　194
7.4　台达CANopen系统组态　195
7.4.1　CANopen模组设定介绍　195
7.4.2　CANopen套用案例　196
实验5　CANopen系统设计实验　200

第8章　工业乙太网　202
8.1　工业乙太网简介　202
8.1.1　乙太网与工业乙太网　202
8.1.2　工业乙太网的环境适应问题　203
8.1.3　乙太网通信的非确定性问题　205
8.1.4　实时乙太网　206
8.2　EPA　207
8.2.1　EPA的主要特点　208
8.2.2　EPA的通信协定模型　208
8.2.3　EPA的网路结构　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与其他现场汇流排系统的集成　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的连结设备　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的工业乙太网组网　218
8.6　Modbus TCP　221
8.6.1　Modbus TCP概述　221
8.6.2　Modbus TCP套用数据单元　223
8.6.3　Modbus-RTPS　223
8.7　台达工业乙太网设备简介　224
8.7.1　台达工业乙太网通信模组　224
8.7.2　台达工业乙太网远程I/O模组　225
8.7.3　台达工业乙太网交换机　226
8.8　台达工业乙太网系统组态　227
8.8.1　DCISoft软体介绍　227
8.8.2　工业乙太网套用案例　229
实验6　工业乙太网系统设计实验　234

附录A　ASCII码錶　235
附录B　CAN汇流排节点一对一通信参考程式　236

参考文献　239