工业控制网络技术(新自动化从信息化到智能化高等院校自动化类新工科系列教材)

目　　录

第1章　 绪论 1

1.1　 工业控制网络技术的研究意义 1

1.2　 工业控制网络 2

1.2.1　 工业控制网络概述 2

1.2.2　 现场总线 2

1.2.3　 工业以太网 3

1.2.4　 工业无线网络 3

1.3　 网络控制系统 4

1.3.1　 网络控制系统的发展 4

1.3.2　 网络控制系统的优点 5

1.4　 控制网络与信息网络的关系 6

1.4.1　 控制网络与信息网络的区别 6

1.4.2　 控制网络与信息网络的集成 6

1.5　 工业控制网络的发展 8

1.5.1　 工业控制网络的发展历程 8

1.5.2　 工业控制网络标准化 9

1.5.3　 工业控制网络的应用 11

1.5.4　 工业控制网络的发展趋势 12

第2章　 PROFIBUS 14

2.1　 概述 14

2.2　 PROFIBUS 的模型结构 15

2.2.1　 PROFIBUS-FMS 16

2.2.2　 PROFIBUS-DP 16

2.2.3　 PROFIBUS-PA 16

2.3　 PROFIBUS 的通信协议 16

2.3.1　 物理层 16

2.3.2　 现场总线数据链路层 21

2.3.3　 应用层 24

2.3.4　 PROFIBUS 行规 25

2.4　 PROFIBUS 的实现 26

2.4.1　 DP 从站单片的实现 27

2.4.2　 智能化FMS 和DP从站的实现 28

2.4.3　 复杂的FMS 和DP主站的实现 28

2.4.4　 PA 现场设备的实现 28

2.5　 从站通信控制器SPC3 28

2.5.1　 ASIC 介绍 28

2.5.2　 SPC3 功能简介 29

2.5.3　 引脚介绍 30

2.5.4　 存储器分配及参数 31

2.5.5　 ASIC 接口 35

2.5.6　 PROFIBUS-DP 接口 42

2.5.7　 通用处理器总线接口 43

2.5.8　 UART 45

2.5.9　 PROFIBUS 接口电路 45

2.6　 主站通信控制器ASPC2 与网络接口卡 46

2.6.1　 ASPC2 介绍 46

2.6.2　 CP5611 网络接口卡 48

2.6.3　 CP5613 网络接口卡 49

2.6.4　 CP5511/5512 网络接口卡 49

2.7　 PROFIBUS-DP 开发包4 50

2.7.1　 开发包4 的组成 50

2.7.2　 硬件安装 53

2.7.3　 软件使用 53

2.8　 PROFIBUS-DP 从站的开发 55

2.8.1　 硬件设计 55

2.8.2　 软件设计 55

2.9　 PROFIBUS 控制系统的集成 56

2.9.1　 PROFIBUS 控制系统的构成 56

2.9.2　 PROFIBUS 控制系统的配置 57

2.9.3　 PROFIBUS 系统配置中的设备选型 58

2.10　 PROFINET 65

2.11　 实例：PROFIBUS 在煤矿粉尘监控系统中的应用 67

2.11.1　 系统的构成及功能 67

2.11.2　 通信 69

2.11.3　 系统软件设计 70

第3章　 Modbus 71

3.1　 概述 71

3.2　 串行链路上的Modbus 协议 72

3.2.1　 物理层 72

3.2.2　 Modbus 数据链路层 77

3.2.3　 Modbus 功能码 79

3.2.4　 S7-200 的Modbus通信设置 88

3.3　 TCP/IP 上的Modbus 协议 93

3.3.1　 Modbus TCP/IP 协议上层结构 94

3.3.2　 TCP/IP 栈 95

3.3.3　 TCP 管理 98

3.3.4　 通信应用层 101

3.4　 实例：基于Modbus 协议工控节点的设计 108

3.4.1　 控制节点硬件设计 108

3.4.2　 控制节点软件设计 112

第4章　 CAN 115

4.1　 概述 115

4.2　 CAN 通信协议 116

4.2.1　 CAN 的通信参考模型 116

4.2.2　 位定时与同步 116

4.2.3　 CAN 总线的位值与通信距离 118

4.2.4　 媒体访问控制 118

4.2.5　 报文传输 119

4.2.6　 错误类型和错误界定 123

4.3　 CAN 通信控制器 125

4.3.1　 SJA1000 通信控制器 125

4.3.2　 TN82527 CAN 通信控制器 143

4.3.3　 内嵌CAN 控制器的P8xC591 146

4.4　 CAN 总线收发器与I/O 器件 152

4.4.1　 CAN 总线收发器82C250 152

4.4.2　 CAN 总线收发器TJA1050 154

4.4.3　 CAN 总线I/O 器件82C150 165

4.5　 总线长度及节点数的确定 166

4.6　 CAN 控制器与8051 系列单片机的接口技术 168

4.6.1　 CAN 总线智能节点的设计 168

4.6.2　 CAN 中继器的设计 175

4.6.3　 CAN 总线与RS-485 总线转换网桥的设计 181

4.7　 CAN 总线通信适配器的设计 185

4.7.1　 CAN 总线通信适配器的硬件结构 185

4.7.2　 CAN 总线通信适配器的工作原理 185

4.8　 实例： CAN 控制网络在煤矿瓦斯报警系统中的应用 186

4.8.1　 系统硬件设计 186

4.8.2　 系统软件设计 187

第5章　 DeviceNet 189

5.1　 概述 189

5.2　 DeviceNet 通信模型 190

5.2.1　 物理层 190

5.2.2　 数据链路层 193

5.2.3　 应用层 194

5.3　 DeviceNet 的连接及报文协议 194

5.3.1　 CAN 标识符 195

5.3.2　 DeviceNet 传输报文 196

5.3.3　 DeviceNet 连接的建立 197

5.4　 DeviceNet 对象模型 205

5.5　 设备描述与 EDS 文件 207

5.6　 一致性测试 207

5.7　 DeviceNet 设备 208

5.7.1　 DNET 扫描模块 208

5.7.2　 DeviceNet 远程I/O适配模块 209

5.7.3　 DeviceNet 通信转换模块 210

5.7.4　 DeviceNetBuilder 软件 211

5.8　 实例：DeviceNet 网络设计 212

第6章　 工业以太网及其他控制网络 216

6.1　 工业以太网 216

6.1.1　 概述 216

6.1.2　 工业以太网的优点 217

6.1.3　 工业以太网的通信模型 217

6.2　 Ethernet/IP 218

6.2.1　 Ethernet/IP 模型 218

6.2.2　 Ethernet/IP 的通信机制 219

6.2.3　 Ethernet/IP 网络的优势 220

6.3　 EtherCAT 220

6.3.1　 EtherCAT 总线特性 220

6.3.2　 EtherCAT 系统的工作原理 221

6.3.3　 EtherCAT 的优势 222

6.4　 EPA 222

6.4.1　 概述 222

6.4.2　 EPA 网络体系结构 223

6.4.3　 EPA 的工作原理 224

6.4.4　 EPA 的技术特点 226

6.5　 WLAN 227

6.5.1　 概述 227

6.5.2　 WLAN 协议模型（协议簇） 227

6.5.3　 WLAN 的工作原理和网络结构 228

6.6　 WAPI 229

6.6.1　 概述 229

6.6.2　 WAPI 的工作原理 230

6.6.3　 WAPI 技术的应用 231

6.7　 控制网络的比较与选择 231

参考文献 233