现场总线工业控制网络技术

现场总线工业控制网络技术 内容提要

    以现场总线为代表的工业控制网络已成为新一代工业控制系统中的重要技术，它是计算机网络技术在工业控制底层的具体实现。《现场总线工业控制网络技术》从数据通信技术基础、计算机网络OSI七层参考模型两方面介绍了工业控制网络的基础知识，着重讨论了CAN、DeviceNet、PROFIBUSDP三种国内应用较为广泛的现场总线技术，全面地分析了它们的技术特点、协议规范及通信接口设计方法，并给出了简单的应用实例。

    《现场总线工业控制网络技术》可作为大专院校自动化、机电、仪器仪表等专业工业控制网络相关课程的教学参考书，也可供从事工业控制网络系统设计和产品研发的工程技术人员参考。  
 
 

 前言     20世纪80年代末期兴起的现场总线技术引发了工业自动化领域的重大变革，它代表着工业控制网络技术的发展方向。现场总线控制系统（FCS）将集散式控制系统中集中与分散相结合的模式变成了新型的全分布式控制模式，控制功能彻底下放到现场，现场控制设备通过总线与管理层交换信息。在企业信息系统的层次上，整个企业信息网络可以分为现场控制层、过程监控层、生产管理层、市场经营层等多个层次。工业控制网络是控制技术、通信技术、计算机技术在企业现场控制层、过程监控层的综合体现，被称为工厂底层网络。目前，工业控制网络技术的应用已经推广到过程控制自动化、制造自动化、楼宇自动化以及交通运输等多个领域。

    近年来，现场总线技术一直是国内工业自动化领域的热点。一些业内的企业和科研单位已经由最初对现场总线技术研究、攻关、示范，转变为具体应用和产品开发。作为北京市重点实验室，北京航空航天大学机械工程及自动化学院现场总线及工业测控研究室自20世纪90年代初开始现场总线的研究工作以来，相继开展了CAN、PROFIBUSDP、DeviceNet、EtherNet/IP和J1939等方面的研究。与此同时，研究室还积极与国内企业合作，共同从事工业控制网络方面的研发工作，取得的多项成果已在实际中得到应用。《现场总线工业控制网络技术》就是在上述研究基础上完成的。

《现场总线工业控制网络技术》特点
1. 起点低，适用面宽
    工业测试、控制技术涉及多学科和众多应用。应用这一技术的科技人员和研究生中，除少部分来自于通信、计算机专业外，大部分来自其他不同的专业领域，缺乏通信和计算机网络方面的基础知识。虽然现场总线技术只是他们应用中使用的手段和工具，但是了解了通信和计算机网络的基础知识，对于合理选择现场总线技术类型，快速、正确地掌握现场总线的基本原理和使用方法却大有益处。《现场总线工业控制网络技术》从介绍数据通信和计算机网络的基础内容开始，不需要过多的专业知识。

2. 基础理论和具体现场总线技术相结合
    《现场总线工业控制网络技术》从内容上可以分为工业控制网络基础和典型现场总线技术两部分。在工业控制网络基础部分中，从数据通信基础和计算机网络体系结构两方面，探讨了有关工业控制网络数据通信的一般内容；在典型现场总线技术中，分别介绍了目前国内离散控制领域广泛应用的CAN、DeviceNet、PROFIBUSDP三种现场总线技术，读者可以有选择地参考。结合作者的经验来看，只要掌握了数据通信的一般内容并深刻剖析了一种现场总线技术，学习其他的现场总线技术便可举一反三。

3. 既突出技术特点，又兼顾协议标准
    在介绍三种具体现场总线技术时，虽然采用了不同的方法，但是都围绕技术特点和协议标准进行。在介绍CAN总线时，通过较完整的CAN协议标准来说明CAN的技术特点。由于DeviceNet、PROFIBUSDP的协议标准内容较多，限于篇幅，《现场总线工业控制网络技术》不便覆盖协议的全部内容，因此，在介绍这两种现场总线技术时，概括了这两种现场总线的主要技术内容，这也有利于读者抓住技术的核心内容。为了便于与DeviceNet、PROFIBUSDP的协议标准相对照，《现场总线工业控制网络技术》中的一些概念和说明内容分别沿用了两个标准中的内容，如第6章DeviceNet中的数据结构说明、第8章PROFIBUSDP中的数据结构说明等，请读者注意。

4. 注重实际需要，选取典型开发实例
    现场总线技术是一项实用的工程技术，《现场总线工业控制网络技术》中提供了一些简单开发实例的基本内容，便于读者实际开发时参照。在CAN总线和PROFIBUSDP的内容中，分别介绍了典型通信控制器芯片，还分别介绍了远程工业电表抄表系统实例和智能远程I/O从站的开发实例；在DeviceNet内容中，借助电动阀门远程控制器，讲述了实际应用最多的仅限组2服务器的设计方法。另外，《现场总线工业控制网络技术》中还使用了大量的图表，图注、表注也较多，实际开发时应多加注意。 

《现场总线工业控制网络技术》结构
    《现场总线工业控制网络技术》共分9章。第1章为计算机网络与现场总线概述；第2章介绍了数据通信技术的基础知识；第3章介绍了计算机网络体系结构与协议；第4、5章介绍了CAN总线规范及应用；第6、7章介绍了Devicenet规范及应用；第8、9章介绍了PROFIBUSDP规范及应用。《现场总线工业控制网络技术》第1～3章由夏继强编写；第4、5章由卢明臻编写；第6、7章由邢春香编写；第8、9章由郑大元、周丽萍编写；由夏继强负责《现场总线工业控制网络技术》结构内容的规划和最终定稿。另外，穆雍、孙朋、白焕旭、杨相珀、聂慧萍、孙进、朱博、石冬静、于书生、宋江滨、王娜和李文奇等也参加了《现场总线工业控制网络技术》的录入工作。

致谢
    满庆丰教授、唐济扬教授对《现场总线工业控制网络技术》进行了审阅，并提出了宝贵意见；在《现场总线工业控制网络技术》编写过程中得到何立民教授、满庆丰教授、耿春明博士后、马广云博士的大力支持；得到中国PROFIBUS专业委员会（CPO）、DeviceNet组织（ODVA China)的帮助；《现场总线工业控制网络技术》还得到北京航空航天大学教材、专著编写基金的支持。在此一并致以诚挚的谢意。

    由于作者水平所限及工业控制网络技术的不断发展，错误和不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。同时也希望通过《现场总线工业控制网络技术》的出版，结识更多业内的同行和企业，加强联系和合作，共同促进国内工业控制网络技术的发展。作者联系邮箱：xiajiqiang@buaa.edu.cn

夏继强
2004年10月 
 
 

 

现场总线工业控制网络技术 目录

第1章 计算机网络与现场总线概述
1.1 计算机网络的形成与发展2
1.2 计算机网络中的基本概念4
1.2.1 计算机网络的定义4
1.2.2 计算机网络的结构与组成5
1.2.3 计算机网络的拓扑结构6
1.2.4 计算机网络的分类8
1.3 工业自动化的发展及现场总线的产生9
1.3.1 现场总线的定义9
1.3.2 工业自动化的发展9
1.3.3 现场总线控制系统的特点14
1.4 几种现场总线技术简介15
1.5 现场总线的标准18

第2章 数据通信技术基础
2.1 数据通信的基本概念20
2.2 数据的编码技术22
2.2.1 数据的模拟编码方法22
2.2.2 数据的数字编码方法24
2.2.3 脉冲编码调制25
2.3 数据的基带传输和频带传输26
2.3.1 基带传输26
2.3.2 频带传输29
2.4 数据通信方式31
2.4.1 串行与并行32
2.4.2 异步传输和同步传输32
2.4.3 单工、半双工、全双工33
2.5 数据交换技术34
2.5.1 线路交换方式34
2.5.

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