实时工业网络设计与应用

目　录

第1章　实时工业网络概述　1

1.1　实时工业网络的基本概念　1

1.1.1　实时工业网络的组成　1

1.1.2　实时工业网络的任务　3

1.1.3　实时工业网络的实时性　3

1.2　实时工业网络的分类　3

1.2.1　工业控制网络的分类　3

1.2.2　实时工业网络的分类　3

1.3　实时工业网络的主要功能与发展　6

1.3.1　实时工业网络的主要功能　6

1.3.2　实时工业网络的主要特点　6

1.3.3　实时工业网络的发展方向　7

1.4　小结　8

1.5　习题　8

第2章　数据通信与网络互连基础　9

2.1　数据通信基础　9

2.1.1　基本概念　9

2.1.2　通信网络的拓扑结构　11

2.1.3　网络传输介质　12

2.1.4　数据交换技术　13

2.1.5　差错控制方法　16

2.2　通信参考模型　17

2.2.1　OSI参考模型的基本概念　17

2.2.2　TCP/IP参考模型　20

2.3　网络互连基础　21

2.3.1　网络互连的基本概念　21

2.3.2　网络互连设备　23

2.3.3　实时工业网络的互连　25

2.4　实时工业网络通信基础　25

2.4.1　实时工业网络通信模型　26

2.4.2　工业无线网络通信特点　29

2.4.3　工业无线网络通信协议　31

2.5　小结　32

2.6　习题　32

第3章　常用现场总线技术　33

3.1　PROFIBUS总线　33

3.1.1　PROFIBUS概述　33

3.1.2　PROFIBUS的特点　35

3.1.3　PROFIBUS的通信模型　35

3.1.4　PROFIBUS的实现　41

3.1.5　PROFIBUS控制系统的集成　53

3.2　HART总线　62

3.2.1　HART概述　62

3.2.2　HART的协议结构　64

3.2.3　HART的通信模型　65

3.2.4　开发HART通信协议智能仪表的工作步骤　67

3.2.5　HART控制网络的设计　67

3.2.6　HART的控制网络实例　80

3.3　小结　94

3.4　习题　94

第4章　实时工业以太网技术　95

4.1　工业以太网　95

4.1.1　工业以太网与以太网　95

4.1.2　工业以太网的特色技术　97

4.1.3　通信非确定性的缓解措施　99

4.1.4　以太网的物理连接　100

4.1.5　以太网的数据帧　101

4.1.6　以太网的TCP/IP协议　103

4.2　实时工业以太网　109

4.2.1　几种实时以太网的通信参考模型　109

4.2.2　实时以太网的媒体访问控制　110

4.2.3　IEEE 1588精确时间同步协议　111

4.3　EPA控制网络的设计　112

4.3.1　EPA技术简介　112

4.3.2　EPA网络拓扑结构　112

4.3.3　EPA通信协议　114

4.3.4　EPA应用层通信协议栈的设计与实现　116

4.3.5　EPA时间同步技术　133

4.3.6　EPA确定性调度技术　145

4.4　PROFINET　150

4.4.1　PROFINET的网络连接　150

4.4.2　IO设备模型及其数据交换　152

4.4.3　组件模型及其数据交换　157

4.4.4　PROFINET通信的实时性　159

4.4.5　PROFINET与其他现场总线系统的集成　161

4.4.6　PROFINET的IP地址管理与数据集成　162

4.5　EtherNet/IP　164

4.5.1　EtherNet/IP的通信参考模型　164

4.5.2　CIP的对象与标识　165

4.5.3　EtherNet/IP的报文种类　166

4.5.4　EtherNet/IP的技术特点　166

4.6　高速以太网HSE　167

4.6.1　高速以太网HSE结构　167

4.6.2　HSE与现场设备间的通信　168

4.6.3　HSE的柔性功能块　169

4.6.4　HSE的链接设备　169

4.7　小结　170

4.8　习题　170

第5章　工业无线网络技术　171

5.1　几种流行的无线网络　171

5.1.1　蓝牙网络　171

5.1.2　ZigBee网络　174

5.1.3　几种不同的短距离无线通信技术的特点比较　175

5.1.4　无线广域网　175

5.2　工业无线网络技术概述　178

5.2.1　工业无线网络的定义　178

5.2.2　工业无线网络特点　179

5.2.3　工业无线网络的分类　180

5.3　Wireless HART技术　181

5.3.1　Wireless HART的定义　181

5.3.2　Wireless HART的特点　182

5.3.3　Wireless HART和ZigBee的比较　183

5.3.4　Wireless HART的应用　184

5.3.5　Wireless HART控制网络的拓扑结构　184

5.3.6　Wireless HART通信协议　186

5.3.7　工业无线网络传感器节点的设计　199

5.4　小结　203

5.5　习题　203

第6章　实时工业网络的组态和系统集成　204

6.1　编程软件STEP7的使用　204

6.2　WinCC组态软件的 结构化设计　209

6.2.1　WinCC介绍　209

6.2.2　WinCC安装过程　209

6.2.3　启动WinCC　211

6.2.4　添加PLC驱动程序　212

6.2.5　设置线性标度　217

6.2.6　创建过程画面　218

6.2.7　图形编辑器　218

6.3　实时工业网络组态集成　221

6.4　小结　227

6.5　习题　227

第7章　实时工业网络实训　228

7.1　实时以太网控制系统实训　228

实训一　PLC控制系统的硬件组态　228

实训二　PLC控制系统的软件编程　236

实训三　稳压罐压力控制实训　244

实训四　实时以太网电磁流量计　250

实训五　实时以太网气动调节阀　258

7.2　有线HART总线控制系统实训　262

实训一　加热罐液位通信实训　262

实训二　加热罐加热控制实训　265

实训三　水温调节控制实训　267

实训四　有线HART气动调节阀控制实训　271

7.3　Wireless HART控制系统实训　277

实训一　Wireless HART的仪表通信实训　277

实训二　Wireless HART控制系统流量调节实训　281

参考文献　286

在工业控制网络发展过程中，实时工业网络技术是理论性和实践性都很强的一个研究领域。《实时工业网络设计与应用(21世纪高等院校电气工程与自动化规划教材)》由李艇主编，本书以实时工业网络设计与应用为主线，系统地讨论了目前主流的实时工业网络技术，并结合实际工业现场的多种应用进行综合实训。本书对实时工业网络的基本概念、实时工业以太网技术、实时工业网络的组态和系统集成等进行了较全面的介绍，并在实时工业网络实训平台中完成PLC控制系统各项功能的实际操作，使学生能够对工业生产中的自动化过程控制的组态与编程以及实现工业网络的通信进行初步的分析和设计。 　　本书系统、先进、实用，有较强的实践性。适合作为应用本科电气信息类和自动化类专业教材，还可供从事工业控制网络系统设计和产品研究的工作技术人员参考。在工业控制网络发展过程中，实时工业网络技术是理论性和实践性都很强的一个研究领域。本书以实时工业网络设计与应用为主线，系统地讨论了目前主流的实时工业网络技术，并结合实际工业现场的多种应用进行综合实训。本书对实时工业网络的基本概念、实时工业以太网技术、实时工业网络的组态和系统集成等进行了较全面的介绍，并在实时工业网络实训平台中完成PLC控制系统各项功能的实际操作，使学生能够对工业生产中的自动化过程控制的组态与编程以及实现工业网络的通信进行初步的分析和设计。　　本书系统、先进、实用，有较强的实践性。适合作为应用本科电气信息类和自动化类专业教材，还可供从事工业控制网络系统设计和产品研究的工作技术人员参考。