现场总线控制网络技术

目 录

第1章 企业信息网络技术 1

1．1 企业信息网络 1

1．2 企业网技术 4

1．2．1 企业网技术的需求背景 4

1．2．2 企业网技术背景 4

1．2．3 企业网的特性 5

1．2．4 企业网的发展历程 5

1．2．5 企业信息化与自动化的层次模型 5

1．3 企业网的体系结构 6

1．3．1 IT企业网的功能体系结构 6

1．3．2 网络控制系统与企业网的关系 8

1．3．3 企业网的一般实现结构 9

1．3．4 以现场总线与企业内部网为基础的企业网结构 11

1．4 企业网的实现 11

1．4．1 建立企业网的策略 11

1．4．2 分布式控制网络平台 13

1．4．3 分布式控制网络平台 14

1．5 企业网的应用 15

1．5．1 CIMS的产生与发展 15

1．5．2 CIMS的概念 16

1．5．3 CIMS的构成 16

1．5．4 CIMS中的数据集成技术 18

1．5．5 CIMS的实施与经济效益 21

1．6 企业内联网（Intranet）技术 21

1．6．1 Intranet的基本概念 21

1．6．2 Intranet在企业中的应用 23

1．6．3 Intranet与Internet的关系 25

1．6．4 企业Intranet计算模式及其相关技术 25

1．6．5 企业Intranet系统的安全技术 28

1．6．6 企业Intranet的建立 30

1．6．7 Intranet管理 34

1．6．8 基于现场总线的Intranet体系 37

第2章 物联网与控制网络技术 40

2．1 物联网基础 40

2．1．1 物联网的本质 40

2．1．2 物联网的概念 41

2．1．3 物联网应用 42

2．1．4 物联网应用的发展 44

2．2 物联网与下一代网络 47

2．2．1 物联网与CPS 47

2．2．2 物联网与线传感器网络 48

2．3 物联网与现场控制网络 48

2．3．1 物联网与现场控制网络的关系 48

2．3．2 物联网与线传感器网络的连接 49

2．4 网络的信息通信基础 51

2．4．1 数据传输技术 51

2．4．2 两台相邻设备之间的数据通信 52

2．4．3 多台相邻设备之间的数据通信 53

2．4．4 信号的传输方式 54

2．4．5 网络中不同计算机之间的数据交换 55

2．4．6 差错检测与控制 58

2．5 开放式系统互联参考模型 58

2．5．1 OSI参考模型 58

2．5．2 OSI参考模型各层的基本功能 59

2．5．3 OSI参考模型的数据传输 61

2．6 网络协议 62

2．6．1 IP协议 63

2．6．2 传输控制协议 66

2．6．3 TCP/IP之上的网络服务和高层协议 67

2．6．4 NetBEUI/NetBIOS协议 69

2．6．5 IPX/SPX协议 70

2．6．6 ATM协议 70

2．7 局域网技术 73

2．7．1 局域网的特点与基本组成 73

2．7．2 局域网协议 74

2．7．3 媒体访问控制方法 74

2．8 局域网的网络互联 78

2．8．1 传统以太网技术 79

2．8．2 快速以太网技术 82

2．8．3 光纤分布式数据接口 84

2．8．4 ATM网络技术 89

2．8．5 千兆位以太网 94

2．9 网络连接设备 100

2．9．1 网络连接的基本概念 100

2．9．2 网络互联设备的选择 100

2．9．3 线局域网连接产品 110

2．10 控制网络与信息网络 112

2．10．1 控制网络与信息网络的区别 112

2．10．2 控制网络与信息网络的互联 113

2．10．3 控制网络与信息网络互联技术在控制领域的应用 114

2．10．4 控制网络的规划设计 114

2．11 控制网络与信息网络的集成 116

2．11．1 控制网络与信息网络集成的目标 116

2．11．2 控制网络与信息网络集成技术 117

2．11．3 控制网络技术的展望 117

第3章 现场总线控制网络 118

3．1 现场总线技术 118

3．1．1 现场总线的产生和发展 118

3．1．2 现场总线的技术特点 120

3．1．3 几种有影响的现场总线 121

3．2 现场总线控制网络技术 123

3．2．1 现场总线控制系统 123

3．2．2 现场总线控制系统的组成 124

3．2．3 现场总线控制系统的体系结构 126

3．2．4 现场总线与网络的差异 129

3．3 现场总线设备 130

3．3．1 设备类型 130

3．3．2 设备管理 130

3．4 现场总线控制网络的体系结构 131

3．4．1 现场总线控制网络的模型 131

3．4．2 FCS的拓扑结构 132

3．5 通信模型与协议 134

3．5．1 基金会现场总线通信模型 136

3．5．2 LonWorks通信模型 136

3．5．3 Profibus通信模型 137

3．5．4 CAN通信模型 137

3．6 现场总线控制系统的软件结构 137

3．6．1 软件设计的基本原则 137

3．6．2 数据采集工作站及现场总线通信服务器 138

3．6．3 实时数据库 138

3．6．4 控制策略组态 140

3．6．5 监控组态系统 142

3．6．6 远程应用 143

3．7 现场总线控制系统的集成 144

3．7．1 控制系统的集成 144

3．7．2 现场总线控制网络与信息网络的集成 146

3．7．3 现场总线控制系统建立时注意的技术问题 147

3．8 现场总线控制系统的功能块及组态 149

3．8．1 功能块组态概述? 149

3．8．2 功能块库 155

3．8．3 功能块的内部结构与功能块连接 157

3．8．4 功能块的应用进程 158

3．9 现场总线控制系统的网络布线与安装 158

3．9．1 现场总线系统的网络部件 158

3．9．2 网络布线和安装 160

3．10 现场总线的发展趋势 163

3．10．1 现场总线与计算机通信技术的关系 163

3．10．2 国内现场总线的发展趋势 165

3．10．3 现场总线应用工程的发展趋势 165

第4章 Profibus总线技术 167

4．1 Profibus基本特性 168

4．2 Profibus总线 172

4．2．1 Profibus-PA 172

4．2．2 Profibus-DP 174

4．2．3 Profibus-FMS 179

4．3 Profibus通信协议 181

4．3．1 Profibus与OSI参考模型 181

4．3．2 Profibus设备配置 183

4．3．3 面向连接的数据交换 185

4．4 Profibus控制系统的集成技术? 186

4．4．1 Profibus控制系统的组成 186

4．4．2 Profibus控制系统的配置 186

4．4．3 Profibus系统配置中的设备选型 187

4．5 Profibus通信接口与从站的实现 195

4．5．1 Profibus协议专用ASICS芯片 195

4．5．2 DP从站单片实现 196

4．5．3 智能化FMS和DP从站的实现 196

4．5．4 复杂的FMS和DP主站的实现 196

4．5．5 PA现场设备的实现 196

4．6 Profibus控制器ASPC2 197

4．6．1 ASPC2功能 197

4．6．2 ASPC 2引脚 198

4．6．3 ASIC接口 199

4．6．4 处理器接口 201

4．7 Profibus总线技术应用 205

第5章 基金会现场总线技术 215

5．1 基金会现场总线的核心技术 215

5．1．1 基金会现场总线的主要技术 215

5．1．2 通信系统的结构及其相互关系 216

5．1．3 协议数据的构成与层次 217

5．1．4 基金会现场总线的网络拓扑结构 218

5．1．5 应用进程及其网络可视对象 218

5．1．6 FF总线网络通信中的虚拟通信关系（VCR） 222

5．2 FF总线的物理层及其网络连接 224

5．2．1 物理层的功能 224

5．2．2 物理层的结构 225

5．2．3 传输介质 225

5．2．4 FF总线的物理信号波形 226

5．2．5 基金会现场总线的信号编码 227

5．2．6 现场设备 228

5．3 数据链路层 228

5．3．1 链路活动调度器（LAS）及其功能 228

5．3．2 通信设备类型 229

5．3．3 数据链路协议数据单元（DLPDU） 229

5．3．4 链路活动调度器的工作 230

5．3．5 数据传输方式 231

5．3．6 数据链路时间的同步 232

5．4 现场总线访问子层（FAS） 232

5．4．1 FF总线的访问子层FAS的协议机制 233

5．4．2 应用关系端点角色 233

5．4．3 传输路径与策略 234

5．4．4 建立应用关系的方式 235

5．4．5 应用关系端点分类 235

5．4．6 总线访问子层FAS的服务及其参数 236

5．4．7 总线访问子层FAS协议数据单元（FAS-PDU） 237

5．4．8 数据链路层映射协议机构（DMPM） 237

5．5 现场总线报文规范层（FMS） 237

5．5．1 虚拟现场设备（VFD） 238

5．5．2 联络关系管理 239

5．5．3 变量访问对象及其服务 239

5．5．4 事件服务 240

5．5．5 “域”（Domain）上载/下载服务 240

5．5．6 程序调用服务 241

5．5．7 FMS协议数据单元及其编码 241

5．5．8 FMS的信息格式 242

5．5．9 FMS的启动 243

5．6 网络管理 243

5．6．1 网络管理者与网络管理代理 243

5．6．2 网络管理代理的虚拟现场设备 244

5．6．3 NMA对象与相应的对象服务 245

5．6．4 通信实体 245

5．7 系统管理 247

5．7．1 系统管理概述 247

5．7．2 系统管理的作用 249

5．7．3 系统管理信息库（SMIB）及其访问 249

5．7．4 系统管理内核（SMK）状态 251

5．7．5 系统管理服务和作用过程 251

5．7．6 关于地址与地址分配 253

5．7．7 基金会现场总线通信控制器 254

5．8 基金会现场总线系统的组态与运行 254

5．8．1 基金会现场总线系统的组态 254

5．8．2 系统的组态 257

5．8．3 网段与系统的启动 258

5．8．4 装载LAS调度表与修改组态 258

5．9 设备描述与FF的产品开发 258

5．9．1 设备描述 258

5．9．2 设备描述的开发步骤 259

5．9．3 基金会现场总线的系列产品与产品开发 260

5．9．4 通信行规与设备行规 260

5．10 基金会现场总线技术应用实例 261

5．10．1 基于FF协议智能变送器的设计与开发 261

5．10．2 基金会现场总线技术在丁二烯生产控制系统中的应用 262

5．10．3 基金会现场总线技术在油田注水泵中的应用研究 265

5．10．4 基于基金会现场总线技术的压力测量系统设计 267

第6章 控制器局域网总线 270

6．1 CAN的性能特点 270

6．2 CAN2．0的技术规范 271

6．2．1 CAN的基本概念 271

6．2．2 CAN节点的分层结构 274

6．2．3 报文传送及其帧结构 274

6．2．4 错误类型和界定 280

6．2．5 位定时与同步 281

6．2．6 CAN协议帧格式 282

6．2．7 CAN高层协议 283

6．2．8 CAN总线媒体装置特性 286

6．3 CAN总线相关器件介绍 288

6．3．1 CAN独立通信控制器SJA1000 290

6．3．2 带有CAN总线接口的微控制器及I/O器件 324

6．4 CAN总线的应用 329

6．4．1 CAN总线的主要应用领域 329

6．4．2 CAN总线的应用 330

6．5 CAN总线与汽车电子系统 332

6．5．1 CAN总线汽车电子系统 332

6．5．2 CAN总线在汽车电子中的应用实例 335

第7章 LonWorks总线技术 343

7．1 LONWORKS技术 343

7．1．1 LonWorks的开放性及互操作性 343

7．1．2 LonWorks网络特性 343

7．1．3 LonWorks的本质安全性 344

7．1．4 LonWorks技术的未来 345

7．1．5 LonWorks技术的特点 345

7．2 LON网络控制技术 346

7．2．1 Neuron芯片 346

7．2．2 网络管理 346

7．2．3 LonWorks产品 347

7．2．4 Lonpoint（Lonpoint System） 350

7．3 LONWORKS应用技术 352

7．3．1 LON节点 352

7．3．2 I/O设备 354

7．3．3 网络变量及显式消息 354

7．4 NEURON芯片 355

7．4．1 Neuron芯片家族 355

7．4．2 Neuron芯片内部总体结构 356

7．4．3 时钟信号产生 357

7．4．4 休眠/唤醒电路 358

7．4．5 看门狗定时器 358

7．4．6 复位 358

7．4．7 Neuron芯片存储器配置 359

7．4．8 专用开发语言Neuron C 360

7．5 NEURON芯片内部网络通信端口及服务引脚 360

7．5．1 通信 360

7．5．2 通信端口 360

7．5．3 收发器 364

7．5．4 服务引脚 366

7．5．5 定时器/计数器 366

7．5．6 Neuron芯片的电气特性 367

7．5．7 存储映像 368

7．5．8 Neuron芯片的数据结构 372

7．6 NEURON芯片的I/O对象 373

7．6．1 Neuron芯片I/O对象类别 373

7．6．2 I/O定时问题 375

7．6．3 I/O对象 375

7．7 LONTALK协议 379

7．7．1 LonTalk协议物理层 380

7．7．2 命名、寻址以及路由 381

7．7．3 网络管理及地址的生成 383

7．7．4 LonTalk协议的MAC子层 386

7．7．5 LonTalk协议的链路层 387

7．7．6 LonTalk协议的网络层 387

7．7．7 LonTalk协议的传输层和会话层 387

7．7．8 LonTalk协议的表示层和应用层 387

7．7．9 LonTalk协议的网络管理和网络诊断 388

7．7．10 LonTalk协议的报文服务 388

7．7．11 LonTalk协议的网络认证 388

7．7．12 LonTalk协议定时器 388

7．7．13 网络消息（管理、诊断消息服务） 389

7．7．14 其他 397

7．7．15 Neuron芯片的网络映像 399

7．8 LONWORKS开发工具 399

7．8．1 基于网络的开发工具LonBuilder 400

7．8．2 LonBuilder软、硬件 400

7．8．3 基于节点的NodeBuilder开发工具 401

7．8．4 LonWorks开发应用 402

7．8．5 LNS技术 403

7．9 LONWORKS总线系统应用举例 407

7．9．1 基于LonWorks总线的工业企业网 407

7．9．2 LonWorks技术在楼宇自动化系统中的应用 409

7．9．3 用LonWorks构筑全分散智能控制网络系统 412

7．9．4 基于LonWorks总线的城市水环境实时监测系统 415

7．9．5 LonWorks总线在电梯监控系统中的应用 417

参考文献 420

现场总线技术是计算机数字通信技术向工业自动化的延伸。现场总线控制系统既是工业设备自动控制的一种开放的计算机局域网络系统，又是一种全分布式控制网络系统。本书从实际应用角度出发，将目前控制领域中三大技术热点――现场总线、物联网和网络技术有机结合，形成现场总线控制网络。本书重点介绍计算机网络与通信、企业网及建网、现场总线、控制网络集成等相关技术内容、技术要点、应用设计等知识。
本书技术新，应用实例多、图文并茂，系统性和实用性较强。并继续保持了上版内容全面系统、简明易懂、循序渐进、原理与应用紧密结合的特色，修改了部分章节 ，增加了一些新内容，如第2章增加物联网的相关知识及应用，第4、5、6、7章增加相关技术的应用实例及设计方案等。