本书将现场总线控制技术与工程应用相结合,先简单介绍了工业数据通信的基础知识;再从工程应用角度出发,以项目案例的形式介绍了CAN、PROFIBUS-DP/PA、工业以太网、PROFINET IO、AS-I等总线的规范、技术特点、组态方法,以及经典WinCC V7.3及TIA Portal WinCC V13组态软件的特点、组态与应用,并分析与讲解了工业自动化控制网络的设计与实现;*后,本书以SIEMENS S7-300 PLC为对象,介绍了总线软冗余技术基础知识、冗余组件以及实现方法。
本书可作为高等学校和职业院校电气自动化、自动化、机电一体化、化工自动化等专业的教学用书,亦可作为从事自动化测控网络系统设计与应用的工程技术人员的参考书。
本书配有电子课件和习题答案,欢迎选用本书作教材的教师登录www.cmpedu.com注册下载,或发邮件至jinacmp@163.com索取。
本书针对应用型本科教学的特点,以知识内容为主,以工程应用为导向,以工程案例为背景,融入工业控制网络技术的发展成果,以及工程伦理、工程师职业道德、科学工作规范、名人名言等思政元素,纸质与电子媒体相结合,是一本适合应用型本科学生学习的教材。
工业控制网络是近年来发展形成的自动控制领域的网络技术,是计算机网络、通信与自动控制技术结合的产物。随着自动控制、计算机、通信、网络等技术的发展,企业信息管理系统涵盖了从生产过程现场控制与监控到生产与经营管理的各层次,并拓展到了产品的仓储、销售、运输、溯源全过程,以实现企业管控一体化的应用需求。因此,企业信息管理系统对工业控制网络的开放性、对底层控制网络的功能及性能均提出了更高的要求。工业控制网络技术正是在这种形势下逐渐发展而形成的。
本书以西门子S7-300系列PLC为背景,首次将西门子PROFIBUS、PROFINET IO、工业以太网、AS-I、WinCC监控及冗余控制技术有机结合,阐释了可满足各种工程应用场合与要求的工业自动化网络设计的理论基础与实现方法。本书以关键知识点为主线,以微视频、FLASH等为辅,以工程案例为背景,构建电子资源与教材相结合的立体化教材,实现与行业、企业、职业需求的“无缝对接”。同时,本书以SIMATIC S7-300系列PLC为样机,从工程应用视角将工业控制网络技术、机器视觉、机器人控制以及经典WinCC、博途WinCC等知识融入教材,既体现了应用层次性、系统性,又确保了控制系统设计的完整性。全书从五个方面介绍工业控制网络技术的应用:
(1) 工业控制网络的基础知识以及与网络通信相关的基础知识。
(2) PHILIPS公司CAN总线通信网络的功能、组态与编程方法及应用案例。
(3) SIEMENS 公司PROFIBUS-DP/PA、工业以太网、PROFINET IO、AS-I等总线通信网络的功能、组态与编程方法及应用案例。
(4) SIEMENS公司经典WinCC与博途WinCC的功能、组态和编程方法及应用案例。
(5) SIEMENS公司S7-300系列PLC软冗余模块的工作原理、组态和编程方法及应用案例。
本书共10章,由淮阴工学院自动化学院倪伟教授组织编写与统稿,其中,第1、2章由刘斌编写,第3章由金德飞编写,第4章由王文杰编写,第7章由张粤编写,第5、6、8~10章由倪伟编写。
限于编者的水平,书中疏漏与不妥之处在所难免,敬请专家、同仁、读者批评指正。书中内容的编写参考了有关教材和文献,在此一并表示感谢!
编者
前言
第1章绪论
1.1工业控制系统与网络
1.1.1工业控制网络
1.1.2工业数据通信
1.2工业控制网络的结构与特点
1.2.1工业控制网络的结构
1.2.2工业控制网络的特点
1.3常见工业控制网络
1.3.1现场总线
1.3.2工业以太网
1.3.3工业无线通信
习题
第2章数据通信基础
2.1数据通信系统的基本组成
2.1.1信源与信宿
2.1.2发送与接收设备
2.1.3传输介质
2.1.4通信协议
2.2通信系统的性能指标
2.2.1有效性指标
2.2.2可靠性指标
2.2.3信道的频率特性
2.2.4介质带宽
2.2.5信道容量与信噪比
2.3数据编码
2.3.1数字数据编码
2.3.2模拟数据编码
2.4数据传输方式
2.4.1串行传输与并行传输
2.4.2异步传输与同步传输
2.4.3位同步、字符同步与帧同步
2.5通信系统的传输方式
2.5.1单工通信
2.5.2半双工通信
2.5.3全双工通信
2.5.4全/全双工通信
2.6信号传输模式
2.6.1基带传输
2.6.2载波传输
2.6.3宽带传输
2.6.4异步传输模式
2.7差错控制
2.7.1差错检测
2.7.2差错纠正
2.7.3CRC检错码的工作原理
习题
第3章计算机网络基础
3.1计算机网络
3.2网络拓扑
3.2.1环形拓扑
3.2.2星形拓扑
3.2.3总线拓扑
3.2.4树形拓扑
3.3网络传输介质
3.3.1双绞线
3.3.2同轴电缆
3.3.3光缆
3.3.4无线传输介质
3.4介质访问控制方式
3.4.1载波侦听多路访问/冲突检测
3.4.2介质访问控制的令牌方式
3.4.3时分多路复用
3.5网络互联
3.5.1网络互联的基本概念
3.5.2网络互联规范
3.5.3开放系统互连参考模型
3.6网络互联设备
3.6.1中继器
3.6.2网桥
3.6.3路由器
3.6.4网关
习题
第4章CAN总线
4.1CAN总线基础
4.1.1CAN总线特点
4.1.2通信参考模型
4.1.3CAN帧类型与结构
4.1.4错误类型与错误界定
4.1.5位定时与同步
4.2SJA1000 CAN通信控制器
4.2.1概述
4.2.2寄存器
4.2.3微控制器接口
4.3CAN控制器接口
4.3.1PCA82C250/251特性
4.3.2工作模式
4.3.3应用电路
4.4CAN总线应用案例
4.4.1设计要求
4.4.2网络组态
4.4.3CAN从节点单片机程序
4.4.4CAN主节点单片机程序
习题
第5章PROFIBUS总线
5.1PROFIBUS基础
5.1.1PROFIBUS的组成
5.1.2PROFIBUS协议结构
5.1.3网络组件
5.1.4PROFIBUS网络拓扑规则
5.1.5其他通信服务
5.2PROFIBUS-DP
5.2.1概述
5.2.2集成DP接口的CPU
5.2.3DP通信模块
5.2.4分布式I/O
5.3PROFIBUS-DP通信常用函数
5.3.1集成DP接口数据交互函数
5.3.2CP342-5模块数据交互函数
5.4PROFIBUS-DP应用案例
5.4.1CPU314C-2DP模块DP应用
5.4.2CP342-5模块DP应用
5.4.3CM1243-5模块DP应用
5.4.4CM1242-5模块DP应用
5.5PROFIBUS-PA
5.5.1概述
5.5.2网络组件
5.5.3网络拓扑结构
5.5.4供电电源
5.6PROFIBUS-PA应用案例
5.6.1设计要求
5.6.2网络组态
5.6.3软件组态
习题
第6章工业以太网
6.1工业以太网基础
6.1.1概述
6.1.2工业以太网系统组成
6.2工业以太网协议接口
6.2.1工业以太网层次结构
6.2.2S7通信
6.2.3SEND/RECEIVE协议
6.2.4SNMP
6.2.5PROFINET
6.3以太网通信模块CP343-1
6.3.1概述
6.3.2数据交互
6.3.3指令说明
6.4物品装箱生产线控制案例
6.4.1设计要求
6.4.2网络组态
6.4.3软件组态
习题
第7章PROFINET IO总线
7.1PROFINET基础
7.1.1概述
7.1.2PROFINET接口技术规范
7.1.3PROFINET拓扑结构与组件
7.2PROFINET IO和CBA
7.2.1PROFINET IO
7.2.2PROFINET CBA
7.3通信原理
7.3.1通信等级
7.3.2通信通道模型
7.3.3等时同步实时通信
7.4CP模块与IE/PB LINK PN IO
7.4.1CP343-1模块
7.4.2IE/PB LINK PN IO模块
7.5PROFINET IO应用案例
7.5.1CP343-1模块应用
7.5.2S7-1200 PLC应用
7.6多总线混合编程案例
7.6.1设计要求
7.6.2网络组态
7.6.3指令说明
7.6.4软件组态
习题
第8章AS-I总线
8.1概述
8.1.1AS-I基础
8.1.2AS-I主要技术指标与特点
8.1.3AS-I的应用领域
8.2AS-I系统组成
8.2.1主站
8.2.2从站
8.2.3电缆
8.2.4电源模块
8.2.5数据解耦电路
8.3AS-I通信原理
8.3.1信号传输
8.3.2AS-I报文
8.3.3AS-I通信协议
8.4AS-I主站模块CP343-2P
8.4.1概述
8.4.2CP343-2P模块从站数据访问
8.5网关DP/AS-I LINK Advanced
8.5.1概述
8.5.2DP/AS-I LINK Advanced从站
数据访问
8.6传送带控制案例
8.6.1设计要求
8.6.2DP网络组态
8.6.3软件组态
习题
第9章WinCC组态软件
9.1WinCC概述
9.1.1WinCC版本
9.1.2WinCC性能特点
9.1.3WinCC基本功能
9.1.4通信通道
9.2WinCC编程基础
9.2.1WinCC项目管理器
9.2.2WinCC Configuration Studio
9.2.3图形编辑器
9.2.4TIA WinCC图形编辑器
9.3变量组态
9.3.1变量基本概念
9.3.2通信连接
9.3.3变量组态
9.4消息系统与报警组态
9.4.1消息系统基础
9.4.2报警组态
9.4.3报警控件组态
9.5变量归档与趋势组态
9.5.1变量归档基础
9.5.2归档组态
9.5.3趋势控件组态
9.6用户管理
9.6.1用户管理基本概念
9.6.2用户管理组态
9.6.3用户控件组态
9.7画面组态
9.7.1过程画面组态
9.7.2面板组态
9.8报表组态
9