在數(shù)字化和智能化日漸成為工業(yè)發(fā)展主流的時代背景下，工業(yè)通信網(wǎng)絡技術顯得尤為關鍵。本書旨在為讀者提供一個全面而系統(tǒng)的指南，覆蓋了從基礎理論、關鍵技術到實際應用案例的各個方面。內容囊括了現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、無線通信技術等眾多關鍵領域，目的是幫助讀者深入理解工業(yè)控制網(wǎng)絡的核心技術及其廣泛的應用。
現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、Modbus控制網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡(包括工業(yè)無線以太網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡、5G網(wǎng)絡)以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，這些技術構成了現(xiàn)代工業(yè)自動化和智能制造的核心。它們在提高生產(chǎn)效率、降低成本、增強系統(tǒng)靈活性和實現(xiàn)遠程監(jiān)控等方面發(fā)揮著至關重要的作用。
本書共分為12章，涵蓋了從基礎概念到高級應用的廣泛內容，旨在為讀者提供一個關于工業(yè)控制網(wǎng)絡的全景視角。本書以全面、系統(tǒng)的視角講述了工業(yè)控制網(wǎng)絡的理論基礎、關鍵技術、應用實踐及未來發(fā)展趨勢，旨在為從業(yè)人員、學者和學生提供一本深入淺出的參考書。
第1章緒論： 介紹了工業(yè)控制網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的基本概念和技術。
第2章CAN現(xiàn)場總線： 講述了CAN總線的技術規(guī)范、通信控制器、總線收發(fā)器和節(jié)點設計。
第3章Modbus控制網(wǎng)絡： 講述了Modbus網(wǎng)絡的物理層、鏈路層標準和Modbus TCP。
第4章LonWorks嵌入式智能控制網(wǎng)絡： 講述了LonWorks技術平臺、智能收發(fā)器和處理器以及相關開發(fā)工具。
第5章PROFIBUSDP現(xiàn)場總線： 詳細講述PROFIBUS總線的協(xié)議結構、通信模型、設備類型和通信控制器。
第6章DeviceNet現(xiàn)場總線： 講述了DeviceNet的通信模型、連接方式、報文協(xié)議和節(jié)點開發(fā)。
第7章FF現(xiàn)場總線： 講述了FF現(xiàn)場總線的功能塊參數(shù)、功能庫和串級控制設計中的應用。
第8章PROFINET與工業(yè)無線以太網(wǎng)： 講述了PROFINET的基礎、運行模式、系統(tǒng)結構和工業(yè)無線以太網(wǎng)技術。
第9章EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)： 講述了EtherCAT的物理結構、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層和系統(tǒng)組成。
第10章物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡： 講述了物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡的基本概念、技術和應用。
第11章5G網(wǎng)絡： 對5G網(wǎng)絡進行了概述，講述了5G網(wǎng)絡的關鍵技術和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用。
第12章工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)： 講述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的誕生、特征、核心技術和與智能制造的關系。
通過本書的學習，讀者將能夠全面掌握工業(yè)控制網(wǎng)絡的關鍵技術和應用實踐，為未來在工業(yè)自動化和智能制造領域的研究和工作奠定堅實的基礎。
本書是作者基于近30年的科研實踐和教學經(jīng)驗而精心策劃和編寫的。例如，在討論CAN現(xiàn)場總線時，不僅介紹了其技術規(guī)范和通信控制器，還通過實際案例幫助讀者理解其設計原理和應用方法。在講述EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)時，詳細講述了其物理拓撲結構、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層的設計，以及在KUKA機器人上的應用案例，幫助讀者全面理解這一技術的實用性和高效性。
本書是作者科研實踐和教學的總結，書中實例取自作者近30年的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等工業(yè)控制網(wǎng)絡的科研攻關課題。對本書中所引用的參考文獻的作者，在此一并表示真誠的感謝。
由于編者水平有限，加上時間倉促，書中錯誤和不妥之處在所難免，敬請廣大讀者不吝指正。
編者2024年12月
第1章緒論
1.1工業(yè)控制網(wǎng)絡
1.1.1工業(yè)控制網(wǎng)絡概述
1.1.2現(xiàn)場總線
1.1.3工業(yè)以太網(wǎng)
1.1.4工業(yè)無線網(wǎng)絡
1.1.5工業(yè)控制網(wǎng)絡的應用
1.1.6工業(yè)控制網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢
1.2現(xiàn)場總線概述
1.2.1現(xiàn)場總線的產(chǎn)生
1.2.2現(xiàn)場總線的本質
1.2.3現(xiàn)場總線的特點和優(yōu)點
1.2.4現(xiàn)場總線標準的制定
1.2.5現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀
1.2.6現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的實現(xiàn)
1.3工業(yè)以太網(wǎng)概述
1.3.1工業(yè)以太網(wǎng)技術
1.3.2工業(yè)以太網(wǎng)通信模型
1.3.3工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢
1.3.4實時以太網(wǎng)
1.3.5實時工業(yè)以太網(wǎng)模型分析
1.3.6幾種實時工業(yè)以太網(wǎng)的比較
1.4現(xiàn)場總線簡介
1.4.1FF
1.4.2CAN和CAN FD
1.4.3LonWorks
1.4.4PROFIBUS
1.4.5DeviceNet
1.5工業(yè)以太網(wǎng)簡介
1.5.1EtherCAT
1.5.2Ethernet POWERLINK
1.5.3PROFINET
1.5.4EPA
習題
第2章CAN現(xiàn)場總線
2.1CAN的技術規(guī)范
2.1.1CAN的基本概念
2.1.2CAN的分層結構
2.1.3報文傳送和幀結構
2.1.4位定時與同步的基本概念
2.1.5CAN總線的位數(shù)值表示與通信距離
2.2CAN獨立通信控制器SJA1000
2.2.1SJA1000內部結構
2.2.2SJA1000引腳功能
2.2.3SJA1000的工作模式
2.2.4BasicCAN功能介紹
2.2.5PeliCAN功能介紹
2.2.6BasicCAN和PeliCAN的公用寄存器
2.3CAN總線收發(fā)器
2.3.1PCA82C250/251CAN總線收發(fā)器
2.3.2TJA1051 CAN總線收發(fā)器
2.4CAN總線節(jié)點設計實例
2.4.1CAN總線硬件設計
2.4.2CAN總線軟件設計
習題
第3章Modbus控制網(wǎng)絡
3.1概述
3.1.1Modbus的特點
3.1.2Modbus的通信模型
3.1.3通用Modbus幀
3.1.4Modbus通信原理
3.2Modbus物理層
3.2.1RS232接口標準
3.2.2RS485接口標準
3.3Modbus 串行鏈路層標準
3.3.1Modbus的傳輸模式
3.3.2Modbus的差錯檢驗
3.3.3Modbus的功能碼
3.3.4Modbus的編程方法
3.4Modbus TCP
3.4.1Modbus TCP概述
3.4.2Modbus TCP應用數(shù)據(jù)單元
3.4.3ModbusRTPS
習題
第4章LonWorks嵌入式智能控制網(wǎng)絡
4.1LonWorks概述
4.2LonWorks技術平臺
4.2.1LonWorks網(wǎng)絡
4.2.2實現(xiàn)控制網(wǎng)絡
4.2.3LonWorks技術平臺組件
4.2.4可互操作的自安裝(ISI)
4.2.5網(wǎng)絡工具
4.2.6LonMaker集成工具
4.2.7LonScanner協(xié)議分析器
4.2.8控制網(wǎng)絡協(xié)議
4.36000系列智能收發(fā)器和處理器
4.3.16000系列產(chǎn)品概述
4.3.2FT 6000智能收發(fā)器引腳分配
4.3.36000系列芯片硬件功能
4.3.46000系列的I/O接口
4.4神經(jīng)元現(xiàn)場編譯器
4.4.1神經(jīng)元現(xiàn)場編譯器概述
4.4.2使用神經(jīng)元現(xiàn)場編譯器
4.5FT 6000 EVK評估板和開發(fā)工具包
4.5.1FT 6000 EVK的主要特點
4.5.2用于IzoT控制平臺的開發(fā)套件
4.5.3IzoT NodeBuilder軟件
習題
第5章PROFIBUSDP現(xiàn)場總線
5.1PROFIBUS概述
5.2PROFIBUS的協(xié)議結構
5.2.1PROFIBUSDP的協(xié)議結構
5.2.2PROFIBUSFMS的協(xié)議結構
5.2.3PROFIBUSPA的協(xié)議結構
5.3PROFIBUSDP現(xiàn)場總線系統(tǒng)
5.3.1PROFIBUSDP的三個版本
5.3.2PROFIBUSDP系統(tǒng)組成和總線訪問控制
5.3.3PROFIBUSDP系統(tǒng)工作過程
5.4PROFIBUSDP的通信模型
5.4.1PROFIBUSDP的物理層
5.4.2PROFIBUSDP的數(shù)據(jù)鏈路層
5.4.3PROFIBUSDP的用戶層
5.4.4PROFIBUSDP用戶接口
5.5PROFIBUSDP的總線設備類型和數(shù)據(jù)通信
5.5.1概述
5.5.2DP設備類型
5.5.3DP設備之間的數(shù)據(jù)通信
5.5.4設備描述(GSD)文件
5.6PROFIBUS通信用ASIC
5.6.1SPC3從站通信控制器
5.6.2ASPC2主站通信控制器
5.7PROFIBUSDP從站通信控制器SPC3
5.7.1SPC3功能簡介
5.7.2SPC3引腳說明
5.7.3SPC3存儲器分配
5.7.4PROFIBUSDP接口
5.7.5SPC3輸入/輸出緩沖區(qū)的狀態(tài)
5.7.6通用處理器總線接口
5.7.7SP3的UART接口
5.7.8PROFIBUSDP接口
5.8主站通信控制器ASPC2與網(wǎng)絡接口卡
5.8.1ASPC2介紹
5.8.2CP5611網(wǎng)絡接口卡
5.9PROFIBUSDP從站的設計
5.9.1PROFIBUSDP從站的硬件設計
5.9.2PROFIBUSDP從站的軟件設計
習題
第6章DeviceNet現(xiàn)場總線
6.1DeviceNet概述
6.1.1DeviceNet的特性
6.1.2對象模型
6.1.3DeviceNet網(wǎng)絡及對象模型
6.2DeviceNet通信模型
6.2.1物理層
6.2.2數(shù)據(jù)鏈路層
6.2.3應用層
6.3DeviceNet連接
6.3.1DeviceNet關于CAN標識符的使用
6.3.2建立連接
6.4DeviceNet報文協(xié)議
6.4.1顯式報文
6.4.2輸入/輸出報文
6.4.3分段/重組
6.4.4重復MAC ID檢測協(xié)議
6.5DeviceNet通信對象分類
6.6網(wǎng)絡訪問狀態(tài)機制
6.6.1網(wǎng)絡訪問事件矩陣
6.6.2重復MAC ID檢測
6.6.3預定義主從連接組
6.7指示器和配置開關
6.7.1指示器
6.7.2配置開關
6.7.3指示器和配置開關的物理標準
6.7.4DeviceNet連接器圖標
6.8設備描述
6.8.1對象模型
6.8.2I/O數(shù)據(jù)格式
6.8.3設備配置
6.8.4擴展的設備描述
6.8.5設備描述編碼機制
6.9DeviceNet節(jié)點的開發(fā)
6.9.1DeviceNet節(jié)點的開發(fā)步驟
6.9.2設備描述的規(guī)劃
6.9.3設備配置和電子數(shù)據(jù)文檔
習題
第7章 FF現(xiàn)場總線
7.1FF現(xiàn)場總線概述
7.1.1FF現(xiàn)場總線的主要技術
7.1.2通信系統(tǒng)的組成及其相互關系
7.1.3FF現(xiàn)場總線的通信模型
7.1.4網(wǎng)絡管理
7.1.5系統(tǒng)管理
7.1.6FF現(xiàn)場總線的通信控制器
7.2FF現(xiàn)場總線功能塊參數(shù)
7.2.1FF現(xiàn)場綜述的功能塊及參數(shù)概述
7.2.2控制變量的計算
7.2.3塊模式參數(shù)
7.2.4量程標定參數(shù)
7.3FF現(xiàn)場總線的功能塊庫
7.3.1轉換器塊和資源塊
7.3.2FF現(xiàn)場總線的功能塊
7.4FF現(xiàn)場總線的典型功能塊
7.4.1模擬輸入功能塊（AI）
7.4.2模擬輸出功能塊（AO）
7.4.3開關量輸入功能塊（DI）
7.4.4開關量輸出功能塊（DO）
7.4.5PID控制算法功能塊
7.5功能塊在串級控制設計中的應用
7.5.1爐溫控制系統(tǒng)
7.5.2串級控制功能塊連接
習題
第8章PROFINET與工業(yè)無線以太網(wǎng)
8.1PROFINET概述
8.1.1PROFINET功能與通信
8.1.2PROFINET網(wǎng)絡
8.2PROFINET通信基礎
8.2.1PROFINET現(xiàn)場設備連接
8.2.2設備模型與PROFINET通信服務
8.2.3PROFINET實時通信原理
8.2.4PROFINET實時類別
8.3PROFINET運行模式
8.3.1從系統(tǒng)工程到地址解析
8.3.2PROFINET系統(tǒng)工程
8.4PROFINET端口的MAC地址
8.5PROFINET數(shù)據(jù)交換
8.5.1循環(huán)數(shù)據(jù)交換
8.5.2非循環(huán)數(shù)據(jù)交換的序列
8.5.3多播通信關系
8.6PROFINET診斷
8.7PROFINET IRT通信
8.7.1IRT通信介紹
8.7.2IRT通信的時鐘同步
8.7.3IRT數(shù)據(jù)交換
8.8PROFINET控制器
8.9PROFINET 設備描述與應用行規(guī)
8.9.1PROFINET設備描述
8.9.2PROFINET應用行規(guī)
8.10PROFINET的系統(tǒng)結構
8.11工業(yè)無線以太網(wǎng)
8.11.1工業(yè)無線以太網(wǎng)概述
8.11.2移動通信標準
8.11.3工業(yè)移動通信的特點
8.12SCALANCE X工業(yè)以太網(wǎng)交換機
8.13SIEMENS工業(yè)無線通信
8.13.1SIEMENS工業(yè)無線通信概述
8.13.2工業(yè)無線通信網(wǎng)絡產(chǎn)品SCALANCE W
8.13.3SCALANCE W的特點
習題
第9章EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)
9.1EtherCAT概述
9.2EtherCAT物理拓撲結構
9.3EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層
9.3.1EtherCAT數(shù)據(jù)幀
9.3.2尋址方式
9.3.3通信模式
9.3.4存儲同步管理器SM
9.4EtherCAT應用層
9.4.1通信模型
9.4.2從站
9.4.3主站
9.4.4EtherCAT設備行規(guī)
9.5EtherCAT系統(tǒng)組成
9.5.1EtherCAT網(wǎng)絡架構
9.5.2EtherCAT主站組成
9.5.3EtherCAT從站組成
9.6KUKA機器人應用案例
9.7EtherCAT從站控制器概述
9.7.1EtherCAT從站控制器功能塊
9.7.2EtherCAT協(xié)議
9.7.3幀處理
9.7.4FMMU
9.7.5同步管理器
9.8EtherCAT從站控制器ET1100
9.8.1ET1100概述
9.8.2ET1100引腳介紹
9.8.3ET1100的PDI信號
9.8.4ET1100的物理端口和PDI引腳信號
9.8.5ET1100的MII接口
9.8.6ET1100的異步8/16位微控制器接口
9.9基于ET1100的EtherCAT從站總體結構
9.10微控制器與ET1100 的接口電路設計
9.10.1ET1100與STM32F4的FSMC接口電路設計
9.10.2ET1100應用電路設計
9.11ET1100的配置電路設計
9.12EtherCAT從站以太網(wǎng)物理層PHY器件
9.1310/100BASETX/FX的物理層收發(fā)器KS8721
9.13.1KS8721概述
9.13.2KS8721結構和引腳說明
9.14ET1100與KS8721BL的接口電路
9.15EtherCAT主站軟件的安裝
9.15.1主站TwinCAT的安裝
9.15.2TwinCAT安裝主站網(wǎng)卡驅動
9.16EtherCAT從站的開發(fā)調試
9.16.1燒寫STM32微控制器程序
9.16.2TwinCAT軟件目錄下放置XML文件
9.16.3建立一個工程
習題
第10章物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡
10.1物聯(lián)網(wǎng)
10.1.1物聯(lián)網(wǎng)的定義
10.1.2物聯(lián)網(wǎng)的特點
10.1.3物聯(lián)網(wǎng)的基本架構
10.1.4物聯(lián)網(wǎng)的技術架構
10.1.5物聯(lián)網(wǎng)的應用模式
10.1.6物聯(lián)網(wǎng)的應用
10.1.7工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)
10.2無線傳感器網(wǎng)絡
10.2.1無線傳感器網(wǎng)絡的特點
10.2.2無線傳感器網(wǎng)絡體系結構
10.2.3無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術
10.2.4IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡通信標準
10.2.5無線傳感器網(wǎng)絡的應用
10.3藍牙通信技術
10.3.1藍牙通信技術概述
10.3.2無線多協(xié)議SoC芯片
10.3.3nRF5340芯片及其主要特性
10.3.4nRF5340的開發(fā)工具
10.3.5低功耗藍牙芯片nRF51822及其應用電路
10.4ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡
10.4.1ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡通信標準
10.4.2ZigBee開發(fā)技術
10.4.3CC2530的開發(fā)環(huán)境
10.5W601 WiFi MCU芯片及其應用實例
10.5.1W601/W800/W801/W861概述
10.5.2ALIENTEK W601開發(fā)板
習題
第11章5G網(wǎng)絡
11.15G網(wǎng)絡概述
11.1.15G網(wǎng)絡的發(fā)展歷程
11.1.25G網(wǎng)絡的技術原理
11.1.35G網(wǎng)絡的特點
11.1.45G網(wǎng)絡的應用領域
11.1.55G網(wǎng)絡和邊緣計算
11.1.65G網(wǎng)絡和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)
11.1.75G網(wǎng)絡和自動駕駛
11.1.85G網(wǎng)絡和工業(yè)控制
11.1.95G網(wǎng)絡和智慧工廠
11.25G移動通信核心網(wǎng)關鍵技術
11.2.1概述
11.2.25G網(wǎng)絡整體架構
11.2.35G核心網(wǎng)的關鍵技術
11.35G 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用
11.3.15G 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展狀況
11.3.25G 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型行業(yè)應用
11.45G 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合驅動新一輪工業(yè)數(shù)字化轉型
11.4.1概述
11.4.25G 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關鍵技術
11.4.35G 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術融合方案
11.4.4網(wǎng)絡架構與安全體系
11.4.55G網(wǎng)絡的典型應用場景
11.5基于5G多接入邊緣計算的云化PLC系統(tǒng)架構設計與應用
11.5.1概述
11.5.2基于5G多接入邊緣計算的云化PLC技術
11.5.3基于5G MEC的云化PLC系統(tǒng)架構
11.5.4系統(tǒng)運行機制與關鍵技術
習題
第12章工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)
12.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概述
12.1.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的誕生
12.1.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程
12.1.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念
12.1.4工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體架構
12.1.5工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關系
12.1.6發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的意義
12.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的內涵與特征
12.2.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的內涵
12.2.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的特征
12.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心技術
12.3.1數(shù)據(jù)集成與邊緣處理技術
12.3.2IaaS關鍵技術
12.3.3云計算
12.3.4工業(yè)大數(shù)據(jù)
12.3.5工業(yè)數(shù)據(jù)建模與分析
12.3.6工業(yè)App
12.3.7安全技術
12.4工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能制造
12.5國內外主流工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺
12.5.1國內主流工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺
12.5.2國外主流工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺
習題
參考文獻
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