前　言
第 1 章　现场总线绪论1
1.1　现场总线概述 .1
1.1.1　现场总线产生背景 1
1.1.2　现场总线发展现状 1
1.1.3　现场总线未来趋势 2
1.2　现场总线简介 .3
1.2.1　现场总线的概念 3
1.2.2　现场总线的通信协议 4
1.2.3　现场总线的结构 5
1.2.4　现场总线的技术特征 5
1.3　典型现场总线 .6
1.4　现场总线控制系统 9
1.4.1　现场总线控制系统的定义 9
1.4.2　现场总线控制系统的结构 10
1.4.3　现场总线控制系统的特点.11
1.5　现场总线控制系统的分类 12
1.5.1　具有 2 层结构的现场总线
　　　控制系统.12
1.5.2　具有 3 层结构的现场总线
　　　控制系统.13
1.5.3 DCS 扩充而成的现场总线
　　　控制系统.13
思考题 14
第 2 章　现场总线通信技术基础 15
2.1　数据通信系统 .15
2.2　数据通信模型 .16
2.2.1 OSI 参考模型16
2.2.2 OSI 参考模型的各层功能. 16
2.3　通信数据编码 .18
2.3.1　数字编码波形 18
2.3.2　模拟编码波形 19
2.4　总线拓扑结构 .20
2.4.1　总线型拓扑结构 20
2.4.2　树形拓扑结构 21
2.4.3　星形拓扑结构 21
2.4.4　环形拓扑结构 21
2.5　访问控制方式 .22
2.5.1　主从方式.22
2.5.2　冲突检测和逐位仲裁方式 22
2.5.3　令牌环方式.24
2.5.4　令牌总线方式 24
2.6　数据传输方式分类 25
2.6.1　按数据传输顺序分类 25
2.6.2　按字符同步方式分类 26
2.6.3　按数据流向和时间关系分类 27
2.6.4　按传输信号频带分类 27
2.7　数据传输介质 .28
2.7.1　有线传输介质 28
2.7.2　无线传输介质 30
2.8　传输差错控制 .31
2.8.1　传输差错检测 31
目　　录　 V
2.8.2　传输差错校正 33
2.9　通信系统性能指标 35
2.9.1　有效性指标.35
2.9.2　可靠性指标.36
2.9.3　通信信道的频率特性 37
2.9.4　信号带宽与介质带宽 37
2.9.5　信噪比对信道容量的影响 38
思考题 39
第 3 章　FF 总线技术与应用 40
3.1 FF 总线概述40
3.2 FF 总线通信协议40
3.2.1 FF 总线参考模型. 40
3.2.2 FF 总线通信数据. 42
3.3 FF 总线的主要形式. 43
3.3.1 FF-H1 总线 .43
3.3.2 FF-H2 总线 .44
3.3.3 HSE 总线.45
3.4 FF-H1 总线通信模型. 45
3.4.1 OSI 通信模型45
3.4.2 VCR 虚拟通信关系. 45
3.5 FF-H1 总线物理层. 47
3.5.1 31.25kbit/s 现场总线. 47
3.5.2 31.25kbit/s 现场总线信号. 47
3.5.3 31.25kbit/s 现场总线布线. 48
3.5.4　本质安全现场总线布线 49
3.6 FF-H1 总线数据链路层. 49
3.6.1　通信设备类型 49
3.6.2　受调度通信.50
3.6.3　非调度通信.50
3.6.4　链路活动调度 51
3.6.5　数据链路维护 51
3.6.6　数据链路协议数据单元 . 52
3.6.7　数据传输方式 52
3.7 FF-H1 总线应用层. 54
3.7.1　现场总线访问子层 54
3.7.2　现场总线报文规范 59
3.8 FF 总线应用设计63
3.8.1 FF 总线应用需求. 63
3.8.2 FF 总线的设计和组态. 65
3.8.3 FF 总线的安装和测试. 66
3.8.4 FF 总线的设备调试. 66
3.8.5 FF 总线使用问题分析. 67
3.9 FF 总线在石化领域的应用. 67
3.9.1 FF 总线乙烯工程项目. 67
3.9.2 FF 总线项目的优点. 70
思考题 70
第 4 章　PROFIBUS 总线技术与应用. 71
4.1 PROFIBUS 总线概述 71
4.1.1 PROFIBUS 总线背景 71
4.1.2 PROFIBUS 总线分类 72
4.2 PROFIBUS 总线通信模型 72
4.2.1 PROFIBUS 总线结构 72
4.2.2 PROFIBUS 协议结构 73
4.3 PROFIBUS 总线物理层 76
4.4 PROFIBUS 总线数据链路层 76
4.4.1 PROFIBUS 总线存取协议 76
4.4.2 PROFIBUS 总线存取协议特点 77
4.4.3 PROFIBUS 传输服务和报文格式 78
4.5 PROFIBUS-DP 总线 79
4.5.1 PROFIBUS-DP 的基本功能 79
VI 现场总线技术与工业控制网络系统
4.5.2 PROFIBUS-DP 的扩展功能 82
4.5.3 PROFIBUS-DP 的系统结构 84
4.6 PROFIBUS-PA 总线 85
4.6.1 PROFIBUS-PA 的基本功能 85
4.6.2 PROFIBUS-PA 的设备行规 85
4.6.3 PROFIBUS-PA 总线的特性 85
4.7 PROFIBUS-FMS 总线. 86
4.7.1 PROFIBUS-FMS 的基本功能. 86
4.7.2 PROFIBUS-FMS 应用层. 86
4.7.3 PROFIBUS-FMS 通信模型. 86
4.7.4　通信对象和通信字典 87
4.7.5 PROFIBUS-FMS 服务. 87
4.7.6 PROFIBUS-FMS 与 PROFIBUS-DP 的
　　　连接.87
4.8 PROFIBUS 行规和 GSD 文件 87
4.8.1　通用应用行规 87
4.8.2　专用应用行规 90
4.8.3 GSD 文件91
4.9 PROFIBUS 配置及设备选型 92
4.9.1 PROFIBUS 系统的规划 92
4.9.2 PROFIBUS 系统的组成 92
4.9.3 PROFIBUS 系统的配置 93
4.9.4　全厂自动化系统的集成 94
4.9.5 PROFIBUS 系统的设备选型 94
4.9.6 PROFIBUS 系统软件 97
4.9.7 PROFIBUS 应考虑的问题 98
4.10 PROFIBUS 总线在监控系统应用 98
4.10.1　系统结构.99
4.10.2　系统特点.102
思考题 102
第 5 章　CAN 总线技术与应用. 103
5.1 CAN 总线概述103
5.2 CAN 总线通信模型. 104
5.2.1 CAN 协议结构. 104
5.2.2　报文传送与帧结构 105
5.2.3　错误类型与界定 109
5.2.4　位定时与同步要求.111
5.2.5　电气连接与通信距离.112
5.3　典型 CAN 控制器.113
5.3.1 SJA1000 特点 .113
5.3.2 SJA1000 引脚 .114
5.3.3 SJA1000 结构 .115
5.4　典型 CAN 收发器.116
5.4.1 PCA82C 收发器116
5.4.2 TJA1050 收发器 .118
5.4.3 CAN 总线通信节点. 120
5.5　嵌入 CAN 控制器 P8xC591 122
5.5.1 P8xC591 特点 122
5.5.2 P8xC591 引脚 123
5.5.3 P8xC591 结构 125
5.5.4 P8xC591 扩展 126
5.6 CAN 总线系统选型. 128
5.6.1　通信距离与节点数量 128
5.6.2　网络结构及总线终端 130
5.7 CAN 总线在测控系统应用. 133
5.7.1　基于 MCU 的 CAN 总线应用. 133
5.7.2　基于 USB 的 CAN 总线应用 136
思考题 141
第 6 章　DeviceNet 总线技术与应用. 142
6.1 DeviceNet 总线概述 142
目　　录　 VII
6.2 DeviceNet 通信模型 143
6.2.1 DeviceNet 总线网络结构 143
6.2.2 DeviceNet 网络参考模型 145
6.3　控制与信息协议（CIP）. 147
6.3.1 CIP 简介147
6.3.2 CIP 主要特点. 148
6.3.3 CIP 对象151
6.3.4 CIP 对象库152
6.3.5 CIP 设备描述. 153
6.4 DeviceNet 报文协议 154
6.4.1 DeviceNet 报文分组 154
6.4.2 DeviceNet 报文协议 157
6.5 DeviceNet 对象模型 160
6.6 DeviceNet 设备描述 162
6.7 DeviceNet 设备选型 162
6.8 DeviceNet 设备设计 163
6.9 DeviceNet 总线在控制系统应用 165
思考题 166
第 7 章　ControlNet 总线技术与应用 167
7.1 ControlNet 总线概述 . 167
7.2 ControlNet 通信模型 . 168
7.2.1 ControlNet 总线拓扑结构. 168
7.2.2 ControlNet 参考模型. 169
7.3 ControlNet 物理层 . 170
7.3.1 ControlNet 物理层协议. 170
7.3.2 ControlNet 传输介质. 170
7.4 ControlNet 数据链路层 . 172
7.4.1　数据链路层协议简介 172
7.4.2　媒体访问控制（MAC）子层协议 173
7.4.3　逻辑链路控制（LLC）子层协议 174
7.5 ControlNet 网络层与传输层 . 175
7.6 ControlNet 对象模型 . 176
7.7 ControlNet 设备描述 . 177
7.8 ControlNet 设备选型 . 177
7.9 ControlNet 设备开发 . 178
7.10 ControlNet 总线在电解系统应用 . 179
思考题 181
第 8 章　Modbus 总线技术与应用 182
8.1 Modbus 总线概述 182
8.2 Modbus 通信模型 182
8.2.1 Modbus 拓扑结构 182
8.2.2　网络参考模型 183
8.2.3　查询回应周期 184
8.3 Modbus 传输方式 185
8.3.1　数据帧格式.185
8.3.2　数据通信模式（ASCII/RTU/TCP） . 190
8.4 Modbus 通信信息 192
8.4.1　设备地址域.192
8.4.2　功能代码域.192
8.4.3　通信数据域.193
8.4.4　错误检测域.193
8.4.5　字符连续传输 193
8.5　错误检测方法 .194
8.5.1　奇偶校验.194
8.5.2 LRC 检测 195
8.5.3 CRC 检测195
8.6 Modbus 总线在智能系统应用 195
8.6.1　基于 RTU 的智能设备应用 195
8.6.2　基于 TCP/IP 的集成应用 197
思考题 199
VIII 现场总线技术与工业控制网络系统
第 9 章　工业以太网技术与应用 200
9.1　工业以太网简介 200
9.1.1　工业以太网概述 200
9.1.2　工业以太网关键技术 201
9.1.3　通信非确定性缓解措施 202
9.2　以太网通信模型 203
9.2.1　网络参考模型 203
9.2.2　以太网物理层 203
9.2.3 TCP/IP/UDP 协议组 204
9.2.4 SNMP 209
9.2.5　以太网通信信息 210
9.3　实时以太网 .212
9.3.1　实时以太网通信参考模型 212
9.3.2　实时以太网媒体访问控制 214
9.3.3　精确时间同步协议（PTP） 215
9.4 PROFINET 总线 216
9.4.1 PROFINET 拓扑结构 216
9.4.2　网络参考模型 217
9.4.3 I/O 设备模型与数据交换 217
9.4.4 CBA 组件模型与数据交换. 222
9.4.5 PROFINET 通信的实时性 224
9.4.6 PROFINET 总线数据集成 225
9.4.7 PROFINET 与其他总线集成 227
9.5 EtherNet/IP 总线 228
9.5.1 EtherNet/IP 网络参考模型 228
9.5.2 EtherNet/IP 物理层 229
9.5.3 CIP 的对象与标识. 229
9.5.4 EtherNet/IP 报文种类 230
9.5.5 EtherNet/IP 技术特点 231
9.6 HSE 总线.231
9.6.1 HSE 拓扑结构 231
9.6.2 HSE 网络参考模型 231
9.6.3 HSE 柔性功能块 232
9.6.4 HSE 链接设备 233
9.6.5 HSE 总线特征 234
9.7　工业以太网在实时系统应用 234
9.7.1　嵌入式以太网智能节点 234
9.7.2　基于 Web 的远程监控系统. 235
思考题 237
第 10 章　现场总线控制系统集成技术. 238
10.1　现场总线控制系统结构 238
10.1.1　控制网络与数据网络融合 238
10.1.2　基于 FCS 的企业信息系统. 239
10.2　现场总线控制集成技术 239
10.2.1　网络互联技术 239
10.2.2 DDE 技术240
10.2.3 ODBC 技术 241
10.2.4 OPC 技术 241
10.2.5 OPC UA 技术. 244
10.3　现场总线控制系统的组态技术 246
10.4　现场总线控制系统的冗余设计 246
10.4.1　基于 DeviceNet 的电动机
控制系统.247
10.4.2　基于 ControlNet 的环境监控
系统.250
10.5　现场总线控制系统集成应用 252
10.5.1　基于 EtherNet/IP 的智能
监控系统.252
10.5.2　基于 OPC UA 的智能制造系统 253
思考题 255
参考文献25