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隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)自動化水平不斷提高。人們對工業(yè)自動化系統(tǒng)的要求也越來越高，各種各樣、種類繁多的自動控制裝置、遠程或特種場所的監(jiān)控設(shè)備在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了大量應用，使得監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)越來越龐大和復雜。為了讓不同類型的自動控制裝置協(xié)調(diào)工作，管理人員必須對相應的監(jiān)控方式有一個準確的認識。本書重點放在對網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)的基本概念、工作原理以及對串口現(xiàn)場總線工業(yè)以太網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等典型監(jiān)控技術(shù)的介紹上； 注重對學生技術(shù)應用能力及分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)，有利于學生對技術(shù)知識的靈活應用及畢業(yè)后的自學。 本書主要閱讀對象為教學研究/應用型大學及大專(高職高專)院校學生。適用的專業(yè)包括電氣自動化技術(shù)、電力系統(tǒng)自動化技術(shù)、機電一體化技術(shù)、應用電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等。不同的專業(yè)選用本書作為教材使用時，可對本書中的內(nèi)容做適當刪減。建議教學時數(shù)為50學時，其中理論教學35學時，上機實驗、實訓15學時。

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的自動化和智能化水平越來越高。以O(shè)SI模型為基礎(chǔ)，不同的通信方式對應著不同的層次結(jié)構(gòu)和傳輸協(xié)議。通過多年的教學經(jīng)驗總結(jié)，電氣工程相關(guān)專業(yè)在計算機網(wǎng)絡(luò)通信方面存在短板，而初學者若沒有這方面的基礎(chǔ)，在理解串口通信、工業(yè)總線通信、工業(yè)以太網(wǎng)通信等監(jiān)控方式時會比較吃力。本書從數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識入手，結(jié)合工業(yè)控制系統(tǒng)的組織架構(gòu)，由淺入深地介紹工業(yè)監(jiān)控中常用的幾種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這種方式使初學者非常容易理解和接受，不再是一知半解。本書以教學研究/應用型大學及大專（高職高專）院校學生為主要閱讀對象。適用的專業(yè)包括：電氣自動化技術(shù)、電力系統(tǒng)自動化技術(shù)、機電一體化技術(shù)、應用電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等，也可供從事工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品研發(fā)的工程技術(shù)人員參考。

前言 隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，利用工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工業(yè)控制的自動化，成為當今控制領(lǐng)域的熱點之一，對該領(lǐng)域產(chǎn)生了前所未有的沖擊和影響。目前，監(jiān)控系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)主要有串行通信(如RS232C、RS422以及RS485)、現(xiàn)場總線以及工業(yè)以太網(wǎng)。本書著重介紹了這幾種通信方式，希望能幫助讀者對網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控技術(shù)有一定的認識。全書共分為7章。第1章主要對數(shù)據(jù)通信中涉及的性能指標、編碼方式、傳輸方式、傳輸介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、訪問控制、差錯校驗、參考模型等進行概述。第2章介紹了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展概況和基礎(chǔ)技術(shù)，包括分布式控制器系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、輸入輸出接口、抗干擾技術(shù)等。第3章重點圍繞同步和異步串行通信方式展開了詳細的講解。第4章介紹了現(xiàn)場總線中的CAN總線的通信方式、協(xié)議規(guī)范和硬件產(chǎn)品。第5章分層介紹了工業(yè)以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)模型及相關(guān)技術(shù)，包括VLAN技術(shù)、冗余技術(shù)和時間同步技術(shù)，并重點講解了Modbus這一應用層協(xié)議規(guī)范。第6章分別介紹了CAN與RS232、以太網(wǎng)與異步串口、CAN與以太網(wǎng)三組異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。第7章從船舶監(jiān)控系統(tǒng)的角度，介紹了相關(guān)的硬件及軟件。本書第1、6章由王黎明編寫，第2、3章由閆曉玲編寫，第4、5章由黃磊明編寫，第7章由黃海編寫。全書由王黎明統(tǒng)稿。在編寫過程中，參考了大量的中英文資料，包括協(xié)議、手冊等。本書作者都屬于海軍工程大學智能工程系的一個課題組，書中內(nèi)容是課題組多年在網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控技術(shù)的開發(fā)、應用方面工作的積累和總結(jié)。除本書作者外，同一教研室的王新枝、左文等也對本書的編寫工作做出了許多貢獻，在此深表謝意。由于編者水平有限、時間倉促，計算機控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展也很迅速，不斷推陳出新，網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控技術(shù)不斷更新，因此書中難免存在疏漏和不足，懇請讀者批評指正。作者2016年12月

目錄

第1章網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)

1.1網(wǎng)絡(luò)通信的基本概念

1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的性能指標

1.2.1信息及其度量

1.2.2數(shù)據(jù)傳輸速率

1.2.3信道容量

1.2.4誤碼率

1.3數(shù)據(jù)編碼

1.3.1模擬數(shù)據(jù)編碼

1.3.2數(shù)字數(shù)據(jù)編碼

1.4數(shù)據(jù)傳輸方式

1.4.1并行通信與串行通信

1.4.2單工、半雙工和全雙工通信

1.4.3同步傳輸和異步傳輸

1.4.4多路復用技術(shù)

1.4.5基帶傳輸和頻帶傳輸

1.5數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)

1.5.1雙絞線

1.5.2同軸電纜

1.5.3光纜

1.5.4無線與衛(wèi)星通信信道

1.6局域網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

1.6.1星狀結(jié)構(gòu)

1.6.2環(huán)狀結(jié)構(gòu)

1.6.3總線型結(jié)構(gòu)

1.6.4樹狀結(jié)構(gòu)

1.7媒體訪問控制技術(shù)

1.7.1載波偵聽多路訪問/沖突檢測

1.7.2令牌環(huán)訪問控制

1.7.3令牌總線訪問控制法

1.7.4時槽環(huán)

1.8數(shù)據(jù)交換技術(shù)

1.8.1線路交換

1.8.2報文交換

1.8.3分組交換

1.9差錯控制技術(shù)

1.9.1海明碼

1.9.2奇偶校驗碼

1.9.3循環(huán)冗余碼

1.10網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)

1.10.1網(wǎng)絡(luò)互連基本概念

1.10.2網(wǎng)絡(luò)互連和操作系統(tǒng)

1.10.3網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備

1.11網(wǎng)絡(luò)參考模型

1.11.1ISO/OSI/RM參考模型

1.11.2TCP/IP參考模型

1.11.3幾種常用現(xiàn)場總線的通信模型

思考題

第2章工業(yè)控制技術(shù)

2.1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

2.1.1概述

2.1.2分布式控制系統(tǒng)

2.1.3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

2.1.4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2計算機控制技術(shù)

2.2.1概述

2.2.2工業(yè)控制機

2.2.3輸入輸出接口與過程通道

2.2.4常見抗干擾技術(shù)

2.2.5測量數(shù)據(jù)預處理技術(shù)

思考題

第3章串行通信

3.1串行通信的分類

3.1.1同步串行通信

3.1.2異步串行通信

3.2串行通信的基本傳送方式

3.2.1全雙工方式

3.2.2半雙工方式

3.3同步串行通信方式

3.3.1同步串行通信協(xié)議

3.3.2同步通信的相關(guān)技術(shù)

3.3.3異步通信和同步通信的比較

3.4異步通信幀信息格式

3.4.1異步通信的特點及信息幀格式

3.4.2異步串行通信波特率

3.4.3發(fā)送／接收時鐘

3.4.4波特率因子

3.4.5傳輸距離

3.4.6奇偶校驗

3.4.7起始／停止位

3.5異步通信接收發(fā)送

3.5.1異步通信的接收過程

3.5.2異步通信的發(fā)送過程

3.6常用串行數(shù)據(jù)接口標準

3.6.1RS232串行接口標準

3.6.2RS422與RS485串行接口標準

3.7提高RS485總線可靠性

3.7.1RS485接口電路的硬件設(shè)計

3.7.2RS485網(wǎng)絡(luò)配置

3.7.3提高RS485通信效率

3.7.4RS485接口電路的電源

3.7.5光電隔離

3.7.6常見故障及處理方法

思考題

第4章現(xiàn)場總線通信

4.1控制系統(tǒng)

4.2現(xiàn)場總線技術(shù)

4.2.1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

4.2.2現(xiàn)場總線的特點

4.2.3現(xiàn)場總線的本質(zhì)

4.2.4現(xiàn)場總線的作用

4.3CAN總線概念

4.3.1CAN總線簡介

4.3.2CAN節(jié)點的層結(jié)構(gòu)

4.3.3CAN總線的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

4.3.4CAN的標準接口

4.4CAN總線通信

4.4.1相關(guān)概念

4.4.2通信方式

4.4.3報文傳輸

4.4.4幀類型

4.4.5錯誤處理

4.4.6位定時要求

4.5現(xiàn)場總線協(xié)議規(guī)范

4.5.1CAN2.0B協(xié)議

4.5.2自定通信協(xié)議

4.5.3HiLon協(xié)議

4.5.4ICAN協(xié)議

4.5.5CANOpen協(xié)議

4.5.6DeviceNet協(xié)議

4.5.7標準硬件協(xié)議

4.6CAN總線硬件產(chǎn)品

4.6.1SJA1000控制器

4.6.2TJA1050收發(fā)器

4.6.3CTM1050T收發(fā)器

思考題

第5章工業(yè)以太網(wǎng)

5.1以太網(wǎng)概述

5.1.1IEEE 802標準

5.1.2以太網(wǎng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層

5.1.3以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層

5.1.4以太網(wǎng)傳輸層

5.1.5以太網(wǎng)應用層

5.2Modbus通信協(xié)議

5.2.1范圍

5.2.2協(xié)議描述

5.2.3數(shù)據(jù)編碼

5.2.4響應機制

5.2.5功能碼

5.3串行鏈路上的Modbus

5.3.1Modbus數(shù)據(jù)鏈路層

5.3.2兩種串行傳輸模式

5.3.3Modbus物理層

5.4TCP/IP上的Modbus

5.4.1協(xié)議描述

5.4.2Modbus組件結(jié)構(gòu)模型

5.4.3TCP/IP棧的使用

5.4.4通信應用層

5.5工業(yè)以太網(wǎng)相關(guān)技術(shù)

5.5.1工業(yè)以太網(wǎng)交換機

5.5.2虛擬局域網(wǎng)技術(shù)

5.5.3工業(yè)以太網(wǎng)冗余技術(shù)

5.5.4工業(yè)以太網(wǎng)時間同步技術(shù)

思考題

第6章異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信

6.1CAN與RS232異步通信協(xié)議轉(zhuǎn)換

6.1.1性能指標及工作原理

6.1.2硬件描述

6.1.3配置說明

6.1.4透明轉(zhuǎn)換

6.1.5透明帶標識轉(zhuǎn)換

6.1.6Modbus轉(zhuǎn)換

6.1.7應用注意

6.1.8轉(zhuǎn)化器測試

6.2以太網(wǎng)與異步串口協(xié)議轉(zhuǎn)換

6.2.1通信拓撲的種類

6.2.2常規(guī)應用詳解

6.2.3工程應用示例

6.2.4模塊介紹

6.2.5ZNE模塊接口電路設(shè)計

6.3CAN與以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換

6.3.1概述

6.3.2產(chǎn)品硬件接口說明

6.3.3快速使用說明

6.3.4工作模式

6.3.5ZNetCom軟件配置

6.3.6冗余功能介紹

6.3.7CANET數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式

思考題

第7章船舶網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)

7.1船舶網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的硬件體系

7.1.1船舶監(jiān)控系統(tǒng)硬件體系

7.1.2船舶監(jiān)控系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及設(shè)備

7.1.3船舶監(jiān)控系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及設(shè)備

7.2船舶網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的軟件體系

7.2.1軟件總體架構(gòu)與標準

7.2.2人機接口技術(shù)

7.2.3數(shù)據(jù)交換技術(shù)

7.2.4監(jiān)控組態(tài)軟件

7.2.5實時數(shù)據(jù)庫

參考文獻

目錄

第1章網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)

1.1網(wǎng)絡(luò)通信的基本概念

1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的性能指標

1.2.1信息及其度量

1.2.2數(shù)據(jù)傳輸速率

1.2.3信道容量

1.2.4誤碼率

1.3數(shù)據(jù)編碼

1.3.1模擬數(shù)據(jù)編碼

1.3.2數(shù)字數(shù)據(jù)編碼

1.4數(shù)據(jù)傳輸方式

1.4.1并行通信與串行通信

1.4.2單工、半雙工和全雙工通信

1.4.3同步傳輸和異步傳輸

1.4.4多路復用技術(shù)

1.4.5基帶傳輸和頻帶傳輸

1.5數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)

1.5.1雙絞線

1.5.2同軸電纜

1.5.3光纜

1.5.4無線與衛(wèi)星通信信道

1.6局域網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

1.6.1星狀結(jié)構(gòu)

1.6.2環(huán)狀結(jié)構(gòu)

1.6.3總線型結(jié)構(gòu)

1.6.4樹狀結(jié)構(gòu)

1.7媒體訪問控制技術(shù)

1.7.1載波偵聽多路訪問/沖突檢測

1.7.2令牌環(huán)訪問控制

1.7.3令牌總線訪問控制法

1.7.4時槽環(huán)

1.8數(shù)據(jù)交換技術(shù)

1.8.1線路交換

1.8.2報文交換

1.8.3分組交換

1.9差錯控制技術(shù)

1.9.1海明碼

1.9.2奇偶校驗碼

1.9.3循環(huán)冗余碼

1.10網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)

1.10.1網(wǎng)絡(luò)互連基本概念

1.10.2網(wǎng)絡(luò)互連和操作系統(tǒng)

1.10.3網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備

1.11網(wǎng)絡(luò)參考模型

1.11.1ISO/OSI/RM參考模型

1.11.2TCP/IP參考模型

1.11.3幾種常用現(xiàn)場總線的通信模型

思考題

第2章工業(yè)控制技術(shù)

2.1工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

2.1.1概述

2.1.2分布式控制系統(tǒng)

2.1.3現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

2.1.4工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2計算機控制技術(shù)

2.2.1概述

2.2.2工業(yè)控制機

2.2.3輸入輸出接口與過程通道

2.2.4常見抗干擾技術(shù)

2.2.5測量數(shù)據(jù)預處理技術(shù)

思考題

第3章串行通信

3.1串行通信的分類

3.1.1同步串行通信

3.1.2異步串行通信

3.2串行通信的基本傳送方式

3.2.1全雙工方式

3.2.2半雙工方式

3.3同步串行通信方式

3.3.1同步串行通信協(xié)議

3.3.2同步通信的相關(guān)技術(shù)

3.3.3異步通信和同步通信的比較

3.4異步通信幀信息格式

3.4.1異步通信的特點及信息幀格式

3.4.2異步串行通信波特率

3.4.3發(fā)送／接收時鐘

3.4.4波特率因子

3.4.5傳輸距離

3.4.6奇偶校驗

3.4.7起始／停止位

3.5異步通信接收發(fā)送

3.5.1異步通信的接收過程

3.5.2異步通信的發(fā)送過程

3.6常用串行數(shù)據(jù)接口標準

3.6.1RS232串行接口標準

3.6.2RS422與RS485串行接口標準

3.7提高RS485總線可靠性

3.7.1RS485接口電路的硬件設(shè)計

3.7.2RS485網(wǎng)絡(luò)配置

3.7.3提高RS485通信效率

3.7.4RS485接口電路的電源

3.7.5光電隔離

3.7.6常見故障及處理方法

思考題

第4章現(xiàn)場總線通信

4.1控制系統(tǒng)

4.2現(xiàn)場總線技術(shù)

4.2.1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

4.2.2現(xiàn)場總線的特點

4.2.3現(xiàn)場總線的本質(zhì)

4.2.4現(xiàn)場總線的作用

4.3CAN總線概念

4.3.1CAN總線簡介

4.3.2CAN節(jié)點的層結(jié)構(gòu)

4.3.3CAN總線的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

4.3.4CAN的標準接口

4.4CAN總線通信

4.4.1相關(guān)概念

4.4.2通信方式

4.4.3報文傳輸

4.4.4幀類型

4.4.5錯誤處理

4.4.6位定時要求

4.5現(xiàn)場總線協(xié)議規(guī)范

4.5.1CAN2.0B協(xié)議

4.5.2自定通信協(xié)議

4.5.3HiLon協(xié)議

4.5.4ICAN協(xié)議

4.5.5CANOpen協(xié)議

4.5.6DeviceNet協(xié)議

4.5.7標準硬件協(xié)議

4.6CAN總線硬件產(chǎn)品

4.6.1SJA1000控制器

4.6.2TJA1050收發(fā)器

4.6.3CTM1050T收發(fā)器

思考題

第5章工業(yè)以太網(wǎng)

5.1以太網(wǎng)概述

5.1.1IEEE 802標準

5.1.2以太網(wǎng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層

5.1.3以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層

5.1.4以太網(wǎng)傳輸層

5.1.5以太網(wǎng)應用層

5.2Modbus通信協(xié)議

5.2.1范圍

5.2.2協(xié)議描述

5.2.3數(shù)據(jù)編碼

5.2.4響應機制

5.2.5功能碼

5.3串行鏈路上的Modbus

5.3.1Modbus數(shù)據(jù)鏈路層

5.3.2兩種串行傳輸模式

5.3.3Modbus物理層

5.4TCP/IP上的Modbus

5.4.1協(xié)議描述

5.4.2Modbus組件結(jié)構(gòu)模型

5.4.3TCP/IP棧的使用

5.4.4通信應用層

5.5工業(yè)以太網(wǎng)相關(guān)技術(shù)

5.5.1工業(yè)以太網(wǎng)交換機

5.5.2虛擬局域網(wǎng)技術(shù)

5.5.3工業(yè)以太網(wǎng)冗余技術(shù)

5.5.4工業(yè)以太網(wǎng)時間同步技術(shù)

思考題

第6章異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信

6.1CAN與RS232異步通信協(xié)議轉(zhuǎn)換

6.1.1性能指標及工作原理

6.1.2硬件描述

6.1.3配置說明

6.1.4透明轉(zhuǎn)換

6.1.5透明帶標識轉(zhuǎn)換

6.1.6Modbus轉(zhuǎn)換

6.1.7應用注意

6.1.8轉(zhuǎn)化器測試

6.2以太網(wǎng)與異步串口協(xié)議轉(zhuǎn)換

6.2.1通信拓撲的種類

6.2.2常規(guī)應用詳解

6.2.3工程應用示例

6.2.4模塊介紹

6.2.5ZNE模塊接口電路設(shè)計

6.3CAN與以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換

6.3.1概述

6.3.2產(chǎn)品硬件接口說明

6.3.3快速使用說明

6.3.4工作模式

6.3.5ZNetCom軟件配置

6.3.6冗余功能介紹

6.3.7CANET數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式

思考題

第7章船舶網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)

7.1船舶網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的硬件體系

7.1.1船舶監(jiān)控系統(tǒng)硬件體系

7.1.2船舶監(jiān)控系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及設(shè)備

7.1.3船舶監(jiān)控系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及設(shè)備

7.2船舶網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的軟件體系

7.2.1軟件總體架構(gòu)與標準

7.2.2人機接口技術(shù)

7.2.3數(shù)據(jù)交換技術(shù)

7.2.4監(jiān)控組態(tài)軟件

7.2.5實時數(shù)據(jù)庫

參考文獻