現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與應(yīng)用

前言

控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和芯片技術(shù)的高速發(fā)展，導(dǎo)致了測(cè)量與控制領(lǐng)域的深刻變革，產(chǎn)生了現(xiàn)場(chǎng)總線這一新技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是運(yùn)行在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的智能檢測(cè)設(shè)備和控制設(shè)備之間、測(cè)控設(shè)備與控制室之間的雙向、多點(diǎn)、全數(shù)字串行通信系統(tǒng)，被認(rèn)為是測(cè)量與控制領(lǐng)域的開放系統(tǒng)互連通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，對(duì)測(cè)控設(shè)備及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生了巨大革新，從根本上改變了傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，并給測(cè)控設(shè)備和系統(tǒng)的最終用戶帶來更大的實(shí)惠和方便。因此，自其出現(xiàn)之日起，就受到廣泛關(guān)注，并迅速成為世界范圍內(nèi)測(cè)控技術(shù)研究的熱點(diǎn)。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展還處于初級(jí)階段，完善和單一的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)短時(shí)期內(nèi)還不會(huì)出現(xiàn)。盡管如此，由于其在經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性及高效率等方面的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)全面進(jìn)入測(cè)量與控制領(lǐng)域?qū)⑹谴髣?shì)所趨，幾乎所有發(fā)達(dá)國(guó)家的大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和著名公司都在進(jìn)行相關(guān)的研究?，F(xiàn)場(chǎng)總線是多種技術(shù)的綜合，龐大而復(fù)雜。現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線多種多樣，總數(shù)超過40種，其中25種已經(jīng)成為現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這種技術(shù)上的多樣性和種類的不統(tǒng)一，給人們學(xué)習(xí)和掌握這一新技術(shù)帶來很大困難。本書作者從事集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的教學(xué)和研究工作長(zhǎng)達(dá)15年，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有了一定程度的理解，期望通過編寫本書，由淺入深，系統(tǒng)、全面地介紹現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生背景、理論與應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)，反映現(xiàn)場(chǎng)總線的最新發(fā)展?fàn)顩r，為推動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用發(fā)揮作用。全書共分9章，每章配有習(xí)題。第1章介紹現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生和發(fā)展趨勢(shì)；第2章介紹數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)與通信接口標(biāo)準(zhǔn)；第3章介紹一些網(wǎng)絡(luò)基本概念和術(shù)語，分析構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線的要素和現(xiàn)場(chǎng)總線的一般體系結(jié)構(gòu)；第4章深人揭示了導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)多樣化的媒體訪問控制技術(shù)；第5、6、7、8章，將現(xiàn)有20多種總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)劃分為I／O位傳輸現(xiàn)場(chǎng)總線、設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線、狹義現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)4個(gè)大類，從總線的技術(shù)特點(diǎn)、規(guī)范、總線接口電路設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用等方面，較全面地闡述這4類總線的典型代表CAN、Profibus、FF-H1和FF-HSE，同時(shí)給出其他總線標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要點(diǎn)以及它們之間的差別；第9章則介紹現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法、集成技術(shù)，并分析現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的相互關(guān)系。本書帶星號(hào)(*)的章節(jié)可根據(jù)教學(xué)需要靈活選用。從本書的章節(jié)結(jié)構(gòu)組成可以看出，作者力圖將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)這一龐大的主題細(xì)化，使之更易于理解，講述的重點(diǎn)是基本原理以及與該技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)有關(guān)的重要問題，同時(shí)也探討了一些該領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)。本書的編寫得到了科學(xué)出版社和我的同事們的大力支持。周美嬌參加了本書第2、4兩章的編寫；左小五、艾春麗參加了第5章的編寫；張俊華參加了第6章部分內(nèi)容和應(yīng)用實(shí)例的編寫工作；于蓮芝副教授參加了第7章的編寫。唐瑩、顧嫣、顧睿菲、米萍、龔勇、郭苗苗等做了書稿的文字校對(duì)工作。

內(nèi)容概要

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是測(cè)量與控制領(lǐng)域的新技術(shù)。本書系統(tǒng)地介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生背景、理論與技術(shù)基礎(chǔ)，深入揭示了導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)多樣化的媒體訪問控制技術(shù)，并將現(xiàn)有20多種總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)劃分為I/O位傳輸現(xiàn)場(chǎng)總線、設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線、狹義現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)4個(gè)大類，從總線的技術(shù)特點(diǎn)、規(guī)范、總線接口電路設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用等方面，較全面地闡述了4類總線的典型代表CAN、Profibus、FF-H1和FF-HSE，同時(shí)也給出了其他總線標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要點(diǎn)和區(qū)別。    全書共分9章，每章配有習(xí)題。內(nèi)容由淺入深，避免了概念上的跳躍，較為系統(tǒng)和完整地反映了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的最新發(fā)展?fàn)顩r。    本書可作為高等院校自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)、信息工程、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、機(jī)電一體化等專業(yè)高年級(jí)本科生、研究生的教材，也可作為從事現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用的工程技術(shù)人員的參考書。

書籍目錄

前言第1章　概述　1.1　現(xiàn)場(chǎng)總線的基本概念　1.2　現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)　1.3　現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)狀　1.4　現(xiàn)場(chǎng)總線的未來　習(xí)題第2章　數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)　2.1　通信模型　2.2　數(shù)據(jù)傳輸　2.3　傳輸媒體　2.4　傳輸數(shù)據(jù)編碼　2.5　數(shù)據(jù)通信接口　2.6　差錯(cuò)檢測(cè)與校正　2.7　多路復(fù)用技術(shù)　習(xí)題第3章　現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)　3.1　網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述　3.2　開放系統(tǒng)互連參考模型中的若干重要概念　3.3　現(xiàn)場(chǎng)總線體系結(jié)構(gòu)的建立及特點(diǎn)　3.4　現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)　習(xí)題第4章　媒體訪問控制技術(shù)　4.1　媒體訪問控制技術(shù)概述　4.2　集中控制型受控訪問方法　4.3　ALOHA隨機(jī)訪問方法　4.4　CSMA隨機(jī)訪問方法　4.5　物理環(huán)訪問方法　4.6　令牌總線訪問方法　習(xí)題第5章　輸入輸出位傳輸現(xiàn)場(chǎng)總線第6章  設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線第7章  狹義現(xiàn)場(chǎng)總線第8章  工業(yè)以太網(wǎng)第9章  現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與集成參考文獻(xiàn)附錄A  排隊(duì)系統(tǒng)基礎(chǔ)附錄B  IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)附錄C  CAPL語言簡(jiǎn)介

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 概述測(cè)量與控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、芯片技術(shù)的高度發(fā)展，使得自動(dòng)化領(lǐng)域中的設(shè)備制造、控制方式、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)維護(hù)等方面發(fā)生了深刻的變革，并直接導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)總線這一新技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。時(shí)至今日，建立在現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)上的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，正在逐步取代傳統(tǒng)的模擬儀表控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)，并從根本上改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)品及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法也產(chǎn)生了巨大沖擊，為自動(dòng)化系統(tǒng)的終端用戶帶來更大的實(shí)惠和方便。1.1　現(xiàn)場(chǎng)總線的基本概念現(xiàn)場(chǎng)總線的原始思想非常簡(jiǎn)單，就是想用一個(gè)開放的、互可操作的、多點(diǎn)的數(shù)字通信系統(tǒng)代替已使用很久的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)。但是，這樣一個(gè)概念的實(shí)現(xiàn)卻異常困難，不僅涉及眾多技術(shù)領(lǐng)域，單就理解現(xiàn)場(chǎng)總線的含義和復(fù)雜性，就花去了工業(yè)界近十年的時(shí)間。導(dǎo)致對(duì)這一概念長(zhǎng)時(shí)間醞釀的原因有兩個(gè)。首先，不同的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)各自設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)缺點(diǎn)存在激烈爭(zhēng)論；第二，現(xiàn)場(chǎng)總線遠(yuǎn)不只是簡(jiǎn)單代替4～20mA標(biāo)準(zhǔn)。由此看來，要想真正掌握現(xiàn)場(chǎng)總線這一新興技術(shù)并不是一件簡(jiǎn)單的事。為了便于學(xué)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)總線，我們首先簡(jiǎn)單介紹一下其產(chǎn)生和發(fā)展過程，然后給出它的定義。1.1.1　現(xiàn)場(chǎng)總線的由來事實(shí)上，現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生與發(fā)展，與計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用密切相關(guān)。這里將通過回顧計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用歷程，幫助我們理解現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。1.數(shù)據(jù)采集與處理計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代，此時(shí)的計(jì)算機(jī)主要是對(duì)大量的過程參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計(jì)算、越限報(bào)警以及對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行累積和實(shí)時(shí)分析。典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1—1所示。

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