實(shí)時(shí)以太網(wǎng)及運(yùn)動(dòng)控制總線技術(shù)

前言

控制系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)歷了人工控制、模擬儀表控制、計(jì)算機(jī)集中監(jiān)督控制、集散控制DCS、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS到網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NCS等發(fā)展階段。隨著控制、計(jì)算機(jī)、通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理的各個(gè)層次，導(dǎo)致了工業(yè)控制自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，迎來一個(gè)以太網(wǎng)結(jié)合.FOP／IP技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)新階段的到來。它具有開放性、使用方便、成本低廉和資源豐富等特點(diǎn)。雖然這種技術(shù)的早期僅應(yīng)用于辦公環(huán)境，但隨著技術(shù)的發(fā)展它已廣泛應(yīng)用于解決工業(yè)環(huán)境的一系列問題，并成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)最具應(yīng)用前景的技術(shù)，呈現(xiàn)了快速應(yīng)用推廣發(fā)展的局面。全數(shù)字交流伺服技術(shù)的飛速發(fā)展，使用戶根據(jù)負(fù)載狀況（如慣量、間隙、摩擦力等）調(diào)整參數(shù)更為方便。諸如數(shù)控機(jī)床、包裝設(shè)備和印刷機(jī)械等需要多軸聯(lián)動(dòng)控制和同步運(yùn)動(dòng)控制的復(fù)雜設(shè)備，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸之間需要保持嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，特別是實(shí)現(xiàn)電子齒輪、電子凸輪等的多軸控制，更要保證各個(gè)軸之間的軌跡運(yùn)動(dòng)和同步關(guān)系以及伺服運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)同步關(guān)系，這些都向通訊網(wǎng)絡(luò)提出了新的要求。隨著多種工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)公布，中國的EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)也被列入其中。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的公布，使工業(yè)網(wǎng)絡(luò)迎來了一個(gè)新的以太網(wǎng)時(shí)代。本書從這個(gè)角度出發(fā)，力求對(duì)工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的共性理論與技術(shù)以及適應(yīng)于伺服驅(qū)動(dòng)要求的網(wǎng)絡(luò)方面的問題進(jìn)行介紹，重點(diǎn)介紹了SERCOS、EtherCAT和EPA總線以及CANopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范，并對(duì)運(yùn)動(dòng)控制中的實(shí)時(shí)同步以及安全一體化總線進(jìn)行論述。結(jié)合長期從事工業(yè)自動(dòng)化方面的知識(shí)和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)基于實(shí)時(shí)LinuX和總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)也進(jìn)行了介紹.本書編寫過程中得到張為民、朱志浩、李德忠、俞士磊、齊黨進(jìn)、李輝、羅嵩、胡華峰、劉廣杰在資料收集和整理以及實(shí)例方面的幫助。本書在德國費(fèi)斯托Festo公司教席基金的長期支持下完成，并得到科技部國際科技合作重點(diǎn)資助項(xiàng)目“中德合作擴(kuò)展技術(shù)優(yōu)勢(shì)一復(fù)雜設(shè)備運(yùn)行的協(xié)同服務(wù)支持（2006DFA72810）”資助。本書汲取了和沈陽機(jī)床（集團(tuán)）公司長期科研合作的成果，還得到德國赫優(yōu)訊Hilscher公司、倍福Beckhoff公司在資料方面的幫助，對(duì)本書中所引用的參考文獻(xiàn)的作者和單位，在此一并表示感謝。同時(shí)對(duì)給予我們基金教席支持的德國斯圖加特大學(xué)ISW研究所Prischow和Klemm教授表示感謝。由于作者水平有限，加之機(jī)電一體化技術(shù)特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，書中難免存在疏漏和錯(cuò)誤之處，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

基于工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)近年來得到快速的發(fā)展，而伺服驅(qū)動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊的實(shí)時(shí)性和同步性有嚴(yán)格的要求，本書從現(xiàn)場總線技術(shù)出發(fā)對(duì)適應(yīng)于伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)要求的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，內(nèi)容包括工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)l的發(fā)展；工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)；實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范；驅(qū)動(dòng)總線SERCOS；EtherCAT；總線與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等。全書力求循序漸進(jìn)、深入淺出并注重理論和實(shí)際相結(jié)合。本書可作為高等工科院校的工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)電一體化專業(yè)方向的教材，也可作為自動(dòng)化領(lǐng)域的專業(yè)參考書。

書籍目錄

前言第1章  工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展  1.1  工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)    1.1.1  工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展    1.1.2  工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)  1.2  現(xiàn)場總線技術(shù)    1.2.1  現(xiàn)場總線技術(shù)的概述    1.2.2  典型現(xiàn)場總線簡介    1.2.3  現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)    1.2.4  現(xiàn)場總線技術(shù)展望與發(fā)展趨勢(shì)    1.2.5  現(xiàn)場總線的互操作與集成    1.2.6  OPC與現(xiàn)場總線集成    1.2.7  基于XML的設(shè)備描述技術(shù)  1.3  工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化  1.4  運(yùn)動(dòng)控制與伺服驅(qū)動(dòng)總線技術(shù)    1.4.1  伺服驅(qū)動(dòng)對(duì)總線的要求    1.4.2  數(shù)字伺服總線的發(fā)展    1.4.3  數(shù)字伺服總線產(chǎn)品  1.5  安全一體化總線    1.5.1  功能安全簡介    1.5.2  功能安全標(biāo)準(zhǔn)    1.5.3  通訊總線與功能安全    1.5.4  CIP Safety  1.6  數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化制造第2章  工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)  2.1  以太網(wǎng)技術(shù)簡介    2.1.1  以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展    2.1.2  TCP/IP和以太網(wǎng)的分層模型    2.1.3  CSMA/CD載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(cè)    2.1.4  TCP/IP協(xié)議  2.2  工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)    2.2.1  工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀    2.2.2  工業(yè)以太網(wǎng)的要求    2.2.3  以太網(wǎng)到工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)    2.2.4  工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)  2.3  工業(yè)以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)    2.3.1  全雙工交換式以太網(wǎng)技術(shù)    2.3.2  虛擬局域網(wǎng)技術(shù)    2.3.3  服務(wù)質(zhì)量    2.3.4  網(wǎng)絡(luò)可用性    2.3.5  網(wǎng)絡(luò)安全性    2.3.6  工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和可靠性    2.3.7  工業(yè)以太網(wǎng)的供電技術(shù)    2.3.8  無線以太網(wǎng)技術(shù)  2.4  基于工業(yè)以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)    2.4.1  工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)模型    2.4.2  工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)    2.4.3  工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用分析    2.4.4  工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用第3章  實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范  3.1  控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性    3.1.1  實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征    3.1.2  實(shí)時(shí)系統(tǒng)的內(nèi)涵    3.1.3  實(shí)時(shí)系統(tǒng)    3.1.4  分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)    3.1.5  實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度技術(shù)    3.1.6  實(shí)時(shí)系統(tǒng)的容錯(cuò)    3.1.7  實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)  3.2  控制網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步    3.2.1  工業(yè)系統(tǒng)時(shí)鐘的概念    3.2.2  時(shí)鐘的同步方法    3.2.3  以太網(wǎng)時(shí)鐘的同步    3.2.4  IEEE 1588時(shí)鐘同步    3.2.5  工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的時(shí)鐘同步  3.3  工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的主要標(biāo)準(zhǔn)    3.3.1  在TCP/IP之上進(jìn)行實(shí)時(shí)改造的標(biāo)準(zhǔn)    3.3.2  采用經(jīng)優(yōu)化處理和提供旁路實(shí)時(shí)通道的通訊協(xié)議模型    3.3.3  采用集中調(diào)度提高實(shí)時(shí)性的解決方案    3.3.4  其他實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的解決方案  3.4  EPA協(xié)議    3.4.1  EPA網(wǎng)絡(luò)通訊模型    3.4.2  EPA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)    3.4.3  EPA的實(shí)時(shí)同步    3.4.4  EPA的應(yīng)用模型  3.5  CANopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范    3.5.1  CANopen簡介    3.5.2  CANopen協(xié)議    3.5.3  CANopen狀態(tài)轉(zhuǎn)換    3.5.4  CANopen DS402伺服控制規(guī)范第4章  驅(qū)動(dòng)總線SERCOS  4.1  概述    4.1.1  SERCOS的發(fā)展    4.1.2  SERCOS的基本特征  4.2  SERCOS協(xié)議    4.2.1  物理層    4.2.2  報(bào)文結(jié)構(gòu)    4.2.3  通訊的建立    4.2.4  數(shù)據(jù)傳遞過程    4.2.5  SERCOS IDN    4.2.6  SERCOS安全網(wǎng)絡(luò)  4.3  SERCOS中時(shí)間和同步機(jī)制  4.4  SERCOS的應(yīng)用及發(fā)展    4.4.1 SERCOSⅢ接口實(shí)現(xiàn)    4.4.2 SERCOS工業(yè)應(yīng)用第5章  EtherCAT  5.1  概述    5.1.1  EtherCAT簡介    5.1.2  EtherCAT技術(shù)特點(diǎn)  5.2  EtherCAT協(xié)議    5.2.1  EtherCAT簡介    5.2.2  EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層    5.2.3  EtherCAT存儲(chǔ)器    5.2.4  分布時(shí)鐘  5.3  應(yīng)用層協(xié)議    5.3.1  EtherCAT從站    5.3.2  EtherCAT主站  5.4  EtherCAT的應(yīng)用    5.4.1  TwinCAT運(yùn)動(dòng)控制簡介    5.4.2  基于EtherCAT的伺服驅(qū)動(dòng)第6章  總線與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)  6.1  開放的數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展    6.1.1  開放式體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展    6.1.2  采用數(shù)字伺服總線的運(yùn)動(dòng)控制特點(diǎn)  6.2  基于總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用    6.2.1  運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)上的應(yīng)用    6.2.2  FESTO基于PROFIBUS的伺服控制    6.2.3  珩磨機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用  6.3  基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和總線的數(shù)控系統(tǒng)    6.3.1  基于Linux-RTAI數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)    6.3.2  控制模塊的實(shí)現(xiàn)  6.4  基于總線的數(shù)控產(chǎn)品介紹    6.4.1  飛陽數(shù)控系統(tǒng)    6.4.2  光洋數(shù)控系統(tǒng)    6.4.3  SINUMERIK 802D sl數(shù)控系統(tǒng)縮略語釋義參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，對(duì)于企業(yè)的生產(chǎn)、加工及制造具有極其重要的作用。其技術(shù)源于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與一般的信息網(wǎng)絡(luò)有很多共同點(diǎn)，但又有不同之處和獨(dú)特的地方。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)主要用來處理實(shí)時(shí)現(xiàn)場信息，是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制信息處理的數(shù)據(jù)流通道。以現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)為代表的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在工業(yè)控制中得到越來越廣泛的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，引發(fā)了工業(yè)控制領(lǐng)域深刻的技術(shù)變革?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)沿著網(wǎng)絡(luò)化方向與控制系統(tǒng)體系沿著開放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的大潮流，網(wǎng)絡(luò)化、開放性是工業(yè)控制技術(shù)發(fā)展的方向和靈魂。1.1　工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)1.1.1　工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展20世紀(jì)50年代以前，由于當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)規(guī)模較小，檢測(cè)控制儀表尚處于發(fā)展的初級(jí)階段，所采用的僅僅是安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場、只具有簡單測(cè)控功能的氣動(dòng)儀表，其信號(hào)僅在本儀表內(nèi)起作用，一般不能傳送給其他儀表或系統(tǒng)，即各測(cè)控點(diǎn)只能成為封閉狀態(tài)，無法與外界溝通信息。操作人員只能通過對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場的巡視，了解生產(chǎn)過程的狀況。

編輯推薦

隨著多種工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)公布，中國的EPA實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)也被列入其中。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的公布，使工業(yè)網(wǎng)絡(luò)迎來了一個(gè)新的以太網(wǎng)時(shí)代?！秾?shí)時(shí)以太網(wǎng)及運(yùn)動(dòng)控制總線技術(shù)》從這個(gè)角度出發(fā)，力求對(duì)工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的共性理論與技術(shù)以及適應(yīng)于伺服驅(qū)動(dòng)要求的網(wǎng)絡(luò)方面的問題進(jìn)行介紹，重點(diǎn)介紹了SERCOS、EtherCAT和EPA總線以及CANopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范，并對(duì)運(yùn)動(dòng)控制中的實(shí)時(shí)同步以及安全一體化總線進(jìn)行論述。結(jié)合長期從事工業(yè)自動(dòng)化方面的知識(shí)和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)基于實(shí)時(shí)Linux和總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)也進(jìn)行了介紹。

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