现场总线与工业以太网及其应用技术 第2版

本书从科研、教学和工程实际应用出发，理论联系实际，全面系统地介绍了现场总线、工业以太网技术及其应用系统设计，力求所讲内容具有较强的可移植性、先进性、系统性、应用性、资料开放性，起到举一反三的作用。
全书共分10章，主要内容包括：现场总线与工业以太网概述、控制网络基础、通用串行通信接口技术、PROFIBUS-DP现场总线、PROFIBUS-DP从站的系统设计、DeviceNet现场总线、工业以太网、TCP/IP、SERCOS工业以太网和时间敏感网络。全书内容丰富、体系先进、结构合理，理论与实践相结合，尤其注重工程应用技术。
本书是在编者教学与科研实践经验的基础上，结合现场总线和工业以太网技术30多年的发展编写而成的，书中详细地介绍了编者在现场总线与工业以太网应用领域的新科研成果，并给出了应用设计实例。
本书适用于从事现场总线与工业以太网控制系统设计的工程技术人员，也可作为高等院校各类自动化、机器人、自动检测、机电一体化、人工智能、电子与电气工程、计算机应用、信息工程等专业的本科教材，同时可以作为相关专业的研究生教材。

适读人群 ：从事现场总线与工业以太网控制系统设计的工程技术人员，也可作为高等院校各类自动化等专业的本科生
本书是作者近30年来的现场总线与工业以太网科研攻关课题的成果。
本次修订删除了第1版中较为烦琐或过时的内容，增加了工业以太网、SERCOS工业以太网和时间敏感网络等较新的内容。架构和内容均有全面的更新，尤其是增加的工业以太网相关章节，与现有技术完全同步。

前 言
本书在《现场总线与工业以太网及其应用技术》的基础上修订而成。
经过30多年的发展，现场总线与工业以太网已经成为工业控制系统中重要的通信网络，并在不同的领域和行业得到了广泛的应用。近几年，无论是在工业、电力、交通，还是在工业机器人等运动控制领域，工业以太网都得到了迅速发展和应用。
本次修订删除了第1版中较为烦琐或过时的内容，如：netX网络控制器、从站通信控制器VPC3、PROFIBUS-DP开发包4、基于嵌入式通信模块COM-C的PROFIBUS-DP主站系统设计、TCP/IP与以太网控制器中的RTL8019AS和DM9000A全双工以太网控制器、基于RTL8019AS的工业以太网应用系统设计。对PROFIBUS-DP现场总线重新进行了编写，将原来的三章精炼为两章，对第1～3章也重新进行了编写，增加了工业以太网、SERCOS工业以太网和时间敏感网络三章。总之，第2版与第1版相比，架构和内容均有全面的更新，尤其是增加的工业以太网相关章节，与现有技术完全同步。
本书共分10章。第1章介绍了现场总线与工业以太网的相关概念及国内外流行的现场总线与工业以太网；第2章讲述了控制网络的基础知识，包括数据通信基础、现场控制网络、网络硬件、网络互联、网络互联设备和通信参考模型；第3章介绍了串行通信基础、RS-232C和RS-485串行通信接口、USB接口、Modbus通信协议及Modbus的具体编程方法，最后以PMM2000电力网络仪表为例，详细讲述了Modbus-RTU通信协议及其应用；第4章详述了PROFIBUS通信协议、PROFIBUS通信控制器SPC3和主站通信网络接口卡CP5611；第5章以PMM2000电力网络仪表为例，详述了PROFIBUS-DP通信模块的硬件电路设计、PROFIBUS-DP通信模块从站软件的开发、从站的GSD文件编写和PMM2000电力网络仪表在数字化变电站中的应用，最后介绍了PROFIBUS-DP从站的测试方法；第6章详述了DeviceNet现场总线，包括DeviceNet的概述、DeviceNet的物理层和通信协议、DeviceNet的通信对象和设备描述、DeviceNet节点的开发；第7章讲述了EtherCAT、PROFInet、Ethernet POWERLINK和EPA工业以太网；第8章讲述了TCP/IP的体系结构、IP、ICMP、ARP、端到端通信和端口号、TCP和UDP；第9章讲述了SERCOS工业以太网，包括开放式机床数控系统及接口技术、SERCOS概述、基于SERCOS总线的通信接口、SERCOS通信协议、SERCOS 在数控系统中的应用、SERCOS接口控制器SERCON816、主站SERCOS接口电路设计、系统软件设计与实现和基于SERCOS接口的开放式数控体系模块结构；第10章讲述了时间敏感网络（TSN），包括TSN概述、TSN核心技术与应用研究、国内外研究现状、工程应用面临的挑战、时间敏感网络协议、精确时钟同步与延时计算、TSN设备时间同步、网络传输过程、流控制相关标准、TSN 网络配置标准IEEE 802.1Qcc、TSN时间同步系统运行流程、TSN交换机平台结构设计、TSN应用前景、TSN技术发展趋势和CC-Link现场网络。
本书数字资源丰富，配有电子课件PPT、教学大纲和习题答案，读者可以到机械工业出版社教育服务网（http://www.cmpedu.com）下载。
本书是编者科研实践和教学的总结，许多实例均是取自编者近30年来的现场总线与工业以太网科研攻关课题。对本书中所引用的参考文献的作者，在此一并向他们表示真诚的感谢。由于编者水平有限，加上时间仓促，书中错误和不妥之处在所难免，敬请广大读者不吝指正。

编 者

目 录
前言
第1章 现场总线与工业以太网概述1
1.1 现场总线概述1
1.2 工业以太网概述8
1.3 企业网络信息集成系统13
1.4 国内外流行的现场总线简介17
1.5 国内外流行的工业以太网简介28
1.6 习题42
第2章 控制网络基础43
2.1 数据通信基础43
2.2 现场控制网络56
2.3 网络硬件58
2.4 网络互联61
2.5 网络互联设备62
2.6 通信参考模型64
2.7 习题72
第3章 通用串行通信接口技术73
3.1 串行通信基础73
3.2 RS-232C串行通信接口75
3.3 RS-485串行通信接口78
3.4 USB接口81
3.5 Modbus通信协议82
3.6 PMM2000电力网络仪表及其应用90
3.7 习题96
第4章 PROFIBUS-DP现场总线97
4.1 PROFIBUS概述97
4.2 PROFIBUS的协议结构98
4.3 PROFIBUS-DP现场总线系统100
4.4 PROFIBUS-DP的通信模型109
4.5 PROFIBUS-DP的总线设备类型和数据通信115
4.6 PROFIBUS通信用ASIC122
4.7 PROFIBUS-DP从站通信控制器SPC3124
4.8 主站通信网络接口卡CP5611134
4.9 习题135
第5章 PROFIBUS-DP从站的系统设计136
5.1 PMM2000电力网络仪表概述136
5.2 PROFIBUS-DP通信模块的硬件电路设计137
5.3 PROFIBUS-DP通信模块从站软件的开发139
5.4 PMM2000电力网络仪表从站的GSD文件153
5.5 PMM2000电力网络仪表在数字化变电站中的应用156
5.6 PROFIBUS-DP从站的测试方法158
5.7 习题159
第6章 DeviceNet现场总线160
6.1 DeviceNet概述160
6.2 DeviceNet连接165
6.3 DeviceNet报文协议167
6.4 DeviceNet通信对象分类170
6.5 网络访问状态机制171
6.6 指示器和配置开关174
6.7 DeviceNet的物理层和传输介质176
6.8 设备描述179
6.9 DeviceNet节点的开发182
6.10 习题190
第7章 工业以太网191
7.1 EtherCAT191
7.2 PROFInet201
7.3 POWERLINK205
7.4 EPA210
7.5 习题217
第8章 TCP/IP218
8.1 TCP/IP的体系结构218
8.2 IP219
8.3 ICMP224
8.4 ARP227
8.5 端到端通信和端口号229
8.6 TCP231
8.7 习题236
第9章 SERCOS工业以太网237
9.1 开放式机床数控系统及接口技术237
9.2 SERCOS概述239
9.3 基于SERCOS总线的通信接口242
9.4 SERCOS通信协议245
9.5 SERCOS在数控系统中的应用259
9.6 SERCOS接口控制器SERCON816262
9.7 SERCON816总线的接口268
9.8 系统软件设计与实现270
9.9 基于SERCOS接口的开放式数控体系模块结构274
9.10 习题278
第10章 时间敏感网络279
10.1 TSN概述279
10.2 TSN核心技术与应用研究282
10.3 国内外研究现状285
10.4 工程应用面临的挑战286
10.5 时间敏感网络协议287
10.6 精确时钟同步与延时计算291
10.7 TSN设备时间同步293
10.8 网络传输过程294
10.9 流控制相关标准294
10.10 TSN网络配置标准IEEE 802.1Qcc297
10.11 TSN时间同步系统运行流程298
10.12 TSN交换机平台结构设计298
10.13 TSN应用前景299
10.14 TSN技术发展趋势300
10.15 CC-Link现场网络301
10.16 习题307
参考文献308