内容简介
现代工业控制网络是工业控制系统和工业互联网的中枢神经。现代工业控制网络与系统内容繁多且不断发展，其应用领域很广泛。本书依据HMS公司对现场总线的调研结果，紧密结合实际应用案例，以市场占有率较高的几类现场总线和工业以太网作为本书的重点进行介绍，包括FF和Profibus总线（PA和DP），Modbus（RTU和TCP）以及EtherNet/IP、ProfiNet和EtherCAT。本书对工业控制协议相关的网络模型、报文结构、通信机制、网络组态等均进行了深入讨论和分析，并对最新的EtherNetAPL和TSN通信技术进行了介绍。本书深入阐述了三个面向不同行业的工业控制网络与系统应用案例，对相关的控制网络与系统内容进行了深入剖析，从而帮助读者更好地学习工业控制网络与系统知识。
本书注重内容的系统性、准确性、新颖性与实用性，书中的程序都通过仿真或实物调试，可以指导读者进行类似的工程开发。
本书可作为自动化、电气工程及其自动化、机器人工程、智能制造等相关专业大学高年级本科生、研究生的参考教材，也可作为工业控制企业、自动化工程公司相关工程技术人员的参考书。
目录
第1章现代工业控制网络与系统
基础111工业控制网络概述1
111从模拟信号到现场总线1
112从现场总线到工业以太网3
113现代工业控制网络的发展4
114工业控制网络信息传输及其性能
表征6
115工业控制网络的关键技术9
116工业无线通信12
12工业控制网络技术基础14
121串行通信及其应用案例14
122工业控制网络的拓扑结构及其与
计算机网络的比较20
123网络体系结构与参考模型22
124网络传输介质与介质访问控制24
125现代工业控制网络对工业控制
系统的支撑27
13物联网及云计算30
131物联网及其典型通信协议30
132云计算概述30
133云计算的特征、技术与挑战33
134边缘计算36
14工业互联网及智能传感器37
141工业互联网37
142工业互联网中的智能传感器39
143离散制造业典型传感器及其在
工业互联网中的应用40
15工业控制网络协议分析——以Modbus
为例45
151Modbus协议概述45
152Modbus协议及报文解析47
153Modbus通信协议安全漏洞分析
案例51
154工业控制网络协议分析器53
16现代工业控制系统及其应用54
161集散控制系统及其应用54
162监控与数据采集系统及其应用58
17工业控制系统下位机编程与人机界面
组态案例61
171下位机控制程序编程61
172人机界面组态67
思考题71
第2章现场总线技术及其应用案例72
21现场总线的发展与种类72
211现场总线的发展与应用72
212主要的现场总线73
22HART协议及其应用74
221HART协议概述74
222HART协议模型75
223HART命令分析示例77
23Profibus现场总线及其应用77
231Profibus现场总线技术77
232ProfibusDP总线及其应用79
233ProfibusPA现场总线91
234基于Profibus现场总线的过程控制
实验系统93
24FF及其应用案例103
241FF概述103
242FF结构模型与协议104
243FF在流程工业的应用案例109
25单绞线以太网与高级物理层及其应用
案例112
251单绞线以太网112
252高级物理层及其应用112
思考题115
第3章工业以太网及其应用案例116
31工业以太网基础知识116
311以太网及其结构模型116
312TCP119
313UDP123
314IP124
315主要的工业以太网128
316基于时间敏感网络的新型工业
以太网129
32Modbus TCP及其应用案例132
321基于Modbus TCP通信的协同式
数据采集132
322S71200控制器与研华ADAM
以太网模块协同数据采集案例133
323基于PC的Modbus TCP分布式
数据采集案例137
33ProfiNet工业以太网及其应用案例139
331ProfiNet工业以太网概述139
332ProfiNet协议的实时通信139
333ProfiNet IO141
334ProfiNet工业以太网应用案例143
34EtherNet/IP工业以太网146
341EtherNet/IP应用层协议CIP146
342EtherNet/IP通信协议模型与
数据封装152
343抓包分析EtherNet/IP工业
以太网报文154
35EtherCAT工业以太网158
351EtherCAT工业以太网概述158
352EtherCAT通信协议模型159
353EtherCAT的主站与从站及其
分布时钟162
36EtherNet/IP工业以太网在运动
控制中的应用案例163
361运动控制实验环境与设备163
362实验系统网络通信与运动控制
编程164
363运动控制系统上位机人机界面
设计170
37基于EtherCAT的运动控制与数据
采集系统案例176
371系统实验环境176
372建立工程并搜索设备177
373伺服驱动PDO配置178
374控制伺服运行180
375EtherCAT数据采集185
思考题187
第4章城市污水处理厂工业控制
网络与系统应用案例18841案例背景与概述188
42某城市污水处理厂工艺及其控制系统
功能要求189
421污水处理厂工艺流程189
422污水处理厂控制系统功能要求191
43污水处理厂SCADA系统设计192
44污水处理厂控制设备选型与配置198
441远程泵站PLC选型
前言/序言
现代工业控制网络包括现场总线、工业以太网、工业无线通信和物联网等不同网络，是工业控制系统和工业互联网的中枢神经。依赖工业控制网络实时、高效、可靠的数据传输，工业控制系统实现了横向和纵向的信息集成，从而确保工业控制系统的控制、监控、管理、优化和调度等功能集成得以实现。同时，工业控制系统为了面对企业对管控一体化和IT（Information Technology，信息技术）和OT（Operation Technology，操作技术）融合的挑战，也对工业控制网络和通信技术提出了新的要求。因此，工业控制网络与工业控制系统密不可分。
工业控制网络起始于现场总线，并在众多行业中得到成功应用，甚至产生了现场总线控制系统的理念，以期将控制功能彻底分散到现场。然而，现场总线使用中也暴露了较多问题，如种类繁多、异构网络互联成本高等。受益于商用以太网及互联网成功的鼓舞，工业以太网快速发展，已成为最有生命力的一类控制网络，其市场占有率已超过传统的现场总线，并且仍然在强劲发展。
现代工业控制网络与系统内容繁多且不断发展，其应用领域很广泛。现场总线种类繁多、内容庞杂，本书依据HMS公司对现场总线的调研结果，以市场占有率较高的现场总线和工业以太网作为本书的重点进行介绍。虽然传统现场总线市场占有率在下降，但是存量市场绝对值依然很大，因此，本书依然对主要的现场总线，如Profibus（PA和DP）、FF进行了较为详细的介绍。另外，本书结合应用案例，对主流的工业以太网，如ProfiNet、EtherNet/IP和EtherCAT进行了重点介绍；并对仍然有较高市场占有率、事实上的工业通信标准协议Modbus进行了深入分析；还对新型的单绞线以太网、以太网高级物理层（EtherNetAPL）和时间敏感网络（TSN）等最新的现代工业控制网络进行了分析。在工业控制系统内容的选取上，重点阐述了监控与数据采集（SCADA）系统和集散控制系统（DCS）。
工业控制网络与计算机网络以及衍生出来的控制网络信息安全相互交织，存在不少跨学科知识，这也给本书的编写带来了一定的困难。此外，该领域一定程度上存在理论与实践脱节的情况，有些书籍上介绍的控制网络知识已被淘汰，并不能反映实际工业现场的情况。因此，作者通过和工业自动化行业资深的设计工程师、项目工程师、项目经理和项目监理等不断交流，以获取更加全面和准确的工业现场知识，了解最新的工业控制网络与系统应用现状。例如，不少现场总线和工业控制类书籍都有“现场总线控制系统是DCS后的新一代控制系统，甚至要取代DCS”之类的描述，但实际上目前的DCS支持现场总线和工业以太网，是最主流的流程工业控制系统。相反，“纯粹”的现场总线控制系统在工业现场是无法满足用户需求的。工业现场大量使用现场总线（包括以太网）与现场总线控制系统是不能画等号的。关于这些内容，本书中都有详细的解释。另外，本书中的案例均来源于作者和学生的科研实践，力求使内容更加贴近工业实际，试图更好地把理论、技术与应用实践结合起来。
本书共有6章，主要内容介绍如下：
第1章是现代工业控制网络与系统基础，属于本书的重点。包括工业控制网络的发展、工业控制网络的种类、工业控制网络的关键技术、物联网及云计算、工业互联网及智能传感器等概述性知识。对工业控制网络体系结构和网络通信相关的必要基础知识也进行了介绍。特别是结合实例对Modbus协议进行了详细的分析，从而帮助读者理解通信协议相关的基础知识并学会分析工业通信协议。最后对工业控制系统的内容进行了阐述。
第2章是现场总线技术及其应用案例，主要介绍了HART协议，并结合案例对Profibus（含PA和DP）总线和FF进行了重点介绍。对最新的单绞线以太网与高级物理层也进行了介绍。虽然这属于工业以太网的内容，但高级物理层主要作为流程工业现场总线来取代FF和ProfibusPA，所以把这部分内容放在了本章。
第3章是工业以太网及其应用案例，是本书的重点部分。在介绍工业以太网基础知识时，结合实例对ProfiNet、EtherNet/IP和EtherCAT这三种使用最广泛的工业以太网进行了较详细的介绍，特别是利用Wireshark抓包来对部分典型工业控制通信协议进行了分析，以加深读者对于网络体系与协议的直观理解。在案例中还介绍了罗克韦尔公司最新的FactoryTalk Optix可视化平台。
第4章是城市污水处理厂工业控制网络与系统应用案例。详细阐述了污水处理厂工业控制网络设计、工业控制系统开发与调试的内容。对利用VPN（Virtual Private Network，虚拟专业网络）的污水处理厂控制网络进行了详细介绍。
第5章是离散制造业工业控制网络与系统应用案例。详细阐述了如何利用工业机器人与机器视觉改造传统的汽车安全气囊引爆组件注塑工艺，以实现智能生产和质量检测。
第6章是化工实验装置工业控制网络与系统应用案例。在分析化工过程对象及其控制策略的基础上，重点阐述了过程控制系统编程和HMI（人机界面）开发。给出了利用工业网关把传统的串口仪表连接到Eth
