《现场总线技术及应用教程》
发布部门:天启自动化   发布时间:2010-11-24   浏览次数:

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《现场总线技术及应用教程——从PROFIBUS到AS-i》
王永华 A.Verwer(英)编著 唐济扬 主审

(特别说明:向使用该教材的高校任课讲师提供电子课件)   

      内容简介:本书以世界上和国内最流行的车间级现场总线PROFIBUS和底层设备级现场总线AS-Interface为主线,讲解了现场总线技术的发展、基本概念、工作原理和实际应用。在书的开始,对工业自动化的发展历程,以及在现场总线技术中使用的基础知识进行了概括性的介绍;全书的重点内容是讲解PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和AS-i的基本原理和具体应用,在此基础上详细剖析了DP-V0、DP-V1和AS-i的报文结构和含义,在重点章节中都给出了多个具体的应用实例;在书的最后,对工业以太网技术以及PROFINET进行了较全面的讲解和介绍,对OPC和IEC61131-3语言这两种和现场总线密切相关的技术也进行了深入浅出的讲解。为方便高校和培训机构作为教材使用,全书各章都配有大量的习题和思考题,在附录A中配有11个实验的指导书,此外作者向使用该书的教师提供电子课件。在其他附录中还提供了精心编排的PROFIBUS常用信息速查表,罗列出了学习现场总线技术及下载相关软件及文档的常用网站网址。本书的使用对象主要是高等院校相关专业的本科生和研究生、各企业和设计院所的电气工程技术人员。以作者的专业技术知识、实际应用经验和写作功底,相信这本书是一本值得使用的教材和参考资料,肯定能给广大的读者带来较大的收获。

      前 言

      如果要问起近十年来对工业自动化领域影响最深刻的技术是什么时,毫无疑问,答案应该是现场总线技术;如果要再问这种影响有多大时,那只有一个词能够表达:这种影响是“革命性”的!
      安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。它是3C技术——电子计算机(Computer)技术、控制(Control)技术和通信(Communication)技术高度发展并有机融合的结果,现场总线技术是全数字化、多点、串行和开放的通信和控制系统,所以它一经出现便展示出了强大的生命力和发展潜能。现场总线解决了传统控制系统中存在的许多根本性难题,比如控制系统底层信息化、控制精度、信号传递速度、抗干扰、降低成本等,它基本上奠定了未来计算机控制系统的发展方向。现场总线技术以其不可比拟的开放性、交互性、自治性和适应性等特点为优势,在工业自动化领域得到了广泛的应用。
      由于现场总线技术给工业自动控制领域及相关产业所带来的这场必然变革,其背后蕴藏着无限的商机和巨大的商业利益,所以世界上所有大的电气设备及系统制造商都投入了大量的人力、财力和物力,加入了这场激烈的围绕着现场总线标准和技术的战争。近20年来,国际上出现了200多种现场总线,其中有影响的也有几十种。每种现场总线都力争使自己成为国家或地区的标准,以扩张其势力范围,加强自己的竞争地位。尽管国际电工委员会从1985年就开始着手制定现场总线的国际标准,但由于巨大的、潜在的国家利益和集团利益,各大公司互不相让,使得现场总线的国际标准耗时15年,而最终以妥协的方式通过。在这个现场总线国际标准IEC61158,即“用于测量和控制的数字数据通信——用于工业控制系统的现场总线”中,有8+2种总线标准。和现场总线相关的另外一个国际标准IEC62026是关于“低压开关装置和控制装置用控制电路装置和开关元件”的底层现场总线标准,其中也有6种总线标准。除此之外,还有一些现场总线技术,虽然它们没有被列写到这些标准中,但它们属于其他一些国际标准。所以现场总线的现状仍然是多种总线标准并列,群雄争霸的局面,这些现场总线的命运将由其技术的先进性和其市场的占有率来决定,现在已出现了极少数现场总线占据大部分市场的势头。 
      我考察过国外的一个啤酒厂和一个风力发电设备制造公司,它们的自动化控制系统基本上都已采用现场总线技术,据报道现在国外新开工的大中型的自动控制项目80%以上采用了现场总线技术;我也考察了国内的多个烟草企业和水处理企业,特别是在烟草行业,几乎100%的改造项目和新的制丝线都使用了现场总线控制系统。高等工科院校肩负着培养和造就工程技术人才的责任,在这场工业自动化技术革命的大潮中,我们更应该把握技术的发展前沿和方向。现在不少院校的相关专业,如电气自动化类、测控装置及仪表类、制造业自动化类、化工工程自动化类等等专业都相继开设了“现场总线技术及应用”课程,在不少院校还专门为研究生开设了该课程,这些院校在学科建设和课程建设方面都走在了前列。另外一些社会上的培训机构也已开始进行现场总线技术方面的培训工作。 
      正像上面所言,现在的现场总线有这么多种,作为一门课程开设,不可能把它们全都讲到,当然这样做也没有任何必要。所以我们必须选其中的1~2种作为讲解对象,但到底应该如何选择?选择什么作为教材中的核心内容呢?本教材的选择原则是选取国际和国内市场占有率最高,而且技术先进的现场总线,选择的结果就是IEC61158中的PROFIBUS和IEC62026中的AS-Interface。PROFIBUS属于车间设备级的现场总线,AS-Interface属于底层设备执行器和传感器级的现场总线,这是两种完全不同的现场总线,但又是在使用上可以互补的总线技术。它们在各自的应用层次上都是市场中的佼佼者,所以本书选择它们作为主讲内容是正确的和合适的。

本书的具体结构

      本书共分四大部分,总共10章内容和5个附录。
      
第一部分:引子和基础知识
      本部分包括三章内容。第1章结合实例回顾和分析了自动化控制技术的发展历程,介绍了现场总线在工业控制网络结构中的位置和作用;第2章以高度概括的方法总结提炼了在工业控制网络中所要用到的网络及通信的基础知识,这些内容大家可能原来学习过,但重新温习这部分知识,对学习现场总线技术是必须的;第3章详细介绍了现场总线技术的基本概念以及和其相关的基础内容,简单介绍了几种较常见的现场总线。
      第二部分:核心内容
      本部分是本书的中心,围绕着PROFIBUS和AS-i来讲解现场总线的原理及其应用技术,它包括五章内容。第4章详细介绍了PROFIBUS的基础知识;第5章详细讲解在制造业自动化中广泛使用的PROFIBUS-DP的原理、应用和DP-V0报文的结构,这是本书最重要的章节;第6章详细讲解在过程控制系统中广泛使用的PROFIBUS-PA的原理、应用和DP-V1报文的结构,此外还介绍了资产管理系统的使用,讲解了最新的本质安全技术FISCO;第7章详细讲解最底层的现场总线AS-i技术及其应用,此外还介绍了AS-i Safety at Work技术。在5、6、7三章的最后都给出了这些技术应用的详细实例。在第8章的开始,讲解使用现场总线技术时必须考虑的一些问题,然后介绍了一些常用的DP、PA和SA-i产品,最后通过一个综合实例,介绍了现场总线技术的应用。
     第三部分:后续技术和相关技术
      本部分包括两章的内容,主要内容是现在比较热的工业以太网技术,以及在现场总线中要使用的OPC技术和IEC61131-3编程语言。第9章首先概括总结了在工业以太网技术的学习中必须要掌握的有关基础知识,如以太网和因特网中的相关技术,最后介绍了一种市场前景不错的工业以太网技术——PROFINET;第10章讲解了和现场总线密切相关的两种技术——OPC和IEC61131-3,后者是现场总线时代必须掌握的PLC的标准编程语言。
      
第四部分:重要附录
      本部分包括5个主要的附录。附录A设计了11个实验,它们是这门应用性很强的课程所必须具备的内容,每个实验都包括实验目的、使用设备及装置、实验内容和实验报告要求等,该部分可为任课教师开设实验提供指导;附录B是PROFIBUS常用信息速查表,整理和罗列出了DP-V0和V1的几乎所有有用的信息,它是PROFIBUS学习和使用者的“Bible”;附录C是本书所使用的缩略语列表;附录D提供了有可能为大家学习现场总线技术时带来帮助的一些网站地址。为降低读者的购书成本,本书去掉了随书配带的CD,读者可以从我们提供的相关网站上下载所需要的软件和其他文档。
另外,在每一章的最后都有对本章内容进行回顾和总结的“本章小结”,以及丰富的“思考题和练习题”。
      
如何分配课时和授课内容
      本书既可以作为相关专业研究生、本科生的教材,也可以作为电气工程师、电工等有关技术人员的参考资料和培训教材。层次不同,所需要的授课内容、课时进度和实验项目也会不同,下表给出一些指导性的建议,供授课教师参考。下表中一个课时为50分种,每个实验所使用的课时数为2个,实验个数和实验内容请根据实际情况在附录A中选择,给学生布置的“思考题和练习题”也可进行适当选择。

 

 

 

 

 
第1章
第2章
第3章
第4章
第5章
第6章
第7章
第8章
第9章
第10章
实验
总课时
研究生
1
1
1
2
6
5
5
1
1
1
16
40
本科生
2
4
2
4
9
1
9
2
1
4
8
46
技术人员培训
0
0
1
2
8
8
8
1
0
2
10
40


      致谢
      首先感谢英国Manchester Metropolitan University工程与技术系首席讲师、英国PROFIBUS资格中心(PROFIBUS COMPETENCY CENTRE,PCC)主任Andy.Verwer先生,经过他的允许,本书重要章节的部分内容和某些例子等都是在他培训课程散页讲稿的基础上,经过修改、补充后编写的,虽然他不懂汉语,但他非常高兴作为本书的合作作者。Andy为我在英国PCC的学习和工作提供了很好的条件和环境,使我完成了书中几乎所有的演示实例和实验。他热忱、严谨的工作态度和敬业精神将是我学习的榜样!
      感谢中国PROFIBUS专业委员会主席、机械工业自动化研究所原所长李百煌教授,作为PROFIBUS、IEC61131-3等标准的中国行业标准制定的领导者和专家,他对这些标准有着深刻的掌握和理解。他对本书的详细架构,以及和标准有关的关键性的技术问题都提出了具体的意见和建议。他对晚辈在学术上的热情指导和教诲使我难忘,从他身上我看到了一个大师的风范!
      感谢中国PCC主任唐济扬教授,我和他相识于2004年在英国Ragley Hall举行的首届PROFFIBUS年会上,作为国内PROFIBUS技术的知名专家,他对PROFIBUS技术的发展和产品研究开发的前沿有着敏锐的把握。我非常感谢他在百忙之中抽出时间主审了本书,并提出了相关修改建议。
      感谢Endress+Hauser(E+H)(恩德斯豪斯(中国))公司的大力支持,感谢现场总线和过程控制领域的专家窦连旺博士,他为作者提供了E+H的技术资料,本书第6章中资产管理系统及其应用一节是在他一篇论文的基础上修改而成的。
      感谢WAGO(万可电子(中国))公司的大力支持,感谢孙宏伟先生、胥广贺先生,特别感谢陈阳女士为作者提供的具体帮助。
      感谢BECKHOFF(倍福(中国))公司的大力支持,感谢梁力强总经理、安会民先生、刘卫列先生和江志军先生。
      感谢ifm electronic(易福门电子)公司的大力支持,感谢洪正仪先生和程范炜先生。
      感谢Siemens(西门子)公司的李凯先生,特别感谢在siemens工作的我的学生李秀峰女士。
      感谢机械工业出版社电工电子分社牛建国社长和林春泉老师。
      感谢我指导的研究生王明武、徐群,特别感谢曹雪华同学。
      在写作时,本书部分章节个别段落的内容参考了一些已出版的文献,这些文献已在书后的参考文献中一一列出,在此我向这些文献的作者表示衷心的感谢!
      最后我要真诚地感谢我的父亲和母亲,他们所给予我的最无私的爱是我永远前进的强大动力,一想起这些,我就不敢有丝毫的懈怠,而只有更加刻苦勤奋地学习和工作。

      李霞、孙红艳、焦彩霞、陈聪、郑安平、孙玉胜、安小宇、江豪、李秀芳、韩晓林、赵海兰、陈继斌、杨存祥、康国磊、胡光武、马照瑞、王华东、张志燕、张予生、段红杰等同志参加了部分章节的编写工作。
      本书作者主编的另一本书《现代电气控制及PLC应用技术》正在热销中,该书曾获得2004年度全国大学出版社协会优秀畅销书一等奖。所以我也相信,以自己深厚熟练的写作功底、对现场总线及其前沿技术的深入理解和把握、以及全面的应用经验为基础而完成的《现场总线技术及应用教程》一书,会是一本值得大家使用的教材和参考资料。同时也能为PROFIBUS、AS-i和IEC61131-3等技术在我国的推广做出贡献。
      对其他电类课程的实验教学环节,在市场上都能找到成套的实验设备和装置,大家只需买来即可使用。现场总线技术及应用课程则不同,其一是技术新;其二是实验所用设备及装置比较琐碎。现在市场上没有合适的成套设备和装置供用户使用。所以对于筹建现场总线技术及应用实验室的学校或单位,如果需要,本书作者可提供具体的指导和帮助。本书还配有电子教案,限于时间和精力,该教案只向高等院校和培训机构中使用本教材的任课教师提供。
      该书的完成花费了近两年时间,虽然经过认真仔细的修改、校对,但由于作者在学术水平上的局限性和写作过程中的疏漏,书中肯定还会有不正确、不准确的地方出现,不管是大错还是小错,我都希望广大的读者能给我指出来,以便再次印刷时改正。也欢迎大家来Email就PROFIBUS、AS-i和IEC61131-3方面的技术问题进行交流和探讨,作者也欢迎和有关企业、公司进行产品开发、工程项目和研究课题方面的技术合作。作者的电子信箱是:
wyh@zzuli.edu.cn

                                                      王永华

2006年8月

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