现场总线技术及其应用(贾鸿莉)

1.本书介绍现场总线与实时以太网技术及其应用系统设计
2.本书有代表性的POWERLINK案例分析及具体应用实例。
 

本书首先介绍了现场总线技术及工业以太网技术的相关概念，进而详细阐述了工业以太网技术、CANopen协议、POWERLINK基本原理、POWERLINK的网络的组建及配置、POWERLINK的实现、POWERLINK的通信诊断及处理，后介绍一些有代表性的POWERLINK案例分析及具体应用实例。
本书可作为高等院校自动化及相关专业本科生、专科生的教材，也可作为从事现场总线与工业以太网技术及其应用系统设计的工程技术人员的自学参考书或培训教材。

第1章概述1
1.1现场总线技术
1.1.1现场总线技术的概述1
1.1.2典型现场总线简介5
1.1.3现场总线的技术特点8
1.1.4现场总线技术展望与发展趋势9
1.2以太网技术
1.2.1以太网技术简介11
1.2.2以太网技术展望与发展趋势16
1.3工业以太网技术
1.3.1工业以太网发展现状18
1.3.2工业以太网的要求22
1.4实时工业以太网技术

第2章控制网络基础26
2.1数据通信基础
2.1.1数据通信的基本概念26
2.1.2数据通信的发送与接收设备28
2.1.3数据通信的传输介质29
2.1.4数据编码技术29
2.1.5数据传输技术30
2.1.6数据交换技术33
2.1.7差错控制33
2.2网络互连技术
2.2.1网络互连的基本概念40
2.2.2网络互连规范40
2.2.3网络互连的通信参考模型41
2.2.4网络互连设备44

第3章工业以太网技术54
3.1以太网(Ethernet)
3.1.1以太网的发展54
3.1.2CSMA/CD载波监听多路访问/冲突检测55
3.1.3TCP/IP协议56
3.1.4以太网的实现方法57
3.1.5以太网的物理地址58
3.2以太网到工业以太网
3.3工业以太网的关键技术
3.3.1全双工交换式以太网技术63
3.3.2虚拟局域网技术65
3.3.3服务质量66
3.3.4网络可用性68
3.3.5网络安全性68
3.3.6工业以太网系统的安全性和可靠性70
3.3.7工业以太网的供电技术71
3.4基于工业以太网的控制网络
3.4.1工业以太网控制网络模型72
3.4.2工业以太网网络方案设计74
3.4.3工业以太网应用分析74
3.4.4工业以太网实际应用76

第4章CANopen协议78
4.1CANopen的发展
4.2CAL协议
4.3CANopen基本结构与通信子协议
4.4CANopen预定义连接集
4.5CANopen标识符分配
4.6CANopen Bootup过程
4.7CANopen消息语法细节
4.7.1NMT模块控制(NMT Module Control)84
4.7.2NMT节点保护(NMT Node Guarding)84
4.7.3NMT Bootup86
4.7.4过程数据对象(PDO)86
4.7.5服务数据对象(SDO)86
4.7.6应急指示对象(Emergency Object)89

第5章POWERLINK基本原理91
5.1POWERLINK概述
5.1.1POWERLINK物理层91
5.1.2POWERLINK数据链路层92
5.1.3POWERLINK应用层99
5.2POWERLINK数据帧
5.2.1SoC数据帧结构113
5.2.2Preq数据帧结构113
5.2.3Pres数据帧结构114
5.2.4SoA数据帧结构115
5.2.5ASnd数据帧结构116
5.3POWERLINK网络性能
5.3.1网络连接117
5.3.2多路复用117
5.3.3通信性能118
5.3.4网络配置118
5.3.5诊断故障118
5.3.6性能参数118
5.4POWERLINK网络拓扑
5.4.1网络拓扑概述119
5.4.2寻址方式119
5.5POWERLINK冗余
5.5.1双网冗余119
5.5.2环形冗余122
5.5.3多主冗余127
5.5.4冗余系统的典型拓扑结构134

第6章POWERLINK网络的组建与配置136
6.1POWERLINK网络的组建
6.2从站发送配置之网络参数配置(0x18xx)
6.3从站发送配置之映射参数配置(0x1A00)
6.4从站接收配置之网络参数配置(0x14xx)
6.5从站接收配置之映射参数配置(0x1600)
6.6主站发送参数的配置过程
6.7手工组建POWERLINK网络
6.7.1配置主站和每一个从站的网络参数和映射参数140
6.7.2用户自己定义一些变量141
6.7.3调用Ep1ApiLinkObject()将用户自定义的变量和object连接141
6.7.4在AppCbSync(void)函数里编写自己的程序142
6.8使用openCONFIGURATOR组建POWERLINK网络
6.8.1openCONFIGURATOR的安装143
6.8.2openCONFIGURATOR的使用143

第7章POWERLINK的实现150
7.1基于Windows的实现
7.1.1手动配置Windows主站和从站150
7.1.2设置从站的参数153
7  1.3用openCONFIGURATOR配置Windows主站和从站155
7.2基于Linux的POWERLINK的实现
7.2.1Linux的内核版本和实时补丁156
7.2.2Linux的POWERLINK主从站程序应用156
7.2.3以太网的驱动程序157
7.2.4Linux的demo157
7.2.5Linux的编译选项157
7.2.6cmake编译157
7.3基于FPGA的POWERLINK的实现
7.3.1基于FPGA的POWERLINK的硬件架构160
7.3.2POWERLINK和用户的应用在同一个FPGA上161
7.3.3基于FPGA的系统架构161
7.4基于ALTERA的FPGA的实现
7.4.1软件和硬件162
7.4.2FPGA程序的编译和下载163
7.4.3编译Quartus工程163
7.4.4编译NiosⅡ工程163
7.4.5在Eclipse中运行Nios程序164
7.4.6PC主站程序的编译165

第8章POWERLINK通信诊断167
8.1所需软件Wireshark简介
8.2Wireshark使用方法
8.2.1下载及安装167
8.2.2网络连接167
8.2.3运行Wireshark167
8.2.4Wireshark数据分析167
8.3POWERLINK通信错误处理
8.3.1错误处理机制169
8.3.2POWERLINK可能出现的错误169
8.3.3各种错误对应的对象字典中的对象170

第9章POWERLINK技术应用实例171
9.1POWERLINK 贝加莱主站配置过程
9.1.1硬件架构171
9.1.2软件条件171
9.1.3配置过程171
9.2Ethernet POWERLINK在机器控制领域的应用
9.2.1Ethernet POWERLINK的起源188
9.2.2Ethernet POWERLINK在CNC与机器人领域的应用188
9.2.3Ethernet POWERLINK在高动态同步运动控制领域的应用190
9.3Linux操作系统下的POWERLINK主站和从站通信
9.3.1环境搭建192
9.3.2通信过程192
9.3.3主站发送参数的配置过程193
9.3.4从站接收配置之通信参数配置193
9.3.5操作过程193
9.4Ethernet POWERLINK在舞台机械控制系统中的应用
9.4.1Ethernet POWERLINK的实现方式206
9.4.2网络结构及配置207
9.4.3硬件设计组成208

参考文献210

现场总线作为目前自控领域的新技术，具有开放性、互操作性、全分布等优势。工业以太网技术是现代自动控制技术和信息网络技术相结合的产物。而现场总线与其新实时以太网技术POWERLINK技术相结合是下一代自动化设备的标志性技术，是改造传统工业的有力工具，同时也是信息化带动工业化的重点方向。
本书从工程实际应用出发，全面系统地介绍了现场总线与实时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9章，从现场总线技术及工业以太网技术的基本概念开始，结合贝加莱公司产学合作综合改革项目，侧重阐述了实时以太网技术POWERLINK的实现与应用。本书各章节循序渐进，环环相扣，内容完整，实用性强。首先介绍了现场总线技术及工业以太网技术的相关概念，为后文的控制网络基础打下基础。进而详细阐述了工业以太网技术、CANopen协议、POWERLINK基本原理、POWERLINK的网络组建与配置、POWERLINK的实现、POWERLINK的通信诊断及处理。后阐述了一些有代表性的POWERLINK案例分析及具体应用实例。
本书可作为高等院校自动化、测控技术及仪器、计算机应用、信息工程、机电一体化方向的本科生、专科生的教材，也可作为从事现场总线与工业以太网技术及其应用系统设计的工程技术人员自学参考用书或作为培训教材使用。
本书由哈尔滨石油学院的贾鸿莉、吴玲任主编，陈泮洁、朱宝忠任副主编，刘强、刘美丽、高峰、宁晶、王丹、王聃、魏艳波、纪大伟、徐秀丽、喻宏飞、赵秋英、周微、王永辉、王智伟、韩大伟、毛雷、薛海霞、王剑宇、王晓峰、赵婧、徐宏莉、李长城、李克媛、于淼等参加了本书的资料整理工作。
全书的内容编写安排如下：第1、2、3章由贾鸿莉编写，第4章由朱宝忠编写，第6章由刘强编写，第7章由陈泮洁编写，第5、8、9章由吴玲编写，全书由吴玲统稿及校稿。
本书在编写的过程中参考了相关的书刊和网上的有关资料，吸取了多方面的宝贵意见和建议，得到了领导和同行们的大力支持，在此谨表谢意！
由于水平和经验有限，书中难免有不足之处，敬请广大同仁和读者批评指正。

编者