工业现场网络通信技术应用及实践

本书包括5个项目、16个任务、14个实训。项目1为工业现场网络通信技术认知, 介绍了工业控制网络的结构、分类, 现场总线的结构、特点、现状及常用的现场总线, 以及现场总线通信的基本知识。项目2为PROFIBUS网络控制系统构建与运行, 阐述了PROFIBUS的分类、传输技术、系统配置, 并以西门子PLC为例说明了PROFIBUS控制系统的构建方法。项目3为Modbus网络控制系统构建与运行, 阐述了Modbus的工作方式、报文格式、Modbus RTU功能码, 并以西门子PLC与RS485仪表为例说明了Modbus控制系统的构建方法。项目4为CC-Link现场总线通信系统的构建, 阐述了CC-Link的主要功能、结构特点、通信方式, 并以三菱Q系列PLC与FX系列PLC为例说明了CC-Link控制系统的构建方法。项目5为工业以太网控制系统的构建与运行, 阐述了工业以太网技术及其优势, 并说明了PROFINET网络的远程I/O控制系统、PLC之间的控制系统、运动控制系统的构建方法。

项目 1 工业现场网络通信技术认知 .......................................................................... 1 任务 1.1 工业控制网络 ............................................................................................... 2 1.1.1 什么是工业控制网络 ........................................................................................ 2 1.1.2 工业控制网络的特点 ........................................................................................ 2 1.1.3 工业控制网络的结构 ........................................................................................ 3 1.1.4 工业控制网络的分类 ........................................................................................ 5 1.1.5 工业控制系统的发展 ........................................................................................ 6 任务 1.2 现场总线技术认知 ...................................................................................... 7 1.2.1 现场总线的认知 ................................................................................................ 7 1.2.2 现场总线的结构概述 ........................................................................................ 8 1.2.3 现场总线的特点 .............................................................................................. 12 1.2.4 现场总线的本质 .............................................................................................. 13 1.2.5 现场总线的现状 .............................................................................................. 15 1.2.6 常用的现场总线 .............................................................................................. 16 任务 1.3 现场总线的通信认知 ................................................................................. 20 1.3.1 数据通信的基本认知 ...................................................................................... 20 1.3.2 通信传输技术 .................................................................................................. 22 1.3.3 网络拓扑结构 .................................................................................................. 31 1.3.4 网络控制方法 .................................................................................................. 32 1.3.5 数据交换技术 .................................................................................................. 33 1.3.6 差错控制技术 .................................................................................................. 34 1.3.7 网络互连设备 .................................................................................................. 36 1.3.8 常用工业控制设备及通信协议 ...................................................................... 38 1.3.9 现场总线控制网络 .......................................................................................... 39 实训 1.1 实训设备认知 ............................................................................................... 实训 1.2 实训设备操作 .............................................................................................41 思考与练习 .................................................................................................................42 项目 2 PROFIBUS 网络控制系统构建与运行 ........................................................... 43 任务 2.1 PROFIBUS 认知 ...........................................................................................44 2.1.1 PROFIBUS 的特点.......................................................................................... 44 2.1.2 PROFIBUS 的分类.......................................................................................... 45 2.1.3 PROFIBUS 通信协议概述 .............................................................................. 46 2.1.4 PROFIBUS 传输技术 ...................................................................................... 48 2.1.5 PROFIBUS 系统配置 ...................................................................................... 52 任务 2.2 S7-1200 PLC 之间的 PROFIBUS-DP 控制系统构建与运行 .................. 55 2.2.1 PROFIBUS-DP 控制系统的网络结构 ........................................................... 55 2.2.2 PROFIBUS-DP 控制系统的工作过程 ........................................................... 56 2.2.3 S7-1200 PLC PROFIBUS-DP 电气连接及特性数据 .................................... 57 2.2.4 S7-1200 PLC 之间的 PROFIBUS-DP 控制系统构建 ................................... 57 任务 2.3 S7-1200 PLC 与 S7-1500 PLC 之间的 PROFIBUS-DP 控制系统构建与运行.... 63 2.3.1 控制要求 .......................................................................................................... 63 2.3.2 控制系统硬件配置及结构图 .......................................................................... 63 2.3.3 硬件组态 .......................................................................................................... 63 实训 2.1 两个 PLC 之间的 PROFIBUS-DP 通信系统设计 ........................................... 66 实训 2.2 多站设备的 PROFIBUS 网络控制系统构建 ................................................... 67 思考与练习 ......................................................................................................................... 68 项目 3 Modbus 网络控制系统构建与运行 ........................................................................... 69 任务 3.1 Modbus 认知 ..................................................................................................... 70 3.1.1 Modbus 认知概述............................................................................................ 70 3.1.2 Modbus RTU 通信 ........................................................................................... 73 任务 3.2 PLC 与 RS485 仪表的 Modbus 控制系统构建与运行 .................................... 79 3.2.1 控制要求 .......................................................................................................... 80 3.2.2 系统硬件设计 .................................................................................................. 80 3.2.3 Modbus RTU 指令 ........................................................................................... 85 3.2.4 系统软件设计 .................................................................................................. 90 学习拓展：PLC 与两个 RS485 仪表的通信设计 ..................................................... 94 任务 3.3 PLC 之间的 Modbus 控制系统构建与运行 .................................................... 94 3.3.1 RS485 连接器的接线 ...................................................................................... 94 3.3.2 硬件组态 .......................................................................................................... 95 3.3.3 主站软件编程 .................................................................................................. 95 3.3.4 从站软件编程 .................................................................................................. 98 3.3.5 监控测试 ........................................................................................................ 100 实训 3.1 PLC 与 RS485 仪表的 Modbus RTU 通信系统 ............................................. 101 实训 3.2 PLC 与两个 RS485 仪表的 Modbus RTU 通信系统 ..................................... 101 实训 3.3 两个 PLC 之间的 Modbus RTU 通信系统 ..................................................... 102 实训 3.4 触摸屏控制 PLC 与 RS485 仪表的 Modbus 通信 ......................................... 103 思考与练习 ....................................................................................................................... 104 项目 4 CC-Link 现场总线通信系统的构建 ......................................................................... 105 任务 4.1 CC-Link 现场总线技术认知 .......................................................................... 106 4.1.1 主要功能 ........................................................................................................ 106 4.1.2 CC-Link 的性能特点 .................................................................................... 107 4.1.3 通信协议 ........................................................................................................ 109 4.1.4 CC-Link 系统的结构 .................................................................................... 110 任务 4.2 三菱 Q 系列 PLC 与 FX 系列 PLC 的 CC-Link 控制系统的构建与运行 .... 112 4.2.1 控制要求 ........................................................................................................ 112 4.2.2 CC-Link 的网络控制系统结构设计 ............................................................. 112 4.2.3 CC-Link 通信硬件的组态 ............................................................................ 113 4.2.4 CC-Link 通信网络的组态 ............................................................................ 121 4.2.5 软件编程与运行调试 .................................................................................... 125 实训4.1 Q 系列 PLC 与FX 系列 PLC 的CC-Link 控制系统构建 .............................. 126 思考与练习 ....................................................................................................................... 127 项目 5 工业以太网控制系统的构建与运行 ........................................................................ 128 任务 5.1 工业以太网技术认知 ...................................................................................... 129 5.1.1 工业以太网的产生及认知 ............................................................................ 129 5.1.2 工业以太网的要求 ........................................................................................ 129 5.1.3 工业以太网的优势 ........................................................................................ 130 5.1.4 工业以太网应用于工业现场的关键问题 .................................................... 131 5.1.5 实时以太网 .................................................................................................... 132 5.1.6 几种主要的工业以太网 ................................................................................ 133 任务 5.2 PROFINET 网络的远程 I/O 控制系统构建与运行 ...................................... 136 5.2.1 远程 I/O 控制系统 ........................................................................................ 136 5.2.2 控制要求 ........................................................................................................ 137 5.2.3 GSD 文件 ....................................................................................................... 138 5.2.4 系统构建 ........................................................................................................ 141 任务 5.3 PROFINET 网络的 PLC 之间的控制系统构建与运行 ................................ 145 5.3.1 PLC 之间的 PROFINET 控制系统 .............................................................. 145 5.3.2 控制要求 ........................................................................................................ 146 5.3.3 系统构建 ........................................................................................................ 146 任务 5.4 PROFINET 网络的运动控制系统构建与运行 .............................................. 149 5.4.1 运动控制系统简介及其组成 ........................................................................ 149 5.4.2 S7-1200 PLC 运动控制方式简介 ................................................................. 150 5.4.3 PLC 的运动控制指令 ................................................................................... 151 5.4.4 PROFINET 网络的伺服运动控制系统构建 ................................................ 162 任务 5.5 Modbus TCP 网络的控制系统构建与运行 ................................................... 173 5.5.1 Modbus TCP 通信 ......................................................................................... 173 5.5.2 S7-1200/1500 PLC 之间的 Modbus TCP 通信控制系统 ............................. 174 5.5.3 S7-1500 PLC 之间的 Modbus TCP 仿真通信 .............................................. 185 实训 5.1 PROFINET 网络的远程控制系统构建与运行 .............................................. 191 实训 5.2 PLC 之间的 PROFINET 控制系统构建与运行 ............................................ 192 实训 5.3 PROFINET 网络的运动控制系统构建与运行 .............................................. 193 实训 5.4 Modbus TCP 网络的控制系统构建与运行 ................................................. 194 实训 5.5 综合实训 .......................................................................................................... 195 思考与练习 ....................................................................................................................... 196 参考文献 ........................................................................................................................... 197