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    2. 《現場總線技術及應用教程》
      發布部門:天啟自動化   發布時間:2010-11-24   瀏覽次數:

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      《現場總線技術及應用教程——從PROFIBUS到AS-i》
      王永華 A.Verwer(英)編著 唐濟揚 主審

      (特別說明:向使用該教材的高校任課講師提供電子課件)   

            內容簡介:本書以世界上和國內最流行的車間級現場總線PROFIBUS和底層設備級現場總線AS-Interface為主線,講解了現場總線技術的發展、基本概念、工作原理和實際應用。在書的開始,對工業自動化的發展歷程,以及在現場總線技術中使用的基礎知識進行了概括性的介紹;全書的重點內容是講解PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和AS-i的基本原理和具體應用,在此基礎上詳細剖析了DP-V0、DP-V1和AS-i的報文結構和含義,在重點章節中都給出了多個具體的應用實例;在書的最后,對工業以太網技術以及PROFINET進行了較全面的講解和介紹,對OPC和IEC61131-3語言這兩種和現場總線密切相關的技術也進行了深入淺出的講解。為方便高校和培訓機構作為教材使用,全書各章都配有大量的習題和思考題,在附錄A中配有11個實驗的指導書,此外作者向使用該書的教師提供電子課件。在其他附錄中還提供了精心編排的PROFIBUS常用信息速查表,羅列出了學習現場總線技術及下載相關軟件及文檔的常用網站網址。本書的使用對象主要是高等院校相關專業的本科生和研究生、各企業和設計院所的電氣工程技術人員。以作者的專業技術知識、實際應用經驗和寫作功底,相信這本書是一本值得使用的教材和參考資料,肯定能給廣大的讀者帶來較大的收獲。

            前 言

            如果要問起近十年來對工業自動化領域影響最深刻的技術是什么時,毫無疑問,答案應該是現場總線技術;如果要再問這種影響有多大時,那只有一個詞能夠表達:這種影響是“革命性”的!
            安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線稱為現場總線。它是3C技術——電子計算機(Computer)技術、控制(Control)技術和通信(Communication)技術高度發展并有機融合的結果,現場總線技術是全數字化、多點、串行和開放的通信和控制系統,所以它一經出現便展示出了強大的生命力和發展潛能?,F場總線解決了傳統控制系統中存在的許多根本性難題,比如控制系統底層信息化、控制精度、信號傳遞速度、抗干擾、降低成本等,它基本上奠定了未來計算機控制系統的發展方向?,F場總線技術以其不可比擬的開放性、交互性、自治性和適應性等特點為優勢,在工業自動化領域得到了廣泛的應用。
            由于現場總線技術給工業自動控制領域及相關產業所帶來的這場必然變革,其背后蘊藏著無限的商機和巨大的商業利益,所以世界上所有大的電氣設備及系統制造商都投入了大量的人力、財力和物力,加入了這場激烈的圍繞著現場總線標準和技術的戰爭。近20年來,國際上出現了200多種現場總線,其中有影響的也有幾十種。每種現場總線都力爭使自己成為國家或地區的標準,以擴張其勢力范圍,加強自己的競爭地位。盡管國際電工委員會從1985年就開始著手制定現場總線的國際標準,但由于巨大的、潛在的國家利益和集團利益,各大公司互不相讓,使得現場總線的國際標準耗時15年,而最終以妥協的方式通過。在這個現場總線國際標準IEC61158,即“用于測量和控制的數字數據通信——用于工業控制系統的現場總線”中,有8+2種總線標準。和現場總線相關的另外一個國際標準IEC62026是關于“低壓開關裝置和控制裝置用控制電路裝置和開關元件”的底層現場總線標準,其中也有6種總線標準。除此之外,還有一些現場總線技術,雖然它們沒有被列寫到這些標準中,但它們屬于其他一些國際標準。所以現場總線的現狀仍然是多種總線標準并列,群雄爭霸的局面,這些現場總線的命運將由其技術的先進性和其市場的占有率來決定,現在已出現了極少數現場總線占據大部分市場的勢頭。 
            我考察過國外的一個啤酒廠和一個風力發電設備制造公司,它們的自動化控制系統基本上都已采用現場總線技術,據報道現在國外新開工的大中型的自動控制項目80%以上采用了現場總線技術;我也考察了國內的多個煙草企業和水處理企業,特別是在煙草行業,幾乎100%的改造項目和新的制絲線都使用了現場總線控制系統。高等工科院校肩負著培養和造就工程技術人才的責任,在這場工業自動化技術革命的大潮中,我們更應該把握技術的發展前沿和方向?,F在不少院校的相關專業,如電氣自動化類、測控裝置及儀表類、制造業自動化類、化工工程自動化類等等專業都相繼開設了“現場總線技術及應用”課程,在不少院校還專門為研究生開設了該課程,這些院校在學科建設和課程建設方面都走在了前列。另外一些社會上的培訓機構也已開始進行現場總線技術方面的培訓工作。 
            正像上面所言,現在的現場總線有這么多種,作為一門課程開設,不可能把它們全都講到,當然這樣做也沒有任何必要。所以我們必須選其中的1~2種作為講解對象,但到底應該如何選擇?選擇什么作為教材中的核心內容呢?本教材的選擇原則是選取國際和國內市場占有率最高,而且技術先進的現場總線,選擇的結果就是IEC61158中的PROFIBUS和IEC62026中的AS-Interface。PROFIBUS屬于車間設備級的現場總線,AS-Interface屬于底層設備執行器和傳感器級的現場總線,這是兩種完全不同的現場總線,但又是在使用上可以互補的總線技術。它們在各自的應用層次上都是市場中的佼佼者,所以本書選擇它們作為主講內容是正確的和合適的。

      本書的具體結構

            本書共分四大部分,總共10章內容和5個附錄。
            
      第一部分:引子和基礎知識
            本部分包括三章內容。第1章結合實例回顧和分析了自動化控制技術的發展歷程,介紹了現場總線在工業控制網絡結構中的位置和作用;第2章以高度概括的方法總結提煉了在工業控制網絡中所要用到的網絡及通信的基礎知識,這些內容大家可能原來學習過,但重新溫習這部分知識,對學習現場總線技術是必須的;第3章詳細介紹了現場總線技術的基本概念以及和其相關的基礎內容,簡單介紹了幾種較常見的現場總線。
            第二部分:核心內容
            本部分是本書的中心,圍繞著PROFIBUS和AS-i來講解現場總線的原理及其應用技術,它包括五章內容。第4章詳細介紹了PROFIBUS的基礎知識;第5章詳細講解在制造業自動化中廣泛使用的PROFIBUS-DP的原理、應用和DP-V0報文的結構,這是本書最重要的章節;第6章詳細講解在過程控制系統中廣泛使用的PROFIBUS-PA的原理、應用和DP-V1報文的結構,此外還介紹了資產管理系統的使用,講解了最新的本質安全技術FISCO;第7章詳細講解最底層的現場總線AS-i技術及其應用,此外還介紹了AS-i Safety at Work技術。在5、6、7三章的最后都給出了這些技術應用的詳細實例。在第8章的開始,講解使用現場總線技術時必須考慮的一些問題,然后介紹了一些常用的DP、PA和SA-i產品,最后通過一個綜合實例,介紹了現場總線技術的應用。
           第三部分:后續技術和相關技術
            本部分包括兩章的內容,主要內容是現在比較熱的工業以太網技術,以及在現場總線中要使用的OPC技術和IEC61131-3編程語言。第9章首先概括總結了在工業以太網技術的學習中必須要掌握的有關基礎知識,如以太網和因特網中的相關技術,最后介紹了一種市場前景不錯的工業以太網技術——PROFINET;第10章講解了和現場總線密切相關的兩種技術——OPC和IEC61131-3,后者是現場總線時代必須掌握的PLC的標準編程語言。
            
      第四部分:重要附錄
            本部分包括5個主要的附錄。附錄A設計了11個實驗,它們是這門應用性很強的課程所必須具備的內容,每個實驗都包括實驗目的、使用設備及裝置、實驗內容和實驗報告要求等,該部分可為任課教師開設實驗提供指導;附錄B是PROFIBUS常用信息速查表,整理和羅列出了DP-V0和V1的幾乎所有有用的信息,它是PROFIBUS學習和使用者的“Bible”;附錄C是本書所使用的縮略語列表;附錄D提供了有可能為大家學習現場總線技術時帶來幫助的一些網站地址。為降低讀者的購書成本,本書去掉了隨書配帶的CD,讀者可以從我們提供的相關網站上下載所需要的軟件和其他文檔。
      另外,在每一章的最后都有對本章內容進行回顧和總結的“本章小結”,以及豐富的“思考題和練習題”。
            
      如何分配課時和授課內容
            本書既可以作為相關專業研究生、本科生的教材,也可以作為電氣工程師、電工等有關技術人員的參考資料和培訓教材。層次不同,所需要的授課內容、課時進度和實驗項目也會不同,下表給出一些指導性的建議,供授課教師參考。下表中一個課時為50分種,每個實驗所使用的課時數為2個,實驗個數和實驗內容請根據實際情況在附錄A中選擇,給學生布置的“思考題和練習題”也可進行適當選擇。

       

       

       

       

       
      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
      實驗
      總課時
      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
      技術人員培訓
      0
      0
      1
      2
      8
      8
      8
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      2
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            致謝
            首先感謝英國Manchester Metropolitan University工程與技術系首席講師、英國PROFIBUS資格中心(PROFIBUS COMPETENCY CENTRE,PCC)主任Andy.Verwer先生,經過他的允許,本書重要章節的部分內容和某些例子等都是在他培訓課程散頁講稿的基礎上,經過修改、補充后編寫的,雖然他不懂漢語,但他非常高興作為本書的合作作者。Andy為我在英國PCC的學習和工作提供了很好的條件和環境,使我完成了書中幾乎所有的演示實例和實驗。他熱忱、嚴謹的工作態度和敬業精神將是我學習的榜樣!
            感謝中國PROFIBUS專業委員會主席、機械工業自動化研究所原所長李百煌教授,作為PROFIBUS、IEC61131-3等標準的中國行業標準制定的領導者和專家,他對這些標準有著深刻的掌握和理解。他對本書的詳細架構,以及和標準有關的關鍵性的技術問題都提出了具體的意見和建議。他對晚輩在學術上的熱情指導和教誨使我難忘,從他身上我看到了一個大師的風范!
            感謝中國PCC主任唐濟揚教授,我和他相識于2004年在英國Ragley Hall舉行的首屆PROFFIBUS年會上,作為國內PROFIBUS技術的知名專家,他對PROFIBUS技術的發展和產品研究開發的前沿有著敏銳的把握。我非常感謝他在百忙之中抽出時間主審了本書,并提出了相關修改建議。
            感謝Endress+Hauser(E+H)(恩德斯豪斯(中國))公司的大力支持,感謝現場總線和過程控制領域的專家竇連旺博士,他為作者提供了E+H的技術資料,本書第6章中資產管理系統及其應用一節是在他一篇論文的基礎上修改而成的。
            感謝WAGO(萬可電子(中國))公司的大力支持,感謝孫宏偉先生、胥廣賀先生,特別感謝陳陽女士為作者提供的具體幫助。
            感謝BECKHOFF(倍福(中國))公司的大力支持,感謝梁力強總經理、安會民先生、劉衛列先生和江志軍先生。
            感謝ifm electronic(易福門電子)公司的大力支持,感謝洪正儀先生和程范煒先生。
            感謝Siemens(西門子)公司的李凱先生,特別感謝在siemens工作的我的學生李秀峰女士。
            感謝機械工業出版社電工電子分社牛建國社長和林春泉老師。
            感謝我指導的研究生王明武、徐群,特別感謝曹雪華同學。
            在寫作時,本書部分章節個別段落的內容參考了一些已出版的文獻,這些文獻已在書后的參考文獻中一一列出,在此我向這些文獻的作者表示衷心的感謝!
            最后我要真誠地感謝我的父親和母親,他們所給予我的最無私的愛是我永遠前進的強大動力,一想起這些,我就不敢有絲毫的懈怠,而只有更加刻苦勤奮地學習和工作。

            李霞、孫紅艷、焦彩霞、陳聰、鄭安平、孫玉勝、安小宇、江豪、李秀芳、韓曉林、趙海蘭、陳繼斌、楊存祥、康國磊、胡光武、馬照瑞、王華東、張志燕、張予生、段紅杰等同志參加了部分章節的編寫工作。
            本書作者主編的另一本書《現代電氣控制及PLC應用技術》正在熱銷中,該書曾獲得2004年度全國大學出版社協會優秀暢銷書一等獎。所以我也相信,以自己深厚熟練的寫作功底、對現場總線及其前沿技術的深入理解和把握、以及全面的應用經驗為基礎而完成的《現場總線技術及應用教程》一書,會是一本值得大家使用的教材和參考資料。同時也能為PROFIBUS、AS-i和IEC61131-3等技術在我國的推廣做出貢獻。
            對其他電類課程的實驗教學環節,在市場上都能找到成套的實驗設備和裝置,大家只需買來即可使用?,F場總線技術及應用課程則不同,其一是技術新;其二是實驗所用設備及裝置比較瑣碎?,F在市場上沒有合適的成套設備和裝置供用戶使用。所以對于籌建現場總線技術及應用實驗室的學?;騿挝?,如果需要,本書作者可提供具體的指導和幫助。本書還配有電子教案,限于時間和精力,該教案只向高等院校和培訓機構中使用本教材的任課教師提供。
            該書的完成花費了近兩年時間,雖然經過認真仔細的修改、校對,但由于作者在學術水平上的局限性和寫作過程中的疏漏,書中肯定還會有不正確、不準確的地方出現,不管是大錯還是小錯,我都希望廣大的讀者能給我指出來,以便再次印刷時改正。也歡迎大家來Email就PROFIBUS、AS-i和IEC61131-3方面的技術問題進行交流和探討,作者也歡迎和有關企業、公司進行產品開發、工程項目和研究課題方面的技術合作。作者的電子信箱是:
      wyh@zzuli.edu.cn

                                                            王永華

      2006年8月

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