新编《信息、控制与系统》系列教材：工业数据通信与控制网络 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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阳宪惠 著

图书标签:

• 工业通信
• 控制网络
• 信息、控制与系统
• 数据通信
• 工业控制
• 网络技术
• 自动化
• 传感器网络
• 协议标准
• 实时通信

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302062929

版次：1

商品编码：11360585

品牌：清华大学

包装：平装

丛书名： 新编《信息、控制与系统》系列教材

开本：16开

出版时间：2013-08-01

用纸：胶版纸

页数：481

字数：648000

正文语种：中文

内容简介

　　《新编<信息、控制与系统>系列教材：工业数据通信与控制网络》是《现场总线技术及其应用》一书的姐妹篇，它扩充了许多自1998年以来新近出现和有发展前景的技术内容，例如工业以太网、汽车内部网络、第3代LonWorks技术、控制网络中的互联网技术等，并囊括了已被列入ISO，IEC国际标准的13种现场总线以及其他一些有影响、有实力的控制网络技术。随着技术的不断发展，该领域的技术内容不断丰富，已形成较为完整的工厂底层网络系统与控制系统，不再局限于通信标准与通信技术。鉴于“现场总线”一词无论是中文还是英文，都难以完整地表达控制网络现今的技术内涵，因而本书冠名《工业数据通信与控制网络》。

内页插图

目录

第1章 绪论
第2章 数据通信基础
第3章 控制网络基础
第4章 通用串行端口的数据通信
第5章 CAN通信技术与汽车内部网络
第6章 FF通信技术与控制网络
第7章 PROFIBUS
第8章 LonWorks控制网络
第9章 共有以太网
第10章 几种控制网络的特色技术
第11章 工业数据通信中的OPC技术
参考文献

精彩书摘

　　由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度的开销、难度都较大，信号传输的抗干扰能力也较差，因此人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，从而出现了直接数字控制。由于当时数字计算机的技术尚不发达，计算机价格昂贵，人们企图用一台计算机取代尽可能多的控制室仪表，于是出现了集中式数字控制系统。但当时计算机的可靠性还较差，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有相关控制回路瘫痪，生产停产的严重局面，这种危险集中的系统结构很难为企业所接受。
　　随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程控制器PLC以及由多个计算机递阶构成的集中与分散相结合的集散控制系统。这就是今天正在被许多企业采用的DCS系统。在DCS系统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混合系统。这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步，可在此基础上实现装置级、车间级的优化控制。但是在DCS系统形成的过程中，由于受计算机系统早期存在的系统封闭的缺陷影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在一起，所以难以实现互换与互操作，组成更大范围信息共享的网络系统存在很多困难。
　　控制网络则突破了DCS系统中因专用网络的封闭造成的缺陷，采用开放化、标准化的解决方案，把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设备连接成控制网络，组合成各类控制系统，实现综合自动化的各种功能。这就是新型的网络集成式控制系统。它改变了DCS系统中模拟、数字信号混合，一个简单控制系统的信号传递需历经从现场到控制室，再从控制室到现场的往返专线传递过程。由于控制网络中的作为节点的现场仪表具备通信与数字计算能力，依靠几个位于生产现场的控制设备之间的数据通信便可支持多种控制功能，因而这种在控制网络支持下完全在生产现场形成的控制系统结构，又称为全分布式控制系统。
　　应该指出的是，在发展日新月异的时代，控制系统的结构形式也不是一成不变的。现场总线技术的出现与发展，对DCS系统造成了强大的影响与冲击，一些DCS制造商正在改变DCS的结构，使它朝着开放、兼容的方向前进。
　　1．2．2 网络集成式控制系统的特点
　　首先，控制网络改变了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路的信号传递需要连线。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接。
　　……

前言/序言

　　工业数据通信与控制网络是近年来发展形成的自控领域的网络技术，是计算机网络、通信技术与白控技术结合的产物。随着自动控制、计算机、通信、网络等技术的发展，企业的信息集成系统正在迅速壮大，将覆盖从现场控制到监控、市场、经营管理的各个层次以及从原料采购到生产加工的各个环节，并将一直延伸到成品储运销售乃至世界各地市场的供需链全过程，以适应企业管理控制一体化的应用需求。企业信息系统的发展对工业数据通信的开放性、底层控制网络的功能及性能都提出了更高的要求，也促进了该项技术的发展。
　　现场总线作为当今自动化领域的热点技术，已逐渐为人们所认知。《现场总线技术及其应用》一书自1999年出版，至今已5次印刷，发行近两万册，从一个侧面反映了该项技术的发展势头。本书是《现场总线技术及其应用》一书的姐妹篇，它扩充了许多自1998年以来新近出现和有发展前景的技术内容，例如工业以太网、汽车内部网络、第3代LonWorks技术、控制网络中的互联网技术等，并囊括了已被列入ISO，IEC国际标准的13种现场总线以及其他一些有影响、有实力的控制网络技术。随着技术的不断发展，该领域的技术内容不断丰富，已形成较为完整的工厂底层网络系统与控制系统，不再局限于通信标准与通信技术。鉴于“现场总线”一词无论是中文还是英文，都难以完整地表达控制网络现今的技术内涵，因而本书冠名《工业数据通信与控制网络》。希望本书能对我国工业数据通信与控制网络领域的研究开发与技术培训起到积极的推动作用。
　　全书共分11章。第1，2，3，4，6，9，10，11章由清华大学阳宪惠编写；第8章由航天信息股份有限公司的陈懿、徐琳华、孙葆青编写；第5章的2～4节、第6章的第10节和第7章主要章节的内容取自《现场总线技术及其应用》一书的相关章节，原编写者分别是清华大学的张文学、杨佃福、邓丽曼。重庆英特莱科技有限公司万定钦高级工程师对6．10．3节进行了改编。上述编著者近年来都在工业数据通信与控制网络领域从事研究开发工作，收集整理了大量国内外资料，本书是编著者成果的集中体现。
　　本书在编写过程中，得到了清华大学徐用懋教授、中国航天科工集团公司魏庆福教授的关心与指导，他们对全文作了认真审阅，并提出了修改意见。空军指挥学院张白维教授参与了本书的部分编写整理工作。本书还得到了清华大学自动化系的有关领导、专家学者以及清华大学985教材编写基金的支持，在此一并致以诚挚的谢意。
　　由于编著者水平有限，工业数据通信与控制网络技术正处于发展之中，本书编写中的缺陷在所难免，恳请读者批评指正。
　　阳宪惠
　　2003年1月

工业数据通信与控制网络：系统互联与智能制造的基石 在当今工业飞速发展的时代，智能制造、工业物联网（IIoT）以及工业4.0的浪潮正以前所未有的力量重塑着传统的生产模式。这些变革的核心驱动力之一，便是实现工业现场设备之间、系统之间的高效、可靠、实时的通信与协同。由此，工业数据通信与控制网络作为连接这一切的神经系统，其重要性不言而喻。本书旨在深入剖析这一关键领域，为读者构建起一套系统性的知识框架，理解并掌握现代工业生产过程中数据如何流动、指令如何传递、设备如何协同，从而为构建更智能、更高效、更具竞争力的工业体系提供坚实的技术支撑。 一、 工业通信的演进与基础 工业通信并非一蹴而就，而是经历了漫长而深刻的演进过程。从最初的点对点模拟信号传输，到串行通信的初步发展，再到现场总线技术的诞生，直至如今以太网为基础的工业物联网时代，每一次技术的革新都极大地提升了工业生产的自动化水平和智能化程度。 本书将首先回顾工业通信技术的发展历程，梳理其关键里程碑。我们将深入探讨早期工业通信面临的挑战，例如信号衰减、干扰、通信距离限制以及非标准化带来的互操作性难题。在此基础上，详细介绍串行通信协议（如RS-232, RS-485）的基本原理、电气特性、通信方式，以及它们在特定工业场景下的应用及其局限性。 紧接着，我们将聚焦于现场总线（Fieldbus）技术的出现及其对工业自动化的革命性影响。现场总线作为一种用于现场设备之间通信的总线标准，实现了传感器、执行器、控制器等底层设备数据的数字化、标准化传输，极大地简化了布线，提高了通信效率和可靠性。我们将深入剖析几种主流的现场总线技术，如： PROFIBUS (Process Field Bus)：作为一种广泛应用于过程控制和离散制造领域的现场总线，我们将详细介绍其DP（Decentralized Peripherals）和PA（Process Automation）两个主要配置，探讨其通信机制、拓扑结构、数据报文格式、主从站原理以及在不同应用场景下的优势。 Modbus：一种简单、开放的串行通信协议，至今仍在许多工业设备中扮演重要角色。本书将深入解析Modbus RTU（Remote Terminal Unit）和Modbus TCP（Transmission Control Protocol）的版本，重点讲解其功能码、数据模型、寻址方式以及在PLC、HMI等设备间的应用。 CAN (Controller Area Network)：最初为汽车电子设计，但其高可靠性、实时性和多主站特性使其在工业领域也得到广泛应用。我们将详细讲解CAN总线的帧结构、总线仲裁机制（CSMA/CD+AMP）、错误检测与处理机制，以及其在运动控制、嵌入式系统中的应用。 DeviceNet：基于CAN总线，并引入了对象模型和ACD（Attribute, Class, Device）的概念，旨在实现设备间的即插即用。本书将阐述DeviceNet的结构、通信对象、节点类型以及其在工业控制系统中的部署。 EtherNet/IP (Industrial Protocol)：作为一种基于以太网的工业通信协议，它结合了标准以太网的灵活性与工业控制的需求。我们将深入研究EtherNet/IP的CIP（Common Industrial Protocol）层，分析其对象模型、通信服务以及在现代化工业自动化中的地位。 通过对这些经典现场总线技术的深入剖析，读者将能够深刻理解工业通信从“点对点”到“多对多”的转变，以及它们在不同应用场景下的选择依据和集成方法。 二、 工业以太网与工业物联网（IIoT） 随着信息技术与工业技术的深度融合，基于标准以太网的工业通信技术迅速崛起，并逐渐成为工业通信的主流。工业以太网（Industrial Ethernet）在保留标准以太网高带宽、低成本优势的同时，通过引入实时性、确定性、高可靠性等特性，成功满足了工业自动化对通信严苛的要求。 本书将重点介绍工业以太网的核心技术及其关键协议： 实时以太网（Real-time Ethernet）：这是工业以太网区别于传统办公室以太网的关键所在。我们将详细阐述实现实时性的各种技术，例如： 时间触发（Time-Triggered）：如EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）中的应用，其通过精确的时间同步和周期性帧传输，实现极低的抖动和高精度的同步控制，尤其适用于运动控制和高速同步应用。本书将深入解析EtherCAT的“从站处理”机制（One-frame-per-slave-processing）以及其分布式时钟（Distributed Clocks）原理。 事件触发（Event-Triggered）：如PROFINET（Process Field Network）中的IRT（Isochronous Real-Time）技术，结合了时间触发和事件触发的优势，为对实时性要求极高的应用提供解决方案。我们将分析PROFINET的通信模型、报文类型（RT, IRT）、网络结构以及其在不同应用等级（Class A, B, C）下的性能表现。 其他实时以太网技术：还将简要介绍其他如POWERLINK、SERCOS III等具有代表性的实时以太网技术，分析它们的特点与适用范围。 工业物联网（IIoT）协议：在工业以太网的基础上，IIoT协议进一步推动了工业数据的互联互通与智能化分析。我们将重点介绍： MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)：作为一种轻量级的发布/订阅消息协议，MQTT在IIoT中扮演着至关重要的角色。本书将详细讲解MQTT的 Broker、Publisher、Subscriber模型，主题（Topic）结构，QoS（Quality of Service）等级，以及它在设备数据采集、远程监控、边缘计算中的广泛应用。 CoAP (Constrained Application Protocol)：一种专为受限网络设备设计的应用层协议，与MQTT类似，但更侧重于RESTful风格的通信。我们将分析CoAP的请求/响应模式、资源模型以及其在低功耗、低带宽的IIoT设备中的优势。 OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture)：作为一种跨平台、面向服务的工业通信协议，OPC UA旨在实现不同厂商、不同平台之间的互联互通，打破信息孤岛。本书将深入解析OPC UA的信息模型、服务模型、传输协议（TCP, UDP, HTTP）以及其在数据集成、信息共享、云平台对接中的核心作用。 三、 控制网络的设计、部署与优化 理解了各种通信协议和技术之后，如何根据实际需求设计、部署和优化一个稳定、高效的工业控制网络至关重要。本书将提供一套系统性的网络设计与管理指导。 网络拓扑结构：我们将分析各种常见的工业网络拓扑结构，如星型、总线型、环型、星型-总线型等，讨论它们各自的优缺点、适用场景以及在可靠性、可扩展性方面的考量。 通信介质与硬件选型：详细介绍工业通信中常用的传输介质，如铜缆（双绞线、同轴电缆）、光纤、无线通信（Wi-Fi, LoRa, 5G），并分析它们在传输速率、抗干扰能力、传输距离、成本等方面的差异，为读者提供选型依据。同时，将探讨工业级交换机、路由器、网关、AP等硬件设备的关键选型要素，如接口类型、速率、冗余设计、防护等级等。 网络安全：在工业控制系统中，网络安全已不再是可选项，而是必须项。我们将深入探讨工业网络面临的安全威胁，如未经授权访问、数据篡改、拒绝服务攻击等，并介绍工业网络安全的基本原则、常用技术和策略，包括防火墙、VPN、访问控制、加密技术、安全审计等，以及如何构建分层防御的安全体系。 网络诊断与故障排除：掌握有效的网络诊断和故障排除方法是保障工业生产连续性的关键。本书将介绍常用的网络诊断工具（如Wireshark、Ping、Traceroute等）及其在工业场景下的应用，分析常见的网络故障现象（如丢包、延迟、连接中断等），并提供系统性的故障定位和排除步骤。 网络性能优化：为了最大限度地提升工业网络的效率和可靠性，需要进行持续的性能优化。我们将探讨带宽管理、流量整形、QoS策略、链路聚合等技术，以及如何通过网络监控和分析来识别性能瓶颈并采取相应措施。 四、 行业应用案例分析 理论结合实践，本书将通过多个典型行业的应用案例，生动展示工业数据通信与控制网络在实际生产中的部署与效益。这些案例可能涵盖： 离散制造业：如汽车制造、电子产品组装，重点分析其对高精度运动控制、柔性生产线协同通信的需求，以及如何利用实时以太网和工业物联网技术实现智能化排产与调度。 过程控制行业：如石油化工、电力能源、制药，重点分析其对数据采集、远程监控、安全可靠通信的要求，以及现场总线和OPC UA在实现过程自动化与生产优化中的作用。 智能楼宇与智慧城市：展示工业通信技术如何在楼宇自动化、交通控制、环境监测等领域发挥作用，实现能源管理、安全监控的智能化。 物流与仓储自动化：分析AGV（自动导引车）通信、机器人协同、仓储管理系统（WMS）集成等场景下对低延迟、高可靠通信的需求。 通过对这些案例的深入剖析，读者将能够更直观地理解本书所介绍的理论知识如何应用于解决实际工业问题，并从中汲取经验。 总结 本书将带领读者踏上一段深入了解工业数据通信与控制网络的探索之旅。从通信技术的演进，到关键协议的详解，再到网络的设计、部署与优化，以及丰富的行业应用案例，本书力求构建一个全面、系统、实用的知识体系。掌握工业数据通信与控制网络，就是掌握连接现实世界与数字世界、驱动工业智能化的关键钥匙。我们相信，本书将成为所有致力于推动工业自动化、智能化发展的工程师、技术人员、研究者以及相关领域学生的宝贵参考。

评分☆☆☆☆☆

我的研究领域涉及复杂系统的建模与仿真，对于如何有效地在这些系统中实现信息的传递和协同控制，我一直非常关注。这套新编《信息、控制与系统》系列教材，特别是《工业数据通信与控制网络》这一卷，对我来说具有特殊的吸引力。我渴望在这本书中深入探究工业控制网络的设计原理和性能评估方法。例如，对于一个大规模的分布式控制系统，如何选择合适的网络拓扑结构以平衡通信效率、成本和可靠性？书中是否会介绍一些关于网络带宽规划、时延分析和吞吐量优化的量化方法？我特别关注书中对于不同工业通信标准（如OPC UA、EtherNet/IP、PROFINET等）在互操作性、扩展性和安全性方面的比较和分析。我希望了解如何利用这些标准来实现异构系统之间的无缝通信，以及在实际应用中可能遇到的挑战和解决方案。此外，我也对书中关于网络诊断、故障检测和性能优化的技术感兴趣。如果能结合一些仿真案例，演示如何通过分析网络数据来识别潜在问题并改进系统性能，那将对我的研究工作极有助益。我期待这本书能为我提供一个更深层次的视角，理解工业数据通信与控制网络如何支撑复杂系统的智能化发展。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出版，无疑为正在学习信息、控制与系统领域的我，带来了一缕清风。虽然我目前主要关注的是理论基础和经典模型，但对于如何将这些知识转化为实际生产力，我一直感到有些迷茫。这套新编教材的出现，恰好填补了我在这方面的知识空白。我尤其期待它在“工业数据通信与控制网络”这一模块的深入探讨。想象一下，将复杂的控制算法通过高效稳定的网络传输，实现远程监控和智能决策，这其中的奥秘令人着迷。我希望书中能够详细介绍当前主流的工业通信协议，比如Ethernet/IP、PROFINET、Modbus TCP等等，并不仅仅停留在概念层面，而是能结合实际案例，讲解它们在不同工业场景下的应用优势和技术细节。例如，在离散制造领域，需要高实时性和精确同步的网络；而在过程控制领域，则可能更侧重于数据的可靠性和安全性。我渴望了解这些不同需求是如何通过选择合适的网络架构和通信方式来满足的。同时，书中关于网络安全和容错机制的介绍，也是我非常看重的部分。毕竟，工业控制系统一旦出现故障，后果不堪设想。如果书中能提供一些实用的安全防护策略和故障诊断方法，那将是对我未来学习和工作的巨大帮助。我非常相信，通过深入学习这本书，我能够更好地理解工业自动化和智能制造的底层逻辑，为将来的学术研究和实际应用打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在自动化生产一线摸爬滚打了多年的工程师，深知实际操作经验与理论知识相结合的重要性。近年来，随着工业4.0和智能制造概念的深入人心，我越来越感受到传统控制系统在数据传输和互联互通方面的瓶颈。这次看到这套新编《信息、控制与系统》系列教材，特别是其中的《工业数据通信与控制网络》分册，我的眼睛立刻亮了起来。我迫切希望这本书能为我提供一些切实可行、可以直接应用于生产现场的解决方案。比如，在面对不同品牌、不同协议的设备互联时，如何有效地实现数据采集和信息共享？书中是否会介绍一些跨协议的网关技术或者中间件的应用？我最关心的是，它能否帮助我理解不同工业网络拓扑结构（如星型、总线型、环型）的优劣势，以及在实际部署时需要考虑哪些关键因素，例如带宽需求、时延要求、可靠性级别等等。我希望书中能有一些关于如何设计、实施和维护高效、可靠的工业控制网络的详细指南，最好能包含一些实际的网络配置实例和故障排除技巧。我知道，这不仅仅是学习理论，更是关于如何让生产线跑得更顺畅、更智能的“硬核”知识。如果这本书能像一本“工业通信宝典”一样，为我们这些一线工程师提供实实在在的帮助，那将是无价的。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对前沿技术充满好奇心的在校研究生，我对控制理论的最新进展和跨学科融合的应用方向有着浓厚的兴趣。这套新编《信息、控制与系统》系列教材，尤其是《工业数据通信与控制网络》这一卷，引起了我极大的关注。我非常期待这本书能够提供关于当前工业界最热门的通信技术和网络架构的深度解读。例如，随着物联网（IoT）在工业领域的广泛应用，我想了解工业物联网（IIoT）的具体实现方式，包括其在传感器数据采集、设备状态监控、远程故障诊断等方面的应用。书中是否会深入探讨MQTT、CoAP等轻量级通信协议在IIoT中的作用？我同时也对5G通信技术在工业控制网络中的潜在应用感到兴奋，这本书是否会介绍5G在提升数据传输速率、降低时延、支持海量设备连接等方面的优势，以及它如何推动柔性制造和智能工厂的发展？此外，关于边缘计算和云计算在工业数据通信中的集成应用，以及如何利用大数据分析和人工智能技术来优化控制网络性能，这些都是我非常希望在书中找到答案的。我希望这本书不仅能梳理现有技术，更能展望未来发展趋势，为我的研究方向提供新的启示。

评分☆☆☆☆☆

我对信息系统架构和网络通信的演进历程一直抱有浓厚的兴趣，尤其关注其在工业领域的具体落地和实践。这套新编《信息、控制与系统》系列教材，特别是《工业数据通信与控制网络》这本，在我看来，是连接理论与实践的一座重要桥梁。我非常希望能在这本书中找到对工业控制系统通信协议的演变历史和技术特点的清晰梳理。从早期的串行通信，到如今的以太网为基础的各类工业现场总线，再到面向未来的工业物联网通信标准，我希望能有一个循序渐进的讲解。我特别想了解不同协议在实时性、确定性、可靠性、带宽以及应用成本等方面的权衡和选择。例如，在对实时性要求极高的运动控制领域，哪些协议更具优势？而在需要传输大量传感器数据的过程控制领域，又有哪些是更优的选择？我同时也希望书中能够包含一些关于工业网络安全方面的深入探讨，例如如何防止未经授权的访问、数据篡改以及网络攻击，并提供一些行之有效的安全防护措施和应对策略。我期待这本书能像一本详实的工业通信“操作手册”，为我理解和应用这些技术提供坚实的知识基础。

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书质量不错，用它考了一次试就束之高阁了。。。

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