现代工业控制网络是工业控制系统和工业互联网的中枢神经。现代工业控制网络与系统内容繁多且不断发展，其应用领域很广泛。本书依据HMS公司对现场总线的调研结果，紧密结合实际应用案例，以市场占有率较高的几类现场总线和工业以太网作为本书的重点进行介绍，包括FF和Profibus总线（PA和DP），Modbus（RTU和TCP）以及EtherNet/IP、ProfiNet和EtherCAT。本书对工业控制协议相关的网络模型、报文结构、通信机制、网络组态等均进行了深入讨论和分析，并对最新的EtherNetAPL和TSN通信技术进行了介绍。本书深入阐述了三个面向不同行业的工业控制网络与系统应用案例，对相关的控制网络与系统内容进行了深入剖析，从而帮助读者更好地学习工业控制网络与系统知识。
本书注重内容的系统性、准确性、新颖性与实用性，书中的程序都通过仿真或实物调试，可以指导读者进行类似的工程开发。
本书可作为自动化、电气工程及其自动化、机器人工程、智能制造等相关专业大学高年级本科生、研究生的参考教材，也可作为工业控制企业、自动化工程公司相关工程技术人员的参考书。

第1章现代工业控制网络与系统
基础111工业控制网络概述1
111从模拟信号到现场总线1
112从现场总线到工业以太网3
113现代工业控制网络的发展4
114工业控制网络信息传输及其性能
表征6
115工业控制网络的关键技术9
116工业无线通信12
12工业控制网络技术基础14
121串行通信及其应用案例14
122工业控制网络的拓扑结构及其与
计算机网络的比较20
123网络体系结构与参考模型22
124网络传输介质与介质访问控制24
125现代工业控制网络对工业控制
系统的支撑27
13物联网及云计算30
131物联网及其典型通信协议30
132云计算概述30
133云计算的特征、技术与挑战33
134边缘计算36
14工业互联网及智能传感器37
141工业互联网37
142工业互联网中的智能传感器39
143离散制造业典型传感器及其在
工业互联网中的应用40
15工业控制网络协议分析——以Modbus
为例45
151Modbus协议概述45
152Modbus协议及报文解析47
153Modbus通信协议安全漏洞分析
案例51
154工业控制网络协议分析器53
16现代工业控制系统及其应用54
161集散控制系统及其应用54
162监控与数据采集系统及其应用58
17工业控制系统下位机编程与人机界面
组态案例61
171下位机控制程序编程61
172人机界面组态67
思考题71
第2章现场总线技术及其应用案例72
21现场总线的发展与种类72
211现场总线的发展与应用72
212主要的现场总线73
22HART协议及其应用74
221HART协议概述74
222HART协议模型75
223HART命令分析示例77
23Profibus现场总线及其应用77
231Profibus现场总线技术77
232ProfibusDP总线及其应用79
233ProfibusPA现场总线91
234基于Profibus现场总线的过程控制
实验系统93
24FF及其应用案例103
241FF概述103
242FF结构模型与协议104
243FF在流程工业的应用案例109
25单绞线以太网与高级物理层及其应用
案例112
251单绞线以太网112
252高级物理层及其应用112
思考题115
第3章工业以太网及其应用案例116
31工业以太网基础知识116
311以太网及其结构模型116
312TCP119
313UDP123
314IP124
315主要的工业以太网128
316基于时间敏感网络的新型工业
以太网129
32Modbus TCP及其应用案例132
321基于Modbus TCP通信的协同式
数据采集132
322S71200控制器与研华ADAM
以太网模块协同数据采集案例133
323基于PC的Modbus TCP分布式
数据采集案例137
33ProfiNet工业以太网及其应用案例139
331ProfiNet工业以太网概述139
332ProfiNet协议的实时通信139
333ProfiNet IO141
334ProfiNet工业以太网应用案例143
34EtherNet/IP工业以太网146
341EtherNet/IP应用层协议CIP146
342EtherNet/IP通信协议模型与
数据封装152
343抓包分析EtherNet/IP工业
以太网报文154
35EtherCAT工业以太网158
351EtherCAT工业以太网概述158
352EtherCAT通信协议模型159
353EtherCAT的主站与从站及其
分布时钟162
36EtherNet/IP工业以太网在运动
控制中的应用案例163
361运动控制实验环境与设备163
362实验系统网络通信与运动控制
编程164
363运动控制系统上位机人机界面
设计170
37基于EtherCAT的运动控制与数据
采集系统案例176
371系统实验环境176
372建立工程并搜索设备177
373伺服驱动PDO配置178
374控制伺服运行180
375EtherCAT数据采集185
思考题187
第4章城市污水处理厂工业控制
网络与系统应用案例18841案例背景与概述188
42某城市污水处理厂工艺及其控制系统
功能要求189
421污水处理厂工艺流程189
422污水处理厂控制系统功能要求191
43污水处理厂SCADA系统设计192
44污水处理厂控制设备选型与配置198
441远程泵站PLC选型及VPN
通信198
4421#氧化沟PLC站设备配置与
ControlNet网络组态200
4433#氧化沟PLC站设备配置203
444电源配置204
45污水处理厂氧化沟PLC站控制程序
开发205
451氧化沟污水工艺控制要求与
程序总体设计205
4521#氧化沟PLC站硬件组态与软件
开发206
4533#氧化沟PLC站控制软件
开发209
46远程泵站与进水泵房典型设备PLC
程序开发212
47污水处理厂SCADA系统上位机软件
开发216
471上位机监控软件功能216
472监控软件开发217
473监控界面及其测试218
思考题222
第5章离散制造业工业控制网络与
系统应用案例22351引言223
52汽车安全气囊引爆组件注塑工艺与
设备223
521汽车安全气囊引爆组件注塑
工艺原理及生产现状223
522汽车安全气囊引爆组件注塑
系统组成与工艺流程225
53汽车安全气囊引爆组件注塑控制系统
设计226
531控制系统功能需求分析226
532工业机器人选型227
533成品质量检测机器视觉系统
选型228
534PLC选型与控制系统网络结构
设计230
54机器视觉引导系统设计233
541机器视觉引导系统设计概述233
542机器视觉引导系统工业相机
标定235
543目标工件示教237
544机器视觉引导系统程序设计237
55PLC控制系统程序开发238
551PLC控制系统的硬件组态238
552准备工位系统PLC程序设计239
553上下料控制PLC程序设计241
554故障报警处理PLC程序设计242
56工业机器人运动控制程序开发243
57成品质量检测程序开发247
571康耐视InSight Explorer视觉
软件247
572检测要求及程序设计247
573成品质量检测程序测试249
58HMI设计与开发250
59系统现场调试252
591系统现场调试内容与步骤252
592调试结果253
思考题256
第6章化工实验装置工业控制网络与
系统应用案例25761换热实验装置工艺及其控制257
62Anybus AB7007网关配置259
63Logix PLC控制系统配置与编程264
64HMI工程中OPC服务器的配置270
65上位机HMI组态设计272
66配置FactoryTalk View SE Client278
67系统调试与运行279
思考题283
参考文献284

现代工业控制网络包括现场总线、工业以太网、工业无线通信和物联网等不同网络，是工业控制系统和工业互联网的中枢神经。依赖工业控制网络实时、高效、可靠的数据传输，工业控制系统实现了横向和纵向的信息集成，从而确保工业控制系统的控制、监控、管理、优化和调度等功能集成得以实现。同时，工业控制系统为了面对企业对管控一体化和IT（Information Technology，信息技术）和OT（Operation Technology，操作技术）融合的挑战，也对工业控制网络和通信技术提出了新的要求。因此，工业控制网络与工业控制系统密不可分。
工业控制网络起始于现场总线，并在众多行业中得到成功应用，甚至产生了现场总线控制系统的理念，以期将控制功能彻底分散到现场。然而，现场总线使用中也暴露了较多问题，如种类繁多、异构网络互联成本高等。受益于商用以太网及互联网成功的鼓舞，工业以太网快速发展，已成为最有生命力的一类控制网络，其市场占有率已超过传统的现场总线，并且仍然在强劲发展。
现代工业控制网络与系统内容繁多且不断发展，其应用领域很广泛。现场总线种类繁多、内容庞杂，本书依据HMS公司对现场总线的调研结果，以市场占有率较高的现场总线和工业以太网作为本书的重点进行介绍。虽然传统现场总线市场占有率在下降，但是存量市场绝对值依然很大，因此，本书依然对主要的现场总线，如Profibus（PA和DP）、FF进行了较为详细的介绍。另外，本书结合应用案例，对主流的工业以太网，如ProfiNet、EtherNet/IP和EtherCAT进行了重点介绍；并对仍然有较高市场占有率、事实上的工业通信标准协议Modbus进行了深入分析；还对新型的单绞线以太网、以太网高级物理层（EtherNetAPL）和时间敏感网络（TSN）等最新的现代工业控制网络进行了分析。在工业控制系统内容的选取上，重点阐述了监控与数据采集（SCADA）系统和集散控制系统（DCS）。
工业控制网络与计算机网络以及衍生出来的控制网络信息安全相互交织，存在不少跨学科知识，这也给本书的编写带来了一定的困难。此外，该领域一定程度上存在理论与实践脱节的情况，有些书籍上介绍的控制网络知识已被淘汰，并不能反映实际工业现场的情况。因此，作者通过和工业自动化行业资深的设计工程师、项目工程师、项目经理和项目监理等不断交流，以获取更加全面和准确的工业现场知识，了解最新的工业控制网络与系统应用现状。例如，不少现场总线和工业控制类书籍都有“现场总线控制系统是DCS后的新一代控制系统，甚至要取代DCS”之类的描述，但实际上目前的DCS支持现场总线和工业以太网，是最主流的流程工业控制系统。相反，“纯粹”的现场总线控制系统在工业现场是无法满足用户需求的。工业现场大量使用现场总线（包括以太网）与现场总线控制系统是不能画等号的。关于这些内容，本书中都有详细的解释。另外，本书中的案例均来源于作者和学生的科研实践，力求使内容更加贴近工业实际，试图更好地把理论、技术与应用实践结合起来。
本书共有6章，主要内容介绍如下：
第1章是现代工业控制网络与系统基础，属于本书的重点。包括工业控制网络的发展、工业控制网络的种类、工业控制网络的关键技术、物联网及云计算、工业互联网及智能传感器等概述性知识。对工业控制网络体系结构和网络通信相关的必要基础知识也进行了介绍。特别是结合实例对Modbus协议进行了详细的分析，从而帮助读者理解通信协议相关的基础知识并学会分析工业通信协议。最后对工业控制系统的内容进行了阐述。
第2章是现场总线技术及其应用案例，主要介绍了HART协议，并结合案例对Profibus（含PA和DP）总线和FF进行了重点介绍。对最新的单绞线以太网与高级物理层也进行了介绍。虽然这属于工业以太网的内容，但高级物理层主要作为流程工业现场总线来取代FF和ProfibusPA，所以把这部分内容放在了本章。
第3章是工业以太网及其应用案例，是本书的重点部分。在介绍工业以太网基础知识时，结合实例对ProfiNet、EtherNet/IP和EtherCAT这三种使用最广泛的工业以太网进行了较详细的介绍，特别是利用Wireshark抓包来对部分典型工业控制通信协议进行了分析，以加深读者对于网络体系与协议的直观理解。在案例中还介绍了罗克韦尔公司最新的FactoryTalk Optix可视化平台。
第4章是城市污水处理厂工业控制网络与系统应用案例。详细阐述了污水处理厂工业控制网络设计、工业控制系统开发与调试的内容。对利用VPN（Virtual Private Network，虚拟专业网络）的污水处理厂控制网络进行了详细介绍。
第5章是离散制造业工业控制网络与系统应用案例。详细阐述了如何利用工业机器人与机器视觉改造传统的汽车安全气囊引爆组件注塑工艺，以实现智能生产和质量检测。
第6章是化工实验装置工业控制网络与系统应用案例。在分析化工过程对象及其控制策略的基础上，重点阐述了过程控制系统编程和HMI（人机界面）开发。给出了利用工业网关把传统的串口仪表连接到EtherNet/IP工业以太网的详细配置步骤。
本书在编写过程中，除了引用作者和学生多年的教学内容、工程实践与研究成果外，还翻阅了大量的资料，在此对这些资料的作者表示由衷的感谢！
本书13节和14节由华东理工大学机械与动力工程学院高阳和胡越编写，37节由华东理工大学信息科学与工程学院卿湘运编写，其他章节由华东理工大学信息科学与工程学院王华忠和姜庆超编写。本书受华东理工大学信息科学与工程学院图书出版项目资助，在此表示感谢！
为便于读者学习，凡采用本书作为参考书的，作者免费提供电子资料。关注机械工业出版社“机工电气”公众号，回复“79075”即可下载。
由于作者水平有限，且现代工业控制网络与系统涉及的内容繁杂，书中难免存在疏漏或不妥之处，恳请广大读者批评指正，也欢迎读者交流讨论，作者的Email地址是hzwang@ecust.edu.cn。
作者2025年3月