《工业现场总线技术》教学大纲

《工业现场总线技术》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：01150491课程性质：专业选修课学分：2.0学分学时：32学时（理论24学时、实验8学时）先修课程：机电传动控制与PLC、单片机与嵌入式系统原理及应用等后续课程：毕业设计适用专业：机械电子工程开课单位：机械工程学院一、课程说明《工业现场总线技术》是机械电子工程专业本科学生的专业必修课程。本课程内容是近年来发展形成的自动控制领域的网络技术，是计算机网络通讯与自动控制技术结合的产物，通过对本课程的学习，了解目前工业自动化领域蓬勃发展的新技术，理解和掌握工业通讯的基本概念和基本方法，熟悉串行通讯接口和Modbus协议、CAN总线、工业以太网、PROFINETIO总线的通讯，通讯方式及使用场合，并能初步运用所学相关内容和技术，构建工业现场总线系统，解决实际工程问题。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：掌握工业现场总线网络技术基本工作原理，能够将常用工业现场总线网络技术（如Modbus协议、CAN总线、工业以太网、PROFIBUSDP总线、PROFINETIO总线等通讯总线）应用到实际工程项目，具备制定工业现场总线系统方案和解决实际工程问题的能力。课程目标2：针对实际工程问题，能够合理确定工业现场总线类型，采用仿真工具搭建虚拟工业总线，分析影响工业总线稳定性和数据传输距离的因素，构建复杂工业现场总线系统；具备终身自主分析问题和解决工程问题的能力。三、课程目标与毕业要求《工业现场总线技术》课程教学目标对机械电子工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度5.工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和机械电子类等专业知识用于分析解决机电工程领域的复杂工程问题。1.4能够将专业知识用于机械电子相关复杂工程问题解决方案的比较、综合和交流。课程目标1：掌握工业现场总线网络技术基本工作原理，能够将常用工业现场总线网络技术（如Modbus协议、CAN总线、工业以太网、PROFIBUSDP总线、PROFINETIO总线等通讯总线）应用到实际工程项目，具备制定工业现场总线系统方案和解决实际工程问题的能力。H5.使用现代工具：能够针对机电工程领域复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。5.2能够选择和使用恰当的仪器、信息资源，工程工具和专业模拟软件等，用于机电工程领域复杂工程问题的分析、计算与设计；课程目标2：针对实际工程问题，能够合理确定工业现场总线类型，采用仿真工具搭建虚拟工业总线，分析影响工业总线稳定性和数据传输距离的因素，构建复杂工业现场总线系统；具备终身自主分析问题和解决工程问题的能力。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标工业现场总线概述1.1工业现场总线的概念；1.2工业现场总线的原理、分类及特点。1.3工业现场总线的发展趋势教学要求：了解工业现场总线的概念及应用领域；掌握工业现场总线的原理、分类及特点；了解工业现场总线的发展趋势。重点:工业现场总线的原理、分类及特点。难点:工业现场总线的原理、分类及特点。21数据通讯基础2.1数据通信系统的组成；2.2通讯系统的性能指标。2.3数据传输方式2.4通信系统的传输方式2.5信号传输模式2.6差错控制教学要求：了解数据通信系统的组成；掌握通讯系统的性能指标；掌握数据传输方式；掌握时钟电路、复位电路及操作；掌握通信系统的传输方式；掌握信号传输模式；掌握差错控制方式。重点:通讯系统的性能指标、数据传输方式、通信系统的传输方式、信号传输模式、差错控制方式。难点:数据传输方式、通信系统的传输方式、信号传输模式、差错控制方式。41计算机网络基础3.1计算机网络3.2网络拓扑3.3网络传输介质3.4介质访问控制方式教学要求：了解计算机网络；掌握网络拓扑；掌握网络传输介质；掌握介质访问控制方式。重点:网络拓扑、介质访问控制方式。难点:网络拓扑、介质访问控制方式。21CAN总线4.1看总线基础4.2看控制器接口4.3看总线应用案例教学要求：掌握CAN总线基础；掌握CAN控制器接口及特点；掌握CAN总线在实际工业的应用场合。难点:CAN控制器接口及特点、CAN总线在实际工业的应用。421、2PROFIBUS总线5.1PROFIBUS基础5.2PROFIBUS-DP概述5.3PROFIBUS-DP通信常用函数。5.4PROFIBUS-DP应用案例教学要求：掌握PROFIBUS基础；掌握PROFIBUS-DP通讯常用函数；掌握PROFIBUS-DP总线在实际工业的应用场合特点。重点:PROFIBUS-DP通讯常用函数、PROFIBUS-DP总线在实际工业的应用。难点:PROFIBUS-DP总线在实际工业的应用。421、2PROFINET-IO总线6.1PROFINET-IO概述6.2PROFINET-IO通讯原理6.3常见PROFINET-IO通讯模块6.4PROFINET-IO应用案例教学要求：了解PROFINET-IO概述；掌握PROFINET-IO通讯原理；掌握常见PROFINET-IO通讯模块的使用；掌握PROFINET-IO在实际工业的应用方法及特点。重点:PROFINET-IO通讯原理、常见PROFINET-IO通讯模块的使用、PROFINET-IO在实际工业的应用方法及特点。难点:常见PROFINET-IO通讯模块的使用；掌握PROFINET-IO在实际工业的应用方法及特点。。421、2工业以太网7.1工业以太网基础7.2工业以太网协议接口7.3常见工业以太网通讯模块7.4工业以太网应用案例教学要求：了解工业以太网的概念；掌握工业以太网协议接口；掌握常见工业以太网通讯模块的使用；掌握工业以太网在工业中的应用。重点:工业以太网协议接口、常见工业以太网通讯模块的使用、工业以太网在工业中的应用。难点:常见工业以太网通讯模块的使用、工业以太网在工业中的应用。421、2合计2482.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标Modbus异步串行口RS485通讯仿真实验实验内容：利用Proteus仿真工具实现Modbus异步串行口RS485通讯。实验要求：设置不同的波特率，掌握RS485双机通讯的实现原理。21、2采用PROFIBUS-DP与ET200模块通讯仿真实验实验内容：使用SIMATICMANAER搭建PROFIBUS-DP与ET200模块通讯系统。实验要求：掌握SIMATICMANAGER搭建PROFIBUS-DP与ET200模块通讯架构及编程方法。21、2采用CP343-1构建PROFINET-IO通讯仿真实验实验内容：使用SIMATICMANAER搭建采用CP343-1的PROFINET-IO通讯系统。实验要求：掌握SIMATICMANAGER搭建PROFINET-IO通讯架构及编程方法。21、2以太网通讯仿真实验实验内容：使用博图仿真系统，搭建双西门子PLC的以太网通讯系统。实验要求：掌握博图软件搭建双西门子PLC以太网通讯系统；掌握组态过程及调试方法。21、2合计8五、教学方法及手段《工业现场总线技术》课程具有理论性、工程性、实验性相结合的特点，教学手段和方法要尽量呈现多元化。本课程以课堂讲授为主，采用启发式、讨论式、问题导向、和案例教学等多种教学方式，激发学生学习兴趣，促进学生积极思考，开发学生的潜能，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；以“少而精”为原则，精选教学内容，精讲多练；安排习题课，巩固课堂所学知识；通过对典型工业现场总线计算得的学习，使学生学会搭建常见工业现场总线架构，能够对复杂工业现场总线设计提出合理的设计思路和解决方案。实验教学环节中，通过启发式教学、讨论式教学，培养学生设计工业现场总线的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生自主学习能力、实际动手能力，激发学生的创新思维。采用教师讲授和学生动手操作的方法；在实验前学生应复习和掌握与实验项目有关的教学内容、认真阅读实验指导书；实验要求5-6人一组，按要求独立完成规定的实验项目。实验结束后，按规定对仪器进行维护保养；每完成一项实验，要认真完成一份实验报告。六、课程资源1.教材：（1）倪伟.工业控制网络技术及应用[M].机械工业出版社,2022.2.参考书：（1）王小英.工业控制网络与通信[M].西安电子科技大学出版社,2021.（2）兰建军.单片机原理、应用与Proteus仿真[M].机械工业出版社,2014.（3）张乐.工业现场总线及应用技术[M].机械工业出版社出版,2023.（4）刘国海.集散控制与现场总线[M].机械工业出版社出版,2023.（5）肖军.DCS及现场总线技术[M].清华大学出版社,2011.3.期刊：（1）工业现场总线技术，上海科技文献出版社主办.（2）现场总线技术，浙江省机电集团有限公司、浙江大学主办.（3）MECHANICALENGINEERING，中国机械工业学会主办.（4）机器人，中国自动化学会、中国科学院沈阳自动化研究所主办.4.网络资源：（1）机电之家：/（2）电子发烧友：/（3）爱课程网：/course/CSMZXY-1001602001（4）外文文献：/doi/10.1145/3568739.3568797七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩为由课堂测试、实验成绩、期末作业组成的过程性考核成绩，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标12过程性考核课堂测试10（1）根据课堂测试情况进行考核，满分100分。（2）每次课堂测试单独评分，取各次课堂测试成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以课堂测试成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√55实验成绩40（1）根据每次实验操作完成情况单独评分，满分100分；（2）每次实验操作单独评分，取各次课堂测试成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验操作成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√2515期末作业50（1）主要考核学生对课程知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√4010合计：100分7030八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂测试、实验成绩、期末作业等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由课堂测试（占比10%）、实验成绩（占比40%）、期末作业（占比50%）等过程性考核成绩（满分100分）组成；过程性考核分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂测试10能够按时提交课堂测试，测试过程认真，遵守课堂纪律，课堂测试平均值在90分以上。能够按时提交课堂测试，测试过程态度一般，遵守课堂纪律，课堂测试平均值在80分以上。能够按时提交课堂测试，测试过程态度一般，基本遵守课堂纪律，课堂测试平均值在70分以上。能够按时提交课堂测试，测试过程态度一般，基本遵守课堂纪律，课堂测试平均值在60分以上。未按时提交课堂测试，测试过程态度一般，不遵守课堂纪律，课堂测试平均值在60分以下。实验成绩40预习认真、熟练掌握方法与步骤、遵规守纪、操作熟练、团结协作预习认真、掌握方法与步骤、遵规守纪、操