《现场总线技术B》教学大纲

《现场总线技术B》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：05146101课程性质：专业选修课学分：2学分学时：32学时（理论24学时，实验8学时）先修课程：单片机原理与接口技术、电气控制与PLC、运动控制系统等后续课程：自动控制系统集成适用专业：自动化开课单位：电气工程与自动化学院一、课程说明《现场总线技术B》是自动化专业的专业选修课。本课程以数字通信、网络的基本技术以及应用广泛的（工业）以太网技术/主流（典型）现场总线为主要内容，目的是使学生掌握现代通信与网络的基本概念、基础知识，学会阅读并理解现场总线协议/规范/标准；能够初步设计一般设备的以太网/现场总线通信接口，掌握或了解以太网/典型现场总线系统的基本应用技术；并为学生进行工业通信网络设计和网络（系统）分析以及撰写工业通信领域的各种通信网络规范奠定一定的基础。本课程注重基本理论知识的深入学习，重在培养运用基础理论知识解决生产实际中问题的能力，强调理论、分析设计方法、工程应用三者之间的协调，培养“厚基础、宽口径、高素质、强能力”的人才。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：了解工业自动化发展的动态和趋势，掌握现代工业通信与网络的基本概念、基础知识。学会阅读并理解现场总线协议/规范/标准；能够初步设计一般设备的以太网/现场总线通信接口，掌握或了解以太网/典型现场总线系统的基本应用技术。课程目标2：具有获取课程相关信息和资源的能力；掌握常见工业总线系统构建、设置与维护的一般方法，具有扎实的专业知识和工程实践能力，具有独立从事工业通信系统运行、管理与维护的基本能力；能够跟踪了解本专业网络化控制方向的技术前沿与发展动态；具有较强的学习和适应能力，能够不断开拓创新。课程目标3：具有坚定正确的政治方向，热爱祖国，具有为国家富强昌盛而努力奋斗的坚强意志，有强烈的事业心和奉献精神，有高度的社会责任感和职业道德，具有较强的工匠精神；具有健康的体魄、良好的心理素质、正确的审美观念和劳动观念，形成良好的劳动习惯；具有严谨的科学态度和现代社会的竞争意识、环境保护意识、价值效益意识、求实创新意识等专业素质。三、课程目标与毕业要求《现场总线技术B》课程教学目标对自动化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3.设计/开发解决方案3.3能够在设计开发环节中体现创新意识，并考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。课程目标1：了解工业自动化发展的动态和趋势，掌握现代工业通信与网络的基本概念、基础知识。学会阅读并理解现场总线协议/规范/标准；能够初步设计一般设备的以太网/现场总线通信接口，掌握或了解以太网/典型现场总线系统的基本应用技术。课程目标2：具有获取课程相关信息和资源的能力；掌握常见工业总线系统构建、设置与维护的一般方法，具有扎实的专业知识和工程实践能力，具有独立从事工业通信系统运行、管理与维护的基本能力；能够跟踪了解本专业网络化控制方向的技术前沿与发展动态；具有较强的学习和适应能力，能够不断开拓创新。M6.工程与社会6.2能分析和评价专业工程实践对于社会、健康、安全、法律、文化的影响，以及这些制约因素对项目实施的影响，并理解应承担的责任。课程目标3：具有坚定正确的政治方向，热爱祖国，具有为国家富强昌盛而努力奋斗的坚强意志，有强烈的事业心和奉献精神，有高度的社会责任感和职业道德，具有较强的工匠精神；具有健康的体魄、良好的心理素质、正确的审美观念和劳动观念，形成良好的劳动习惯；具有严谨的科学态度和现代社会的竞争意识、环境保护意识、价值效益意识、求实创新意识等专业素质。H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1.工业自动化网络概论1.1工业控制网络（现场总线）的发展历程1.2现场总线的概念1.3现场总线系统的组成与体系结构1.4现场总线标准1.5现场总线的分类教学要求：了解本课程的性质和任务，了解工业通信与网络发展历程及其特点，了解现场总线国际标准与中国标准；理解并掌握现场总线的定义、组成、特点及优点；理解并掌握典型的工业三层网架构。重点:通信与网络的概念，工业通信网络（现场总线）的概念、组成和网络架构，现场总线的技术特点与优点，现场总线国际标准与中国标准。难点:现场总线及现场总线控制系统的定义、作用、特点及优点。301、2、32.现场总线网络基础2.1现场总线网络概观2.2网络分类2.3网络软件2.4OSI和TCP/IP参考模型2.5网络体系结构内的标准化2.6网络拓扑结构2.7介质访问控制方式教学要求：理解并掌握通信网络的硬件构成、网络的介质访问控制方式；掌握网络的拓扑结构及介质、网络的硬件、软件、网络的互联设备；理解网络分层/互联参考模型知识；了解网络的标准化。重点:（现场总线）通信网络的硬件构成（现场总线点对点通信网络与节点的硬件构成、一般通信网络的硬件构成），网络拓扑结构及介质，介质访问控制方式，网络硬件，网络软件，网络互联参考模型，网络互联设备，网络标准化。难点:现场总线点对点通信网络与节点的硬件构成，网络分层/互联参考模型知识，网络的介质访问控制方式。501、23.现场总线通信基础3.1概念和术语3.2模拟数据和数字数据传输3.3传输损伤3.4模拟信号和数字信号编码技术3.5同步技术3.6单工、半双工传输和全双工传输3.7差错类型、差错检测和差错纠正3.8差错控制、流量控制和高级数据链路控制3.9传输介质（媒体）教学要求：理解并掌握通信的基本概念和术语，信号编码技术、同步和异步传输技术；了解传输损伤（衰减、延时失真、噪声）、差错控制、流量控制的基础知识；掌握数字数据通信的差错类型、差错检测方法；理解高级数据链路控制（HDLC）；掌握常用传输介质（媒体）的特性。重点:通信的基本概念和术语，模拟数据和数字数据传输；串行传输的时序控制技术（同步和异步传输），数据传输过程（单工传输、半双工传输、全双工传输），数字数据通信的差错类型，数字数据通信的差错检测，数字数据通信的差错纠正。难点:模拟信号编码技术，数字信号编码技术；数据链路的差错控制，流量控制，高级数据链路控制（HDLC）。801、24.基于UART的简单串行通信4.1概述4.2EIA/TIA/RS-232接口标准4.3EIA/TIA/RS-485接口标准4.4Modbus协议教学要求：掌握UART串行通信的基本实现方法和Mosbus节点的设计方法；理解EIA-232、EIA-485接口标准与Mosbus协议；了解Mosbus系统的应用。重点:基于UART的串行通信基本特征与节点的一般构成；EIA-232接口标准，EIA-485接口标准；Mosbus协议，Mosbus节点设计，Mosbus系统应用实例。难点:Mosbus协议，Mosbus节点设计。601、2、35.以太网与工业以太网5.1以太网概述5.2高速以太网5.3TCP/IP协议5.4工业以太网5.5几种典型工业以太网技术教学要求：理解以太网MAC子层与物理层及TCP/IP协议；理解高速以太网技术；了解因特网地址分类，掌握IP地址的含义及子网掩码的应用；了解因特网的域名概念和地址映射和工业以太网的关键问题与技术；初步掌握以太网控制器的使用方法和以太网节点的设计方法。重点:以太网MAC子层与物理层，交换式以太网，IP地址的表示及设置方法，工业以太网的关键问题与技术。难点:IEEE802.3标准，以太网控制器，IP地址规划，以太网节点设计。641、2、3CAN、DeviceNet与Profibus总线技术6.1CAN总线技术6.2DeviceNet总线技术6.3Profibus总线技术教学要求：理解并掌握CAN的相关基本概念、CAN的MAC机制及MAC帧类型、DeviceNet的相关基本概念、DeviceNet的四种I/O触发方式、生产者消费者通信机制、Profibus的相关基本概念、Profibus的主从通信机制；理解CAN的分层结构、理解Profibus的物理层与数据链路层；了解CAN控制器及接口芯片、EDS文件、GSD文件的功能、CAN、DeviceNet和Profibus基本应用。重点:CAN的一些基本概念，报文传送及其帧类型，CAN总线基本技术阐释与分析（总线典型电平、LLC子层和MAC子层、MAC机制、标准格式及扩展格式的数据帧与远程帧的区分、总线长度与位速率）；DeviceNet的一些基本概念，DeviceNet的连接，设备描述；Profibus的基本概念，Profibus的物理层与数据链路层，GSD文件。难点:CAN节点的分层结构，CAN的错误类型及其界定，位定时要求，CAN节点设计；生产者消费者通信机制；Profibus的主从通信机制、Profibus网络配置。641、2、3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1.工业网络组网基础实验实验内容：认识工业网络必要的软硬件构成及其应用。实验要求：掌握以太网的软硬件组成及其配置测试方法。21、2、32.EtherNet/IP网络配置与通信实验实验内容：利用必要的软硬件构造EtherNet/IP网络并测试其功能。实验要求：掌握EtherNet/IP网络的硬件、软件配置过程和方法；创建项目，实现对EtherNet/IP网络上远程I/O的编程控制。22、33.DeviceNet网络配置与通信实验实验内容：利用必要的软硬件构造DeviceNet网络并测试其功能。实验要求：掌握DeviceNet网络的硬件、软件配置过程和方法；创建项目，实现对DeviceNet网络上远程I/O的编程控制。22、34.Profibus-DP网络配置与通信实验实验内容：利用必要的软硬件构造Profibus-DP网络并测试其功能。实验要求：掌握Profibus-DP网络的硬件、软件配置过程和方法；创建项目，实现对Profibus-DP网络上远程I/O的编程控制。22、3合计8五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，结合讨论、案例、视频资源共享、实验等教学手段完成课程教学任务和相关能力的培养。通过本科成学习使学生掌握现代通信与网络的基本概念、基础知识，学会阅读并理解现场总线协议/规范/标准；能够初步设计一般设备的以太网/现场总线通信接口，掌握或了解以太网/典型现场总线系统的基本应用技术。在实验教学环节中，采用教师讲授和学生动手操作的方法，通过启发式教学、讨论式教学进一步培养学生网络化控制系统分析设计的基本理论、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。在实验前学生应复习和掌握与本实验有关的教学内容、认真阅读实验指导书；在实验中要严格遵守实验纪律，按操作规程使用软硬件设备；实验结束后，按规定对设备进行维护保养；每完成一项实验，要认真完成一份实验报告。六、课程资源1.推荐教材：廉迎战.《现场总线技术与工业控制网络系统》.北京:机械工业出版社.2022.2.参考书：（1）汤晏安.现场总线及工业控制网络[M].北京:机械工业出版社.2018.（2）郭琼.现场总线技术及其应用（第3版）[M].北京:机械工业出版社.2021.（3）赵新秋.工业控制网络技术[M].北京:机械工业出版社.2022.（4）倪伟.工业控制网络技术及应用[M].北京:机械工业出版社.2022.（5）汪晋宽.工业网络技术[M].北京:北京邮电大学出版社.2010.3.期刊：（1）DmitriyProschenko,SergeyGolik,AlexeyChekhlenok,IrinaPostnova,YuriShchipunov,YuriKulchin.ASimpleSwitchedEthernetProtocolforHardReal-TimeCommunication[J].AdvancedMaterialsResearch.2016(677):384-388.（2）焦存柱，王杰峰，王希钰.多种现场总线协议在工业生产中的应用与比较[J].数字通信世界.2017(07):68-70.（3）陈尚文.现场总线标准的发展与工业以太网技术[J].通信电源技术.2016（07）:34-36.（4）胡毅，于东，刘明烈.工业控制网络的研究现状及发展趋势[J].计算机科学.2018(01):46-49.4.网络资源：（1）现场总线资料下载_动态资讯_产品选型_中国工控网：/bus/.（2）现场总线_中华工控网_工控论坛：/.七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，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123过程性考核课堂表现4（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√211实验12（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√552作业12（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）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。√√√651期中测试12（1）学期期中进行一次期中测试，满分100分。（2）以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。√√√651期末考核60（1）卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核过程控制系统的组成及其工作原理，过程对象建模，测量变送器、执行器和控制器的选用，单回路控制系统的分析设计，负责控制系统的分析。（3）考试