具体描述
《可编程序控制器与工业现场总线》对PLC的硬件体系、工作原理、组态方法、编程语言、模块化结构编程、梯形图指令系统、调试手段和故障诊断，作了全面详细的介绍。对20世纪80年代产生并迅速发展的工业现场总线，以IEC 61158标准中应用广泛的PROFIBUS_DP和PROFINET两个类型为代表，进行了深入的介绍，说明了DP_V0、DP_V1和DP_V2 3个标准版本、PROFINET的基本概念，特别提供了应用现场总线实现PLC和伺服驱动装置之间的通信实例，并对该实例进行了详细分析和解读。
《可编程序控制器与工业现场总线》适合作为高等院校自动化相关专业的教材或教学参考书，对从事自动化领域的工程技术人员、设计人员和设备维修人员也有很高的参考价值。
现代制造系统中的数据驱动决策与智能控制：基于物联网和边缘计算的集成架构探讨 本书聚焦于当前工业领域前沿的技术融合，深入剖析了如何利用先进的信息物理系统（CPS）理念，结合物联网（IoT）、边缘计算（Edge Computing）以及大数据分析能力，构建新一代高效、柔性化和自适应的制造与控制体系。 本书旨在为从事自动化工程、智能制造系统设计、工业数据科学以及高级控制理论研究的工程师、研究人员和高校师生提供一套系统化、前瞻性的理论框架与实践指导。我们完全规避了传统可编程逻辑控制器（PLC）的底层编程逻辑与工业现场总线协议的详细介绍，而是将视角提升至系统集成、信息流优化和决策智能化的高度。 第一部分：智能制造的宏观图景与数据基石（约 400 字） 第一章：工业 4.0 范式下的控制系统演进 本章首先界定现代工业系统的核心挑战——如何将海量、异构的实时生产数据转化为可执行的商业价值和即时控制指令。我们不再将控制系统视为孤立的执行单元，而是将其视为一个与企业资源规划（ERP）、制造执行系统（MES）紧密耦合的“实时信息中枢”。重点阐述了从传统的集中式控制向分布式、自主化控制单元迁移的驱动力，强调了柔性化生产需求对控制架构带来的根本性变革。本章深入探讨了物理世界与数字世界深度融合的必要性，为后续章节的数据采集与处理奠定基础。我们着重分析了云计算在长期数据存储和宏观优化中的作用，并明确了边缘层需要承担的即时响应责任。 第二章：工业物联网（IIoT）的架构设计与语义互操作性 本章详细剖析了支撑智能制造的数据采集层——IIoT的完整技术栈。内容涵盖了传感器/执行器层的多样性、网络接入技术（如低功耗广域网、5G在工业场景的应用潜力），以及数据在不同层级间的传输机制。核心议题在于“语义互操作性”。传统的现场总线强调物理层和数据链路层的兼容性，而本书关注的是上层应用层的理解一致性。我们探讨了如何利用本体论（Ontologies）、知识图谱（Knowledge Graphs）来描述和规范设备数据、工艺参数和状态信息，确保来自不同制造商、不同历史批次的数据能够被上层AI模型准确、无歧义地理解和利用。本章不涉及任何特定的现场总线配置或编程指南。 第二部分：边缘智能与实时决策（约 600 字） 第三章：边缘计算在控制回路中的角色与挑战 本部分是本书的技术核心之一。面对实时性要求极高的控制任务，数据上传至云端进行处理的延迟是不可接受的。本章深入探讨了边缘计算（Edge Computing）在实现低延迟闭环控制中的关键作用。我们分析了在资源受限的边缘设备上部署轻量级机器学习模型（如TinyML）的可行性与局限性。重点内容包括： 1. 分布式数据预处理与特征工程：如何在设备侧高效过滤噪声、聚合数据，提取对决策最有价值的特征，从而减轻网络带宽压力。 2. 实时异常检测与故障诊断模型：构建基于时间序列分析和深度学习的边缘模型，用于监测关键设备（如高精度机床、反应釜）的早期退化迹象，并即时触发预警或自适应调整参数。 3. 边缘协同与联邦学习（Federated Learning）：探讨多个边缘节点如何在不共享原始敏感数据的前提下，协同训练一个更鲁棒的全局模型，以应对生产线上的全局变化。 第四章：基于状态估计与优化方法的自适应控制 本章将视角从数据传输转向高级控制策略的实现。本书关注的不是传统的顺序控制或逻辑判断，而是基于高频数据流的模型预测控制（MPC）和自适应控制（Adaptive Control）的现代实践。我们详细分析了： 1. 高维状态空间建模：如何利用先进的系统辨识技术（如核方法、高阶谱分析）对复杂非线性生产过程进行准确的数学描述。 2. 实时优化求解：讨论在边缘资源约束下，快速求解二次规划（QP）或非线性规划（NLP）子问题的算法效率与稳定性。 3. 控制律的在线重构：在生产条件（如原料性质、环境温度）发生漂移时，如何快速更新系统模型参数，并即时调整控制律，以维持最优性能指标（如能耗最低、产品一致性最高）。 第三部分：数据驱动的系统优化与安全（约 500 字） 第五章：生产过程的数字孪生与仿真验证 数字孪生（Digital Twin）是连接物理世界与上层决策系统的关键桥梁。本章系统阐述了如何构建一个高保真、实时同步的数字孪生模型，该模型不仅包含静态的几何和物理参数，更重要的是嵌入了动态的实时运行数据和预测性算法。我们探讨了如何利用数字孪生进行“What-if”场景分析、控制策略的离线验证与安全演进，避免在真实生产环境中进行高风险的参数调整。本章的重点是模型的构建、同步机制（Synchronization）以及仿真环境与实际数据的映射关系，不涉及任何现场物理网络连接的细节。 第六章：工业信息安全与数据主权 随着控制系统与企业网络的深度融合，安全边界的模糊化带来了严峻的挑战。本章从数据流的角度审视工业信息安全，关注点在于数据完整性、可用性和机密性在不同层级（边缘、区域、云端）的保障机制。我们讨论了： 1. 基于零信任（Zero Trust）原则的访问控制在操作技术（OT）网络中的实施框架。 2. 轻量级加密与认证机制在资源受限的工业传感器和边缘设备上的部署策略。 3. 数据溯源与不可篡改性：利用分布式账本技术（DLT，如私有区块链）对关键控制决策和工艺参数变更记录进行存证，确保审计的可信度与数据的长期有效性。 结论：面向未来的智能控制生态 全书总结了当前技术融合的趋势，展望了下一代工厂在完全自治运营、零停机维护以及跨地域协同制造方面的潜力。本书提供的是一个高屋建瓴的系统蓝图，指导读者如何站在数据和算法的制高点，驾驭复杂的现代工业流程，而非深陷于特定硬件或通信接口的细节之中。
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目录信息
序言1序言2前言第1章 PLC的发明和发展过程第2章 PLC的定义及硬件和软件的基本构成4 2.1 PLC的硬件体系 2.1.1 硬件结构 2.1.2 CPU和中央存储器 2.1.3 I/O接 2.1.4 PLC的工作原理 2.2 PLC的软件体系第3章 PLC编程语言的应用 3.1 西门子公司S7 PLC和STEP 7编程软件的应用 3.2 西门子公司STEP 7编程软件的安装 3.3 启动SIMATIC管理器 3.4 应用STEP 7对PLC进行硬件组态 3.5 S7 PLC 分布式I/O模板的组态 3.6 应用符号地址编程 3.7 STEP 7的模块化程序结构——组织方块OB1的作用和程序编写 3.8 用功能块和数据块建立一个程序 3.9 生成功能块（FB）的背景数据块及使用实际参数替代形式参数改变实际值 3.10 使用梯形图逻辑语言编写方块调用程序 3.11 STEP 7语言中的功能（FC）编程 3.12 STEP 7语言中的共享数据块编程 3.13 高级功能块和多背景数据块 3.14 如何在分布式系统中对第三方产品进行硬件组态 3.15 下载和调试程序 3.16 通过监视程序状态的方法来测试程序 3.17 通过建立变量表的方法来测试程序 3.18 通过CPU诊断缓冲区检查错误 3.19 STEP 7中的组织方块OB第4章 梯形图编程语言指令系统介绍 4.1 STEP 7梯形图指令系统分类 4.2 位逻辑指令类 4.2.1 常开触点（地址） 4.2.2 常闭触点（地址） 4.2.3 异或指令 4.2.4 取反指令 4.2.5 输出线圈 4.2.6 中间线输出指令 4.2.7 复位线圈 4.2.8 置位线圈 4.2.9 复位-置位触发器 4.2.10 置位-复位触发器 4.2.11 RLO下降沿检测指令 4.2.12 RLO上升沿检测指令 4.2.13 保存RLO到状态位BR指令 4.2.14 地址下降沿检测指令 4.2.15 地址上升沿检测指令1 4.2.16 立即读指令 4.2.17 立即写指令 4.3 比较指令类 4.3.1 整型数比较指令 4.3.2 双整型数比较指令 4.3.3 实数（浮点数）比较指令 4.4 转换指令类 4.4.1 BCD_I 4.4.2 I_BCD 4.4.3 I_DINT 4.4.4 BCD_DI 4.4.5 DI_BCD 4.4.6 DI_REAL 4.4.7 INV_I 4.4.8 INV_DI 4.4.9 NEG_I 4.4.10 NEG_DI 4.4.11 NEG_R 4.4.12 ROUND 4.4.13 TRUNC 4.4.14 CEIL 4.4.15 FLOOR 4.5 计数器指令类 4.5.1 S_CUD 4.5.2 S_CU 4.5.3 S_CD 4.5.4 置计数器值指令 4.5.5 加法计数器线圈 4.5.6 减法计数器线圈 4.6 数据块指令类：DB或DI指令 4.7 逻辑控制指令类 4.7.1 无条件跳转指令 4.7.2 有条件跳转指令 4.7.3 遇“非”跳转指令 4.7.4 标号 4.8 整型数算术运算指令类 4.8.1 整型数算术运算指令对状态字位影响的评估 4.8.2 整型数加法运算指令 4.8.3 整型数减法运算指令 4.8.4 整型数乘法运算指令 4.8.5 整型数除法运算指令 4.8.6 双整型数加法运算指令 4.8.7 双整型数减法运算指令 4.8.8 双整型数乘法运算指令 4.8.9 双整型数除法运算指令 4.8.10 双整型数除法输出余数指令 4.9 浮点数算术运算指令类 4.9.1 浮点数算术运算指令对状态字位影响的评估 4.9.2 实数加法运算指令 4.9.3 实数减法运算指令 4.9.4 实数乘法运算指令 4.9.5 实数除法运算指令 4.9.6 取浮点数的绝对值指令 4.9.7 浮点数二次方运算指令 4.9.8 浮点数开方运算指令 4.9.9 以e为基数的浮点数指数运算指令 4.9.10 取浮点数的自然对数运算指令 4.9.11 求正弦函数值指令 4.9.12 求余弦函数值指令 4.9.13 求正切函数值指令 4.9.14 求反正弦函数值指令 4.9.15 求反余弦函数值指令 4.9.16 求反正切函数值指令 4.10 赋值指令类 4.11 程序控制指令类 4.11.1 —（CALL）指令 4.11.2 用指令框调用FB指令 4.11.3 用指令框调用FC指令 4.11.4 用指令框调用SFB指令 4.11.5 用指令框调用SFC指令 4.11.6 用指令框调用多背景数据块指令 4.11.7 从程序库调用方块指令 4.11.8 使用MCR(主控继电器)功能的重要注意事项 4.11.9 接通主控继电器指令 4.11.10 断开主控继电器指令 4.11.11 激活主控继电器指令 4.11.12 结束主控继电器指令 4.11.13 返回指令 4.12 移位和旋转指令类 4.12.1 移位指令 4.12.2 整型数右移指令 4.12.3 双整型数右移指令 4.12.4 字左移指令 4.12.5 字右移指令 4.12.6 双字左移指令 4.12.7 双字右移指令 4.12.8 旋转指令 4.12.9 双字左旋转指令 4.12.10 双字右旋转指令 4.13 状态位指令类 4.13.1 溢出故障位指令 4.13.2 锁存溢出故障位指令 4.13.3 无序故障位指令 4.13.4 BR结果位指令 4.13.5 结果位等于0指令 4.13.6 结果位不等于0指令 4.13.7 结果位大于0指令 4.13.8 结果位小于0指令 4.13.9 结果位大于等于0指令 4.13.10 结果位小于等于0指令 4.14 定时器指令类 4.14.1 脉冲S5定时器 4.14.2 扩展脉冲S5定时器 4.14.3 接通延时S5定时器 4.14.4 接通延时保持S5定时器 4.14.5 断开延时S5定时器 4.14.6 脉冲定时器线圈 4.14.7 扩展脉冲定时器线圈 4.14.8 接通延时定时器线圈 4.14.9 接通延时保持定时器线圈 4.14.10 断开延时定时器线圈 4.15 字逻辑指令类 4.15.1 WAND_W指令 4.15.2 WOR_W指令 4.15.3 WAND_DW指令 4.15.4 WOR_DW指令 4.15.5 WXOR_W指令 4.15.6 WXOR_DW指令 4.16 指令系统应用举例 4.16.1 应用定时器指令产生脉冲序列举例 4.16.2 模拟量输入模板读程序举例第5章 现场总线技术 5.1 现场总线技术概述 5.1.1 现场总线技术产生的背景 5.1.2 现场总线技术的概念 5.2 国内外发展状况 5.2.1 国外发展状况概述 5.2.2 国际标准的形成过程及现状 5.2.3 国内发展现状 5.3 PROFIBUS现场总线标准介绍 5.3.1 PROFIBUS标准概念 5.3.2 PROFIBUS第1层、第2层和应用层介绍 5.3.3 DP通信协议 5.3.3.1 基本功能DP_V0 5.3.3.2 DP_V1版本 5.3.3.3 DP_V2版本 5.3.3.4 用槽号和变址号寻址 5.3.3.5 DP行规 5.3.4 使用PROFIBUS-DP进行数据通信的实例 5.3.4.1 一般描述 5.3.4.2 安装S7程序和方块 5.3.4.3 功能说明 5.4 PROFINET现场总线的基本知识 5.4.1 概述 5.4.2 以太网的MAC地址 5.4.3 标准以太网的报文帧结构 5.4.4 以太网的IP地址 5.4.5 有源网络部件 5.4.5.1 交换机和集线器 5.4.5.2 路由器 5.4.6 基于以太网的通信协议 5.4.6.1 TCP/IP 5.4.6.2 UDP/IP 5.4.6.3 ARP和RARP 5.4.7 以太网报文中的TCP/IP数据 5.4.8 PROFINET的网络拓扑结构附录 梯形图指令系统索引表参考文献
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