《現場總線技術B》教學大綱

《現場總線技術B》教學大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：05146101課程性質：專業(yè)選修課學分：2學分學時：32學時（理論24學時，實驗8學時）先修課程：單片機原理與接口技術、電氣控制與PLC、運動控制系統(tǒng)等后續(xù)課程：自動控制系統(tǒng)集成適用專業(yè)：自動化開課單位：電氣工程與自動化學院一、課程說明《現場總線技術B》是自動化專業(yè)的專業(yè)選修課。本課程以數字通信、網絡的基本技術以及應用廣泛的（工業(yè)）以太網技術/主流（典型）現場總線為主要內容，目的是使學生掌握現代通信與網絡的基本概念、基礎知識，學會閱讀并理解現場總線協(xié)議/規(guī)范/標準；能夠初步設計一般設備的以太網/現場總線通信接口，掌握或了解以太網/典型現場總線系統(tǒng)的基本應用技術；并為學生進行工業(yè)通信網絡設計和網絡（系統(tǒng)）分析以及撰寫工業(yè)通信領域的各種通信網絡規(guī)范奠定一定的基礎。本課程注重基本理論知識的深入學習，重在培養(yǎng)運用基礎理論知識解決生產實際中問題的能力，強調理論、分析設計方法、工程應用三者之間的協(xié)調，培養(yǎng)“厚基礎、寬口徑、高素質、強能力”的人才。二、課程目標通過本課程的學習，使學生達到如下目標：課程目標1：了解工業(yè)自動化發(fā)展的動態(tài)和趨勢，掌握現代工業(yè)通信與網絡的基本概念、基礎知識。學會閱讀并理解現場總線協(xié)議/規(guī)范/標準；能夠初步設計一般設備的以太網/現場總線通信接口，掌握或了解以太網/典型現場總線系統(tǒng)的基本應用技術。課程目標2：具有獲取課程相關信息和資源的能力；掌握常見工業(yè)總線系統(tǒng)構建、設置與維護的一般方法，具有扎實的專業(yè)知識和工程實踐能力，具有獨立從事工業(yè)通信系統(tǒng)運行、管理與維護的基本能力；能夠跟蹤了解本專業(yè)網絡化控制方向的技術前沿與發(fā)展動態(tài)；具有較強的學習和適應能力，能夠不斷開拓創(chuàng)新。課程目標3：具有堅定正確的政治方向，熱愛祖國，具有為國家富強昌盛而努力奮斗的堅強意志，有強烈的事業(yè)心和奉獻精神，有高度的社會責任感和職業(yè)道德，具有較強的工匠精神；具有健康的體魄、良好的心理素質、正確的審美觀念和勞動觀念，形成良好的勞動習慣；具有嚴謹的科學態(tài)度和現代社會的競爭意識、環(huán)境保護意識、價值效益意識、求實創(chuàng)新意識等專業(yè)素質。三、課程目標與畢業(yè)要求《現場總線技術B》課程教學目標對自動化專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學目標與畢業(yè)要求關系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度3.設計/開發(fā)解決方案3.3能夠在設計開發(fā)環(huán)節(jié)中體現創(chuàng)新意識，并考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。課程目標1：了解工業(yè)自動化發(fā)展的動態(tài)和趨勢，掌握現代工業(yè)通信與網絡的基本概念、基礎知識。學會閱讀并理解現場總線協(xié)議/規(guī)范/標準；能夠初步設計一般設備的以太網/現場總線通信接口，掌握或了解以太網/典型現場總線系統(tǒng)的基本應用技術。課程目標2：具有獲取課程相關信息和資源的能力；掌握常見工業(yè)總線系統(tǒng)構建、設置與維護的一般方法，具有扎實的專業(yè)知識和工程實踐能力，具有獨立從事工業(yè)通信系統(tǒng)運行、管理與維護的基本能力；能夠跟蹤了解本專業(yè)網絡化控制方向的技術前沿與發(fā)展動態(tài)；具有較強的學習和適應能力，能夠不斷開拓創(chuàng)新。M6.工程與社會6.2能分析和評價專業(yè)工程實踐對于社會、健康、安全、法律、文化的影響，以及這些制約因素對項目實施的影響，并理解應承擔的責任。課程目標3：具有堅定正確的政治方向，熱愛祖國，具有為國家富強昌盛而努力奮斗的堅強意志，有強烈的事業(yè)心和奉獻精神，有高度的社會責任感和職業(yè)道德，具有較強的工匠精神；具有健康的體魄、良好的心理素質、正確的審美觀念和勞動觀念，形成良好的勞動習慣；具有嚴謹的科學態(tài)度和現代社會的競爭意識、環(huán)境保護意識、價值效益意識、求實創(chuàng)新意識等專業(yè)素質。H注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關畢業(yè)要求的關聯(lián)度。四、教學內容、基本要求與學時分配1.理論部分理論部分的教學內容、基本要求與學時分配見表2。表2教學內容、基本要求與學時分配教學內容教學要求，教學重點難點理論學時實驗學時對應的課程目標1.工業(yè)自動化網絡概論1.1工業(yè)控制網絡（現場總線）的發(fā)展歷程1.2現場總線的概念1.3現場總線系統(tǒng)的組成與體系結構1.4現場總線標準1.5現場總線的分類教學要求：了解本課程的性質和任務，了解工業(yè)通信與網絡發(fā)展歷程及其特點，了解現場總線國際標準與中國標準；理解并掌握現場總線的定義、組成、特點及優(yōu)點；理解并掌握典型的工業(yè)三層網架構。重點:通信與網絡的概念，工業(yè)通信網絡（現場總線）的概念、組成和網絡架構，現場總線的技術特點與優(yōu)點，現場總線國際標準與中國標準。難點:現場總線及現場總線控制系統(tǒng)的定義、作用、特點及優(yōu)點。301、2、32.現場總線網絡基礎2.1現場總線網絡概觀2.2網絡分類2.3網絡軟件2.4OSI和TCP/IP參考模型2.5網絡體系結構內的標準化2.6網絡拓撲結構2.7介質訪問控制方式教學要求：理解并掌握通信網絡的硬件構成、網絡的介質訪問控制方式；掌握網絡的拓撲結構及介質、網絡的硬件、軟件、網絡的互聯(lián)設備；理解網絡分層/互聯(lián)參考模型知識；了解網絡的標準化。重點:（現場總線）通信網絡的硬件構成（現場總線點對點通信網絡與節(jié)點的硬件構成、一般通信網絡的硬件構成），網絡拓撲結構及介質，介質訪問控制方式，網絡硬件，網絡軟件，網絡互聯(lián)參考模型，網絡互聯(lián)設備，網絡標準化。難點:現場總線點對點通信網絡與節(jié)點的硬件構成，網絡分層/互聯(lián)參考模型知識，網絡的介質訪問控制方式。501、23.現場總線通信基礎3.1概念和術語3.2模擬數據和數字數據傳輸3.3傳輸損傷3.4模擬信號和數字信號編碼技術3.5同步技術3.6單工、半雙工傳輸和全雙工傳輸3.7差錯類型、差錯檢測和差錯糾正3.8差錯控制、流量控制和高級數據鏈路控制3.9傳輸介質（媒體）教學要求：理解并掌握通信的基本概念和術語，信號編碼技術、同步和異步傳輸技術；了解傳輸損傷（衰減、延時失真、噪聲）、差錯控制、流量控制的基礎知識；掌握數字數據通信的差錯類型、差錯檢測方法；理解高級數據鏈路控制（HDLC）；掌握常用傳輸介質（媒體）的特性。重點:通信的基本概念和術語，模擬數據和數字數據傳輸；串行傳輸的時序控制技術（同步和異步傳輸），數據傳輸過程（單工傳輸、半雙工傳輸、全雙工傳輸），數字數據通信的差錯類型，數字數據通信的差錯檢測，數字數據通信的差錯糾正。難點:模擬信號編碼技術，數字信號編碼技術；數據鏈路的差錯控制，流量控制，高級數據鏈路控制（HDLC）。801、24.基于UART的簡單串行通信4.1概述4.2EIA/TIA/RS-232接口標準4.3EIA/TIA/RS-485接口標準4.4Modbus協(xié)議教學要求：掌握UART串行通信的基本實現方法和Mosbus節(jié)點的設計方法；理解EIA-232、EIA-485接口標準與Mosbus協(xié)議；了解Mosbus系統(tǒng)的應用。重點:基于UART的串行通信基本特征與節(jié)點的一般構成；EIA-232接口標準，EIA-485接口標準；Mosbus協(xié)議，Mosbus節(jié)點設計，Mosbus系統(tǒng)應用實例。難點:Mosbus協(xié)議，Mosbus節(jié)點設計。601、2、35.以太網與工業(yè)以太網5.1以太網概述5.2高速以太網5.3TCP/IP協(xié)議5.4工業(yè)以太網5.5幾種典型工業(yè)以太網技術教學要求：理解以太網MAC子層與物理層及TCP/IP協(xié)議；理解高速以太網技術；了解因特網地址分類，掌握IP地址的含義及子網掩碼的應用；了解因特網的域名概念和地址映射和工業(yè)以太網的關鍵問題與技術；初步掌握以太網控制器的使用方法和以太網節(jié)點的設計方法。重點:以太網MAC子層與物理層，交換式以太網，IP地址的表示及設置方法，工業(yè)以太網的關鍵問題與技術。難點:IEEE802.3標準，以太網控制器，IP地址規(guī)劃，以太網節(jié)點設計。641、2、3CAN、DeviceNet與Profibus總線技術6.1CAN總線技術6.2DeviceNet總線技術6.3Profibus總線技術教學要求：理解并掌握CAN的相關基本概念、CAN的MAC機制及MAC幀類型、DeviceNet的相關基本概念、DeviceNet的四種I/O觸發(fā)方式、生產者消費者通信機制、Profibus的相關基本概念、Profibus的主從通信機制；理解CAN的分層結構、理解Profibus的物理層與數據鏈路層；了解CAN控制器及接口芯片、EDS文件、GSD文件的功能、CAN、DeviceNet和Profibus基本應用。重點:CAN的一些基本概念，報文傳送及其幀類型，CAN總線基本技術闡釋與分析（總線典型電平、LLC子層和MAC子層、MAC機制、標準格式及擴展格式的數據幀與遠程幀的區(qū)分、總線長度與位速率）；DeviceNet的一些基本概念，DeviceNet的連接，設備描述；Profibus的基本概念，Profibus的物理層與數據鏈路層，GSD文件。難點:CAN節(jié)點的分層結構，CAN的錯誤類型及其界定，位定時要求，CAN節(jié)點設計；生產者消費者通信機制；Profibus的主從通信機制、Profibus網絡配置。641、2、3合計2482.實驗部分實驗部分的教學內容、基本要求與學時分配見表3。表3實驗項目、實驗內容與學時實驗項目實驗內容和要求實驗學時對應的課程目標1.工業(yè)網絡組網基礎實驗實驗內容：認識工業(yè)網絡必要的軟硬件構成及其應用。實驗要求：掌握以太網的軟硬件組成及其配置測試方法。21、2、32.EtherNet/IP網絡配置與通信實驗實驗內容：利用必要的軟硬件構造EtherNet/IP網絡并測試其功能。實驗要求：掌握EtherNet/IP網絡的硬件、軟件配置過程和方法；創(chuàng)建項目，實現對EtherNet/IP網絡上遠程I/O的編程控制。22、33.DeviceNet網絡配置與通信實驗實驗內容：利用必要的軟硬件構造DeviceNet網絡并測試其功能。實驗要求：掌握DeviceNet網絡的硬件、軟件配置過程和方法；創(chuàng)建項目，實現對DeviceNet網絡上遠程I/O的編程控制。22、34.Profibus-DP網絡配置與通信實驗實驗內容：利用必要的軟硬件構造Profibus-DP網絡并測試其功能。實驗要求：掌握Profibus-DP網絡的硬件、軟件配置過程和方法；創(chuàng)建項目，實現對Profibus-DP網絡上遠程I/O的編程控制。22、3合計8五、教學方法及手段本課程以課堂講授為主，結合討論、案例、視頻資源共享、實驗等教學手段完成課程教學任務和相關能力的培養(yǎng)。通過本科成學習使學生掌握現代通信與網絡的基本概念、基礎知識，學會閱讀并理解現場總線協(xié)議/規(guī)范/標準；能夠初步設計一般設備的以太網/現場總線通信接口，掌握或了解以太網/典型現場總線系統(tǒng)的基本應用技術。在實驗教學環(huán)節(jié)中，采用教師講授和學生動手操作的方法，通過啟發(fā)式教學、討論式教學進一步培養(yǎng)學生網絡化控制系統(tǒng)分析設計的基本理論、基本知識和基本技能。培養(yǎng)學生自主學習能力、實際動手能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。在實驗前學生應復習和掌握與本實驗有關的教學內容、認真閱讀實驗指導書；在實驗中要嚴格遵守實驗紀律，按操作規(guī)程使用軟硬件設備；實驗結束后，按規(guī)定對設備進行維護保養(yǎng)；每完成一項實驗，要認真完成一份實驗報告。六、課程資源1.推薦教材：廉迎戰(zhàn).《現場總線技術與工業(yè)控制網絡系統(tǒng)》.北京:機械工業(yè)出版社.2022.2.參考書：（1）湯晏安.現場總線及工業(yè)控制網絡[M].北京:機械工業(yè)出版社.2018.（2）郭瓊.現場總線技術及其應用（第3版）[M].北京:機械工業(yè)出版社.2021.（3）趙新秋.工業(yè)控制網絡技術[M].北京:機械工業(yè)出版社.2022.（4）倪偉.工業(yè)控制網絡技術及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社.2022.（5）汪晉寬.工業(yè)網絡技術[M].北京:北京郵電大學出版社.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，王希鈺.多種現場總線協(xié)議在工業(yè)生產中的應用與比較[J].數字通信世界.2017(07):68-70.（3）陳尚文.現場總線標準的發(fā)展與工業(yè)以太網技術[J].通信電源技術.2016（07）:34-36.（4）胡毅，于東，劉明烈.工業(yè)控制網絡的研究現狀及發(fā)展趨勢[J].計算機科學.2018(01):46-49.4.網絡資源：（1）現場總線資料下載_動態(tài)資訊_產品選型_中國工控網：/bus/.（2）現場總線_中華工控網_工控論壇：/.七、課程考核對課程目標的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構成，具體考核/評價細則及對課程目標的支撐關系見表4。表4課程考核對課程目標的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標123過程性考核課堂表現4（1）根據課堂出勤情況和課堂回答問題情況進行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?11實驗12（1）根據每個實驗的實驗操作完成情況和實驗報告質量單獨評分，滿分100分；（2）每次實驗單獨評分，取各次實驗成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以實驗成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√√552作業(yè)12（1）主要考核學生對各章節(jié)知識點的復習、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?51期中測試12（1）學期期中進行一次期中測試，滿分100分。（2）以測試成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?51期末考核60（1）卷面成績100分，以卷面成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考核過程控制系統(tǒng)的組成及其工作原理，過程對象建模，測量變送器、執(zhí)行器和控制器的選用，單回路控制系統(tǒng)的分析設計，負責控制系統(tǒng)的分析。（3）考試