1、現場總線習題答案作者:張磊第一章現場總線技術概述1.自動控制系統的發展經歷了哪幾個階段?大致經歷了四個發展階段,具體如下:20世紀50年代以前是模擬儀表控制系統;直接數字控制系統;70年代中期出現集散控制系統;90年代后期現場總線控制系統。2.DCS控制系統的結構包括哪幾部分?包括三部分:分散過程控制裝置部分,操作管理裝置部分,通信系統部分3.現場總線的基本定義?現場總線(Fieldbus:是用于過程自動化或制造自動化中的,實現智能化現場設備(例如,變送器、執行器、控制器與高層設備(例如主機、網關、人機接口設備之間互聯的,全數字、串行、雙向的通信系統。5. 現場總線控制系統的技術特點。1.開放

2、性;2.全數字化;3.雙向通信;4.互可操作性與互用性;5.現場設備的智能化與功能自治性6.系統結構的高度分散性7.對現場環境的適應性6. FCS相對于DCS具有哪些優越性?1.FCS實現全數字化通信2.FCS實現徹底的全分散式控制3.FCS實現不同廠商產品互聯、互操作4.FCS增強系統的可靠性、可維護性5.FCS降低系統工程成本7. 分析現場總線的現狀,展望其發展前景。第二章數據通信基礎與網絡互聯1.何謂現場總線的主設備、從設備?可在總線上發起信息傳輸的設備叫做“總線主設備”,又稱命令者。不能在總線上主動發起通信、只能掛接在總線上、對總線信息進行接收查詢的設備稱為總線從設備(bus slav

3、er,也稱基本設備。2.總線操作過程的內容是什么?總線上命令者與響應者之間的連結數據傳送脫開,這一操作序列稱為一次總線“交易”(transaction,或者叫做一次總線操作。3.尋址方式有幾種?物理尋址邏輯尋址廣播尋址4.通信系統由哪幾部分組成?各自具有什么功能?通信系統是傳遞信息所需的一切技術設備的總和。它一般由信息源和信息接收者,發送、接收設備,傳輸媒介幾部分組成。信息源和接收者是信息的產生者和使用者發送設備的基本功能是將信息源和傳輸媒介匹配起來,即將信息源產生的消息信號經過編碼,并變換為便于傳送的信號形式,送往傳輸媒介。傳輸介質指發送設備到接收設備之間信號傳遞所經媒介。它可以是無線的,也

4、可以是有線的(包括光纖。有線和無線均有多種傳輸媒介,如電磁波、紅外線為無線傳輸介質,各種電纜、光纜、雙絞線等為有線傳輸介質。接收設備的基本功能是完成發送設備的反變換,即進行解調、譯碼、解密等。它的任務是從帶有干擾的信號中正確恢復出原始信息來,對于多路復用信號,還包括解除多路復用,實現正確分路。5.通信方式按照信息的傳輸方向分為哪幾種?單工(simplex方式;半雙工(Half duplex方式;全雙工(Full duplex方式6.通信的傳輸模式分為哪幾種?基帶傳輸載波(帶傳輸寬帶傳輸異步轉移模式ATM7.在載帶傳輸中有哪幾種常用的數據表示方法?調幅方式、調頻方式、調幅方式8.在數據通訊系統中

5、,通常采用哪幾種數據交換方式?線路交換方式報文交換方式報文分組交換方式9.比較通信系統中的幾種拓撲結構。星型結構:在星形拓撲中,每個站通過點-點連接到中央節點,任何兩站之間通信都通過中央節點進行。中央節點的結構顯得比較復雜,對其要求較高。環型結構:通過中繼器進行點-點連接,構成一個封閉的環路。中繼器接收前驅站發來的數據,發往后繼站。鏈路是單向的,工作站需有較復雜的網路處理功能。總線型結構:在總線拓撲中,傳輸介質是一條總線,工作站通過相應硬件接口接至總線上。一個站發送數據,所有其它站都能接收。10. 介質訪問控制方式主要有哪兩種?說明各自的含義。1.CSMA/CD(載波監聽多路訪問/沖突檢測 。

6、載波監聽CSMA的控制方案是先聽再講。一個站要發送,首先需監聽總線,以決定介質上是否存在其他站的發送信號。如果介質是空閑的,則可以發送。如果介質是忙的,則等待一定間隔后重試。2.令牌訪問控制方式。令牌方式是一種按一定順序在各站點傳遞令牌(Token的方法。誰得到令牌,誰才有發報權。11.什么樣的現場設備可以作為現場控制網絡節點?舉出幾個例子。具有計算與通信能力的測量控制設備可以作為現場控制網絡節點。例如限位開關、感應開關等各類開關;條形碼閱讀器;光電傳感器;溫度、壓力、流量、物位等各種傳感器、變送器;可編程邏輯控制器PLC;PID等數字控制器;各種數據采集裝置等。12.現場控制網絡完成哪些通信

7、任務?1.將現場運行的各種信息(現場設備的運行參數、狀態以及故障信息等傳送到遠離現場的控制室;2.又將各種控制、維護、組態命令等送往位于現場的測量控制現場設備中;3.現場級控制設備之間數據聯系與溝通;4.還要在與操作終端、上層管理網絡的數據連接和信息共享中發揮作用。13. ISO/OSI參考模型為哪7層?各層的主要功能是什么?ISO/OSI的7層參考模型包括:物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。物理層(physical layer主要是處理機械的、電氣的和過程的接口,以及物理層下的物理傳輸介質等問題。數據鏈路層(data link layer的主要任務是加強物理層傳輸原

8、始比特的功能,使之對網絡層顯現為一條無錯線路。網絡層(network layer關系到子網的運行控制,其中一個關鍵問題是確定分組從源端到目的端如何選擇路由。傳輸層(transport layer的基本功能是從會話層接收數據,并且在必要時把它分成較小的單元,傳遞給網絡層,并確保到達對方的各段信息正確無誤。會話層(Session layer允許不同機器上的用戶建立會話(session關系。表示層(presentation layer完成某些特定功能,例如用一種大家一致同意的標準方法對數據編碼。應用層(application layer包含大量人們普遍需要的協議。14.常用的網絡互聯設備有哪些?各自

9、對應OSI參考模型的哪一層?1.物理層使用中繼器(Repeater,通過復制位信號延伸網段長度2.數據鏈路層使用網橋(bridge,在局域網之間存儲或轉發數據幀3.網絡層使用路由器(Router在不同網絡間存儲轉發分組信號4.傳輸層及傳輸層以上,使用網關(gateway進行協議轉換,提供更高層次的接口第三章PROFIBUS總線1、PROFIBUS由哪三個兼容部分組成?各自應用的行業有哪些?2、PROFIBUS-PA、DP、FMS通信模型包括哪幾層?PROFIBUS通信模型參照了ISO/OSI參考模型的第1層(物理層和第2層(數據鏈路層,其中FMS還采用了第7層(應用層,另外增加了用戶層。6、P

10、ROFIBUS的總線存取控制機制是什么?主站之間采用令牌總線機制,主站與從站之間采用主從機制。7、PROFIBUS-DP的主要功能是什么?1DP主站和DP從站間的循環用戶數據傳輸;2各DP從站的動態激活和撤消;3DP從站組態的檢查;4強大的診斷功能,三級診斷信息;5輸人或輸出的同步;6通過總線給DP從站賦予地址;7通過總線對DP主站(DPM1進行配置;8每個DP從站最大為246字節的輸人和輸出數據。8、PROFIBUS控制系統有哪幾部分組成?(5、一類主站、二類主站包括哪些設備? 1.一類主站一類主站指PLC、PC或可做一類主站的控制器。一類主站完成總線通信與管理。2.二類主站二類主站指操作員

11、工作站(如PC機加圖形監控軟件、編程器、操作員接口等。完成各站點的數據讀寫、系統配置、故障診斷等。3.從站(1分散式I/O(2PLC(3驅動器、傳感器、執行機構等現場設備9、簡述RS-485傳輸技術的基本特征。網絡拓撲:線性總線,兩端有有源的總線終端電阻;傳輸速率:9.6kbit/s12Mbit/s;介質:屏蔽雙絞電纜,也可取消屏蔽,取決于環境條件(EMC;站點數:每段32站(無中繼,127站(有中繼;插頭連接:9針D型插頭第五章監控組態軟件的功能和使用1. 組態及組態軟件的概念使用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置,達到使計算機或軟件按照預先設置,自動執行待定任務,滿足使用者要求的目的

12、。開發商事先開發好一套具有一定通用性的軟件開發平臺,生產若干種規格的硬件模塊(如I/O模塊、通信模塊、控制模塊,然后,再根據用戶的要求在軟件平臺上進行二次開發以及硬件模塊的連接。這種軟件的二次開發工作就稱為“組態”,相應的軟件開發平臺就稱為“監控組態軟件”,簡稱“組態軟件”。2.監控組態軟件主要解決哪些問題?(1如何與采集、控制設備間進行數據交換;(2使來自設備的數據與計算機圖形畫面上的各元素關聯起來;(3處理數據報警及系統報警;(4存儲歷史數據并支持歷史數據的查詢;(5各類報表的生成和打印輸出;(6為使用者提供靈活、多變的組態工具,可以適應不同應用領域的需求;(7最終生成的應用系統運行穩定可

13、靠;(8具有與第三方程序的接口,方便數據共享。第六章基金會現場總線(FF1. FF總線特點。可以工作在生產現場,并能適應本質安全防爆的要求,還可以通過傳輸數據的總線為現場設備提供工作電源。傳輸速率的典型值為31.25kbit/s。2. 基金會現場總線通信模型只具備ISO/ OSI參考模型中的哪幾層?它們各自的作用是什么?基金會現場總線的參考模型只具備了ISO/OSI參考模型七層中的三層,即物理層、數據鏈路層和應用層,并在原有ISO/OSI參考模型第七層應用層之上增加了用戶層。物理層規定了信號如何發送;數據鏈路層規定如何在設備間共享網絡和調度通信;應用層則規定了在設備間交換數據、命令、事件信息以

14、及請求應答中的信息格式。用戶層則用于組成用戶所需要的應用程序,如規定標準的功能塊、設備描述,實現網絡管理、系統管理等。3.何謂FF現場總線的通信棧?FF總線的參考模型中的數據鏈路層和應用層統稱為通信棧。4.按照各部分在物理設備中要完成的功能可分為三大部分:通信實體、系統管理內核、功能塊應用進程。5.物理層被分為哪兩層?媒體相關子層和媒體無關子層。6. FF總線的信號由哪幾種信號編碼組成?協議報文編碼、前導碼、幀前定界碼、幀結束碼。7. FF總線通信設備類型按照各自的通信能力分為哪三類?鏈路主設備、基本設備和網橋8. FF總線的通信活動歸結起來有哪兩類?受調度通信:由鏈路活動調度器按預定的時間表

15、周期性依次發起的通信活動。(這種受調度通信一般用于在設備間周期性地傳送控制數據。如在現場變送器與執行器之間傳送測量或控制器輸出信號。和非調度通信:在預定調度時間表之外的時間,通過得到令牌的機會發送信息的通信方式。9. FF現場儀表的功能模塊包括?資源塊、功能塊、轉換塊。第九章CAN總線1.CAN總線最初是有BOSCH公司設計的。2. CAN總線的主要特點?1. 多主方式工作。網絡上任一節點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息,而不分主從,通信方式靈活,且無需站地址等節點信息。2. 網絡上的節點信息分成不同的優先級,可滿足不同的實時要求。3. 非破壞性總線仲裁技術。當多個節點同時向總線發

16、送信息時,優先級較低的節點會主動地退出發送,而最高優先級的節點可不受影響地繼續傳輸數據,從而大大節省了總線沖突仲裁時間。4. 采用報文濾波。即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據,無需專門的“調度”。5.節點數主要取決于總線驅動電路,可達110個。6.采用短幀結構,傳輸時間短,受干擾概率低,具有極好的檢錯效果。7.每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施,保證了數據出錯率極低。3. CAN的通信模型只采用了ISO/OSI模型中的物理層和數據鏈路層。4.CAN總線具有兩種邏輯狀態:隱形和顯性。5.CAN的最大傳輸速率:1Mbit/s;最遠傳輸距離:10KM。6. 數據鏈路層包括:

17、邏輯鏈路控制子層(LLC和媒體訪問控制子層(MAC7. 報文傳送由哪4種不同類型的幀表示和控制?數據幀攜帶數據由發送器至接收器;遠程幀通過總線單元發送,以請求發送具有相同標識符的數據幀;出錯幀由檢測出總線錯誤的任何單元發送;超載幀用于提供當前的和后續的數據幀的附加延遲。思考題1、現場總線的定義。現場總線是指安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線2、現場總線系統的組成。硬件:總線電纜,又稱為通信線、通信介質(媒體/媒介/介體。連接在通信線上的設備稱為總線設備,亦稱為總線裝置、節點(主節點、從節點、站點(主站、從站。軟件包括:系統平臺軟件:為系

18、統構建、運行以及為系統應用軟件編程而提供環境、條件或工具的基礎軟件。包括組態工具軟件、組態通信軟件、監控組態軟件和設備編程軟件。系統應用軟件:為實現系統以及設備的各種功能而編寫的軟件,包括系統用戶程序軟件、設備接口通信軟件和設備功能軟件。組態工具軟件為用計算機進行設備配置、網絡組態提供平臺并按現場總線協議/規范與組態通信軟件交換信息的工具軟件,如RSNetWorx for DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP 。組態通信軟件為計算機與總線設備進行通信,讀取總線設備參數或將總線設備配置、網絡組態信息傳送至總線設備而使用的軟件,如RSLinx監控組態軟件運行于監控計算機

19、(通常也稱為上位機上的軟件,具有實時顯示現場設備運行狀態參數、故障報警信息,并進行數據記錄、趨勢圖分析及報表打印等功能。監控組態軟件可使用戶通過簡單形象的組態工作即可實現系統的監控功能。監控組態軟件亦稱上位機監控組態軟件,如RSView32。設備編程軟件為系統應用軟件提供編程環境的平臺軟件。當設備為控制器/PLC時,設備編程軟件即為控制器編程軟件,如RSLogix500(用于SLC500系列和ML系列控制器的32位基于Windows的梯形圖邏輯編程軟件、RSLogix5000(用于Logix平臺所包括的各種控制器(如Control LogixTM的編程軟件。系統用戶程序軟件根據系統的工藝流程或

20、功能及其他要求而編寫的系統級的用戶應用程序。該程序一般運行于作為主站的控制器中或計算機中。設備接口通信軟件根據現場總線協議/規范而編寫的用于總線設備之間通過總線電纜進行通信的軟件。設備功能軟件使總線設備實現自身功能(不包括現場總線通信部分的軟件。3、請列舉4類現場總線設備。基金會現場總線、LonWorks、Profibus、CAN、HART、RS-4854、請給出現場總線的技術特點。現場通信網絡數字通信網絡開放互連網絡現場設備互連網絡結構與功能高度分散的系統互操作性與互換性網絡5、請給出5個現場總線的優點。全數字性、精度高、抗干擾性強、內嵌控制功能、高速通信、多變量測量、多變量傳送、系統綜合成

21、本低、真正的可互操作性、真正的分散控制、組態操作一致、具有強大的故障診斷功能、采用預測維護技術。6、請列舉現場總線的一些應用領域。樓宇自動化、家庭自動化、智能通信產品、汽車工業、繼電保護和電力監控、物流制藥、包裝、石油化工、鋼鐵冶金、機器人等7、請用圖解的形式描繪通信系統的組成, 以及各部分的作用組成見右圖見第二章第4題第一頁8、請列寫幾種數據編碼波形,并畫出其典型波形圖9、數據通信系統有幾種傳輸模式,每種模式各自的特點基帶傳輸:基帶傳輸是指在基本不改變數據信號頻率的情況下,在數字通信中直接傳送數據的基帶信號,即按數據波的原樣進行傳輸,不采用任何調制措施。它是目前廣泛應用的最基本的數據傳輸方式

22、。局域網、控制局域網特點:不用調制解調器系統價格低廉較高的數據傳輸速率(一般為1Mb/s10 Mb/s傳輸距離一般不超過25km 半雙工方式或單工方式載波(帶傳輸:在載波傳輸中,發送設備首先要產生某個頻率的信號作為基波來承載信息信號,這個基波就稱為載波信號,基波頻率就稱為載波頻率。載波傳輸是先用數字信號對載波進行調制,然后進行傳輸的傳輸模式。最基本的調制方式有幅值鍵控(ASK,頻移鍵控(FSK和相移鍵控(PSK3種,載波傳輸按這3種不同方式改變載波信號的幅值、頻率、相位,形成調制信號后發送。寬帶傳輸:由于基帶網不適于傳輸語言、圖像等信息,隨著多媒體技術的發展,計算機網絡傳輸數據、文字、語音、圖

23、像等多種信號的任務愈來愈重,因此提出了寬帶傳輸的要求。寬帶傳輸與基帶傳輸的主要區別:一是數據傳輸速率不同,基帶網的數據傳輸速率范圍為0l0Mb/s,寬帶網可達Gb/s;二是寬帶網可劃分為多條基帶信道,能提供良好的通信路徑。一般寬帶局域網可與有線電視系統共建,以節省投資。10、當前控制網絡所采用的幾種網絡結構,并寫出其中三種結構的優缺點局域網:(1ocal area network,簡稱LAN,是處于同一建筑、同一大學或方圓幾千米遠地域內的專用網絡。局域網常被用于連接公司辦公室或工廠里的個人計算機和工作站,以便共享資源(如打印機和交換信息。LAN的覆蓋范圍比較小,這意味著即使是在最壞情況下其傳輸時間也是有限的,并且可以預先知道傳輸時間。知道了傳輸的最大時間,就可以使用某些設計方法,而在其它情況下是不能這樣做的。這同樣也簡化了網絡的管理。以太網(Ethernet是一種基于總線的廣播式網絡 城域網： （metropolitan area network） ，簡稱 MAN，基本上是一種大型的 LAN，通常使用與 LAN 相似的技術。它可能覆蓋一組鄰近的公司辦公室和一個城市，支持數據