网络总线及技术题目及答案

题目与解答
第一章现场总线概述
1简述FCS的主要技术特点和优点是什么？（FCS名词解释见34背页）
（1）现场总线系统(FCS)的技术特点：
①系统的开放性。

相关标准的公开、一致性，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统具备互可操作性与互用性。

不同生产厂家性能类似的设备可实现互换性。

互可操作性：实现互联设备间的信息传输；互用性：不同厂家性能类似设备可实现互换性。

②现场设备的智能化与功能自治性。

仅靠现场总线设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备运行状态。

包括传感测量、补偿计算、数据处理与控制等
③系统的实时性与确定性。

测控任务具有严格的时序和实时性要求，否则可能造成控制系统的灾难性后果。

这也要求通信机制能够保证时间发布和数据传输的实时性。

④现场环境的适应性。

现场总线是专为生产现场环境设计的，支持多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，满足本质安全防爆等各种
环境要求。

⑤采用成熟先进技术、系统结构的高度分散性。

设备描述语言DDL、技术等。

现场总线可构成全分散性控制系统，简化了系统结构，提高了可靠性。

（2）现场总线的优点：
由于现场总线具有以上突出的特点，它使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行以及检修维护，都体现出巨大的优越性。

①节省系统投资、安装费用和维护费用。

②设计、组态、安装、调试简便，系统维护、设备更换和系统扩充方便。

③用户具有高度的系统集成主动权，系统易于重构。

④提高了控制系统的安全性、可靠性和准确性。

⑤完善了企业信息系统，为实现企业综合自动化提供了基础。

2为什么说Fieldbus是底层控制网络Infranet（从Fieldbus的结构特点分析说明）。

（1）• 现场总线将单个分散的现场设备变成网络节点，相互之间连接成可以互通信息、共同完成测量控制任务的网络控制系统。

• 每个节点实际上是一个智能设备，能够独立完成从控制、检测，到运算、显示、报警等多种任务。

（2）现场总线是低层控制网络Infranet(或者3（3）)
• Infranet（Infrastructure Network），使工厂底层网络系统的底层现场设备之间以及生产现场与外界能够实现信息交换，满足企业综合自动化的发展需要。

• 现场总线是一个开放系统，具有统一标准，能够构成真正的开放互连系统。

• 现场总线主要完成测量控制任务，多为短帧信息传输，数据传输的实时性强，
能够在恶劣环境下保证数据传送的完整性和可靠性，传输速率通常在几十Kbps 到数Mbps（属于低带宽网络）。

3 简述FCS在企业网络系统中的地位与作用。

（1）• Infranet是控制网络，是企业网络最下层，是企业网络的基础。

• Infranet主要作用：实现自动化系统信息传输，构成控制网络。

传输的信息包括测量值、控制量、状态量、运行参数、系统组态、校正
信息，这些也是企业信息你的重要组成部分。

• 企业网络需要实现管理控制一体化，生产的优化调度等需要现场装置的数据交换，需要集成不同装置的生产数据。

• ERP、MES、FCS各层之间必然存在数据传输和信息共享，Infranet主要实现生产过程控制任务，同时为企业网络提供、传输、集成生产过程数据信息。

（2）• 现场总线控制系统（FCS）是自动化领域的低层控制网络Infranet
（ Infrastructure Network），它不同于通用的信息（管理）网络，其技术要求和特点有着显著区别。

• 经济的全球化使竞争日益加剧，要求产品技术含量高，更新换代速度加快。

• 企业要求提高产品上市时间，改善产品质量，降低产品成本，完善产品服务，这种永无止境的改进和提高的过程，需要系统的概念，达到信息集成，统一组织市场、生产、管理和服务全过程（企业网络），低层控制网络（Infranet）是必不可少的。

3（见2（2））
第二章网络与通信基础
1 通信线路有3种工作方式，分别用1例说明其工作原理。

（1）点与点之间的通信：按消息传送的方向与时间关系，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信。

（2）①单工通信（simplex communication）指消息只能单方向进行传输的
工作方式。

如广播、电视、遥控等。

图课件12页
②课件12页
③课件12页
2 简述数字信号传输的差错控制编码的目的和实现的基本原理。

（1）目的：•信道编码是以降低信息传输速率为代价来减少误码率，也可以说是降低系统的有效性来增强系统的可靠性。

• 采用信道编码技术来检测和纠正误码，是减少加性干扰造成错误判决的有效措施。

(2)差错控制编码（纠错编码）原理
• 在信息码元序列中附加一些监督码元就称为差错控制编码，也称为纠错编码。

Shannon信道编码定理是其理论依据。

• 这些监督码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联，接收端按照这种规则检验监督码元与信息码元间的关系，一旦传输过程发生错码，则监督码元与信
息码元间的规则关系受到破坏，从而发现错码或给予纠正。

• 不同的编码方法，有不同的检错或纠错能力。

一般说来，编码中增加的监督码元越多，检（纠）错的能力就越强，但信道的传输速率会下降越多。

第三章控制网络与计算机网络
1 为什么控制网络具有实时性要求？
①• 控制网络直接面向生产过程，因此要求具有很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。

②控制网络位于工业生产现场，主要完成测量控制任务，多为短帧信息传输，数据传输的实时性强，能够在恶劣环境下保证数据传送的完整性和可靠性，传输速率通常在几十Kbps到数Mbps（属于低带宽网络）
③通信的实时性：具有严格的时序和定时要求
• 达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的动作时序，甚至会造成灾难性的后果。

④• 实时系统：硬实时和软实时。

控制网络中中断、故障处理、时钟等一般属于硬实时；程序循环、调用等属于软实时。

⑤实时性问题：
• 实时性：如果一个系统或应用能够恒定满足实时要求，则系统或应用就具有实时性；即实时响应要求一个系统在任何条件下都能在明确指定的时间内发生响应。

（图见课件16页）
2 简要说明网络的拓扑结构及其特点。

• 网络拓扑结构、信号方式（信息编码）、访问控制方式和传输信道（介质）是影响网络性能的主要因素。

（一）计算机网络的拓扑结构
网络结构是指网络各个站点（节点）的互联方式。

物理拓扑结构描述了节点间的实际连接；逻辑拓扑结构描述了节点间的信息流动方式。

网络拓扑结构
主要有：
(1)星型拓扑结构：由中心节点转发的网络结构，如交换网络中心，无线通信。

任何节点之间通信需要通过中心节点进行；采用了集中通信控制策略，易于实现通信量综合分析；中心节点非常复杂，通信处理负担重，其它节点简单，通信量很小；适用于终端集中地方，如图3.4 HUB结构。

(2)树型拓扑结构：分级结构，又称为分级集中式网络，如有线电视网。

树型拓扑可以认为是星型拓扑/总线拓扑的扩展形式；适应性强，应用广泛；适用于层次型网络系统，如图3.6。

(3)总线拓扑结构：节点间共享同一个总线，如以太网(Ethernet)。

总线上1个节点发送数据，其它节点都能够接受到；某一时刻仅仅允许1个节点发送数据，需要总线仲裁措施；广泛应用于控制网络；适用于广播通信，如图3.5。

(4)环型拓扑结构：节点间通过介质连接成环形，如局域网中的令牌环，高速主干网FDDI。

环型通过点对点的节点通信，环型结构为1个封闭环路；每个节点都有中继器，具备存取和收发控制功能；每个节点依次进行通信；广泛应用于高速链路通信，如图3.3。

(5)网状型（网型）：节点之间无规则连接，如一般广域网，主干（骨干）网。

(二) 各种拓扑结构的特点：
(1)星型：结构简单，管理方便，建网容易，但中心节点的可靠性要求高。

(2)树型：扩展维护方便，故障容易隔离，但可靠性低，资源共享能力差。

(3)总线型：易于布线、扩展，可靠性高，但效率较低（总线竞争）。

(4)环型：传输介质适应性好，传输速率高，但可靠性低，扩展困难。

(5)网状型（网型）：可靠性高，资源共享能力强，但控制方法和网络结构复杂。

3 简述介质访问控制方式的种类与工作原理。

见去年的3页（课件19、21、22）
4 ISO/OSI参考模型将开放系统的通信功能分为几层结构及各层次的主要功能？其目的是什么？
见去年的4页（课件25、26）
5 简要说明常用的网络互联设备类型及其作用分别是什么？
(1)• 根据网络互连设备工作的层次和支持的协议，网络互连设备可分为4类：中继器；网桥；路由器；网关。

1. 中继器（repeater，物理层）：在相同网段间复制位信号，具有信号放大和驱动作用。

2. 集线器HUB （物理层）：多口中继，把多个节点连接起来。

3. 网桥（bridge，数据链路层）：在相同类型网段间存储转发数据帧，能够互连相同类型的不同网段。

4. 交换机（数据链路层）：多口网桥。

5. 路由器（router，网络层）：在不同网段间存储转发数据包。

6. 网关（gateway，传输层及以上）：用于连接不同类型的网络，进行网络协议转换，提供高层功能服务。

(2)• 现场总线网段间最常用的是中继器和网桥。

①• 中继器：包括中继器和集线器（HUB）两种类型，是网络互连最简单的设备，用于同种类型的网络互连。

• HUB：通常分为无源、有源、智能3种。

无源HUB不对信号进行处理；有源HUB对信号进行再生和放大，能扩大网络覆盖范围；智能HUB还具有简单的网络管理和路由选择等功能，是功能最强的一种HUB。

• 主要作用：增加传输距离；增加网段的节点数量。

• 中继器对数据不作处理，仅仅复制位信号，进行对信号整形、放大，再生信号传输，确保信号传输质量。

属于物理层网络设备。

• 每种网络规定最大传输距离，长距离传输必须使用中继器（噪声影响）。

• 中继器不改变网络功能，中继器两侧节点的传输速率、协议、地址不变。

• 中继器必须放置在恰当位置，否则信号再生毫无意义。

②网桥：具有寻址和路由选择功能，可以连接两个或两个以上不同传输速率、传输介质和拓扑结构的网段，包含了物理层和数据链路层，是一种存储转发数据帧装置。

• 网桥能够有效减轻网络负载，改善网络性能。

网桥在路由选择、差错控制、网络管理等是有限的。

• 网桥两侧网段的传输协议、地址应该相同。

• 网桥具有不同网段之间相互隔离的功能，能够有效过滤信号包。

• 网桥对网络
维护、安全等具有积极作用。

③路由器：
• 路由器包含了物理层、数据链路层和网络层，具有软件功能。

选择数据包（报文分组信息）的最佳传输路径，实现在不同网段间数据包的存储转发。

• 支持多种协议的路由选择；流量控制；对数据包（分组信息）进行分段和组装；差错控制；网络管理。

• 路由器互联的所有网段具有相同的协议。

④• 网关（网间协议转换器）：实现不同通信协议的网络互联，提供高层功能服务。

• 网关完成报文的接收、翻译、发送（变换）功能。

通常需要2个微处理器和2个通信接口分别实现各种的协议传输要求。

• 异型网络至少从物理层到网络层的协议不相同，它们的互联由网关实现。

没有通用的网关，只有某个特定应用的网关，且在应用层进行协议转换（CAN-FF等）。

• 主要功能：网间寻址；网间路由选择；网间流量控制；网间安全与差错控制等。

6 结合网络化控制系统的结构，说明控制网络系统的主要特点。

（1）• 控制网络：由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而形成的网络;以现场总线作为通信连接的纽带;完成测量控制任务的网络系统、控制系统。

控制网络的网络节点：除了计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端外，还有测量控制设备：PLC、数字调节器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。

单片机或其它专用芯片的嵌入式设备，或功能简单的非智能设备。

• 测量控制设备功能单一：完成指定测控任务• 计算能力（数据处理能力）有限：复杂计算要求难以实现• 人机交互能力有限：状态显示• 测量控制设备可以是简单的，或智能设备，可以带MCU等，可以是简单的通信接口（必须的）。

• 网络节点：传感器、执行器、测控仪表。

控制网络的工作环境：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求。

• 控制网络的任务：传输工业数据（图象），承担自动测控任务。

许多情况下要求自动完成。

• 控制网络通信的内容：生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置；开关状态、报警状态–设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息；系统组态、参数修改信息等。

• 测量控制设备类型：
–各类开关：限位、感应等
–传感器、变送器：温度、压力、流量、光电等
– PLC–数字控制器模块：PID
–各种采集模块：基于PC的板卡，PC104板卡等
–工控机：监控层计算机
–各种阀门：调节阀、电动阀等
–运动控制设备：各种电机、泵等（马达）
–变频器
–机器人
–控制网络设备：中继器、网桥、网关等
（2）控制网络的特点
可不写【• 控制网络分布在生产现场，将功能各异的测控设备连接为自动化系统。

• 控制网络通常还需要与信息网络互联，构成管控一体化系统。

是网络系统的重要组成部分。

• 控制网络涉及到生产和生活的各个方面。

如生产车间、生产流水线、交通、建筑、军事等。

• 控制网络将测量控制设备连接起来，相互沟通信息，共同完成测控任务。

】
• 控制网络直接面向生产过程，因此要求具有很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。

• 控制网络Infranet不同于一般的信息通信网络，其技术要
求与特点主要有：
①要求有高实时性与良好的时间确定性；
②传送信息多为短帧信息，且信息交换频繁；
③容错能力强，可靠性、安全性好；
④控制网络协议实用简单，工作效率高；
⑤控制网络结构的高度分散性；
⑥控制设备的智能与控制功能的自制性；
⑦易于实现与信息网络集成；
⑧性能价格比高。

⑨数据帧包含的字节数少
• 控制网络是一类特殊的网络
–广泛应用于离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以至农、林、牧、渔等各行各业。

一般为局域网，在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、以及这些设备与计算机之间传递数据信息的过程。

第四章 CAN总线
1 简要说明CAN总线的实时性和可靠性是如何实现和保障的？
见去年的8页
2简述CAN总线的主要性能特点。

见去年的9页
3简述CAN总线接口（节点）的实现方法，给出实现的原理结构示意图。

课件46页
4简述CAN总线错误检测的类型与工作原理。

（1）去年的9页
（２）CAN总线工作原理
• CAN总线是基于报文的广播通信方式，通过报文广播给网络中所有站点，每个站都对其进行接收，然后判断确定是否接收它。

每组报文开头的11位/29位标识符ID定义了报文的优先级，在同一系统中ID是唯一的，当几个站同时竞争总线访问时，这种配置要求是必须的。

• 当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU 将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN控制器，处于准备状态。

当它得到总线访问权时，转为发送报文状态。

CAN控制器将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网络上的其它站处于接收状态。

每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，以确定是否接收它。

• 由于CAN总线是一种面向数据块的编址方案，很容易建立控制系统并进行灵活配置。

当需要在CAN总线中增加新
站时，无需对硬件或软件进行过多修改。

当增加的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议能够实现分布过程数据同步，即总线上控制器需要测量数据时，可通过网络获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。

第五章基金会现场总线FF
1 简要说明FF主要技术内容。

（课件49）
（１）FF主要技术内容
①• FF通信技术：包括FF通信模型、通信协议、通信控制器、通信网络与管理等。

如通信栈软件、FF圆卡、各种网络设备（中继器、网桥、网关等）。

②• 标准功能块（FB：Function Block）与功能块应用进程（FBAP：FB Application Process）：将控制功能的公共特征划分为标准功能块，由这些功能块构成现场设备的应用进程，便于系统组态、调度和管理等。

③• 设备描述（DD：Device Description）与设备描述语言（DDL：DD Language）。

设备描述技术主要是解决互操作性问题，DD是设备驱动程序，DDL是进行DD的标准编程语言。

④• FF通信控制器与外设（如智能仪表）接口技术：通信控制器芯片、通信栈软件、FF圆卡等都有多家供应商提供，根据需求便于功能集成，设计新产品。

⑤• 系统集成技术：包括网络系统与控制系统的集成。

⑥• 系统测试技术：包括产品一致性与互操作性测试；功能和性能测试；总线性能分析测试等。

（２）FF技术内容说明：
• 数据链路层和应用层的全部功能统称为通信栈（Communication Stack，FF通信协议），用于完成开放互连模型中第2-7层的通信协议。

• 功能块用于描述设备特征、参数、属性及操作等功能。

• 标准DD（产品注册过的制造商）由现场总线基金会以CD-ROM光盘提供给用户。

• 大量使用了新技术和概念，如基于面向对象设计技术的功能块、动态调度器等。

提供网络系统的组态、调度、管理等功能的网络系统软件；自动
化系统与网络系统集成技术等。

• 产品一致性与互操作性测试由第三方认证机构完成，并授予FF产品标志。

2 简述FF通信中的虚拟通信关系VCR的作用与应用？
去年的5页，或者课件51
3 简要说明FF通信中的链路活动调度器LAS的功能？（课件50）
（１）FF数据链路层
• 所有连接到同一物理通道上的AP都是通过数据链路层的实时管理来协调的。

• 链路活动调度器（LAS：Link ActiveScheduler）作为数据链路层的特殊实体，为AP的信息传输提供周期性或非周期性的服务。

建立LAS的目的是根据一个事先排好的调度表和分配给设备的优先级，控制令牌权来访问设备中的数据，网络中的每个链路段都有唯一的LAS。

通过LAS传递令牌，得到令牌的物理设备可以对网络进行访问（令牌总线访问控制方式）。

（2）FF数据链路层说明：
• 由于工业控制过程中实时性的要求，在FF中没有采用IEEE802.4标准（令牌总线）中所定义的总线管理方式，而是采用了集中式的管理方
式，减少了实时通信的时延。

• FF现场总线设备在数据链路层可分为两种：BASIC DEVICE （基本设备）和LINK MASTER DEVICE （链路主设备）。

BASIC DEVICE 不能主动发起一次通信，只能接受查询； LINK MASTER DEVICE 则可以在得到令牌时发起一次通信。

在每一个网段中都有一个特殊的LINKMASTER DEVICE，它能够调度本网络段各个设备的通信活动，称为LINK ACTIVITY SCHEDULER（链路活动调度器：LAS）。

4 简述FF用户层中的功能模块FB的作用与应用要求。

（课件51-52）
（1）功能模块FB
• 功能模块FB将控制系统的各种功能的公共特征标准化，包括输入、输出、算法、事件、参数与功能块控制等内容，提供各种测控功能。

• 任何功能块与其他功能块的输入/输出参数的接
口定义标准化，功能块连接完全开发。

• 功能块连接实现了功能块之间的参数传递和功能集成；可包含多个功能块。

• 可按周期，或按事件的发生重复作用。

如由外部事件驱动功能块的执行，通过算法将输入参数转换为输出参数，实现应用系统的控制功能。

• 同一设备的功能块连接称为本地连接；不同设备的功能块连接需要功能块应用进程FBAP服务。

(2)课件52
5 简要说明开发FF产品的技术步骤是什么？（课件52-53）
去年的5页
第六章 PROFIBUS总线
1 Profibus产品分为几个系列？分别简述其应用领域和特点。

（课件54-55）去年的7页
2 简要说明PROFIBUS的主站与从站的主要作用。

（课件57）
PROFIBUS的主站与从站
• 1类主站：有能力控制若干从站、可完成总线通信控制与管理的设备。

PLC、PC 机等可作为1类主站
• 2类主站：有能力管理1类主站的组态数据和诊断数据的设备。

具有1类主站所具有的通信能力。

可完成站点的数据读写、系统组态、监视、故障诊断等。

编程器、操作员工作站、操作员接口等都是2类主站
• 从站：通信上从属于1类主站管理，提供I/O数据的现场设备
3 简述PROFIBUS总线访问控制的主要内容。

(课件56)
（1）PROFIBUS总线访问协议
• 三种PROFIBUS（DP、FMS、PA）均使用一致的总线存取协议，该协议是通过OSI-RM
第二层（数据链路层）来实现的，包括保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。

• 在PROFIBUS中，第二层也称之为现场总线数据链路层FDL（Fieldbus Data Link），其中介质存取控制MAC（Medium Access Control）子层具体控制数据传输的程序，MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。

• MAC能够监测传输介质与收发器好坏，检查站点地址出错否（如地址重复等），令牌错误（如多个令牌，令牌丢失等）。

（2）PROFIBUS总线访问协议的设计要满足MAC的基本要求
• 在复杂的自动化系统（主站）间的通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。

• 在复杂的程序控制器和简单的I/O设备（从站）间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。

• PROFIBUS总线存取协议在主站之间采用令牌传送方式（Token Passing），主站与从站之间采用主从方式（Master-Slave），循环查询（轮询）方法。

（3）PROFIBUS总线访问协议要求
• 令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间（Hold Time）内得到总线存取权（令牌），令牌传递仅在各主站之间进行。

• 主站得到总线存取令牌时可与从站通信。

每个主站均可向从站发送或读取信息。

可以有三种系统结构（配置）：纯主-从系统；纯主-主系统；混合系统。

• 在总线系统初建时，主站介质存取控制MAC的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。

在总线运行期间，断电或损坏的主站必须从环中排除，新上电
的主站必须加入逻辑环。

• FDL（第二层）的重要任务还有保证数据的可靠性。

其数据结构格式可保证数据的高度完整性。

• FDL 按照非连接的模式操作，除提供点对点逻辑数据传输外，还提供多点通信（包括广播及有选择广播）功能。

•主站构成令牌逻辑环：令牌逻辑是所有主站的组织链，按照主站的地址构成令牌逻辑环，令牌在规定的时间内按照地址的升序在各主站之间依次传递。

各主站获得令牌并保持令牌时间的长短取决于该令牌配置的循环
时间。

• 混合总线访问协议：主站间的令牌逻辑环；主从站间的主从协议。

• 主站：主动站在一个限定时间内（ Token Hold Time）对总线有控制权（PLC/PC）。

• 从站：从站只是响应一个主站的请求，它们对总线没有控制权（I/O）。

（4）PROFIBUS总线访问协议中令牌调度原理
在多主网络中，令牌调度必须确保：
每个主站有足够的时间完成它的通信任务
目标令牌循环时间(TTR)
站点的令牌持有时间（TTH）：接收令牌后可用于完成通信任务的时间(TTH) 令牌实际循环时间TRR
4 PROFIBUS-DP的基本功能主要有哪些？（课件57）
(1)见去年的8页（2）PROFIBUS-DP的基本功能说明：
• DP主站和DP从站间的循环用户数据传送。