现场总线习题答案

现场总线习题答案
作者：张磊
第一章现场总线技术概述
1.自动控制系统的发展经历了哪几个阶段
大致经历了四个发展阶段，具体如下：20世纪50年代以前是模拟仪表控制系统；直接数字控制系统；70年代中期出现集散控制系统；90年代后期现场总线控制系统。

控制系统的结构包括哪几部分
包括三部分：分散过程控制装置部分，操作管理装置部分，通信系统部分
3.现场总线的基本定义
现场总线(Fieldbus)：是用于过程自动化或制造自动化中的，实现智能化现场设备（例如，变送器、执行器、控制器)与高层设备(例如主机、网关、人机接口设备)之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统。

5. 现场总线控制系统的技术特点。

1.开放性；
2.全数字化；
3.双向通信；
4.互可操作性与互用性；
5.现场设备的智能化与功能自治性
6.系统结构的高度分散性
7.对现场环境的适应性
6. FCS相对于DCS具有哪些优越性
1．FCS实现全数字化通信2．FCS实现彻底的全分散式控制3．FCS实现不同厂商产品互联、互操作4．FCS增强系统的可靠性、可维护性5．FCS降低系统工程成本
7. 分析现场总线的现状，展望其发展前景。

第二章数据通信基础与网络互联
1.何谓现场总线的主设备、从设备
可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”，又称命令者。

不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备(bus slaver)，也称基本设备。

2.总线操作过程的内容是什么
总线上命令者与响应者之间的连结→数据传送→脱开，这一操作序列称为一次总线“交易”(transaction)，或者叫做一次总线操作。

3.寻址方式有几种物理寻址逻辑寻址广播寻址
4.通信系统由哪几部分组成各自具有什么功能
通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。

它一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。

信息源和接收者是信息的产生者和使用者
发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。

传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。

它可以是无线的，也可以是有线的(包括光纤)。

有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。

接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。

它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。

5.通信方式按照信息的传输方向分为哪几种
单工(simplex)方式；半双工(Half duplex)方式；全双工(Full duplex)方式
6.通信的传输模式分为哪几种
基带传输载波（带）传输宽带传输异步转移模式ATM
7.在载带传输中有哪几种常用的数据表示方法
调幅方式、调频方式、调幅方式
8.在数据通讯系统中，通常采用哪几种数据交换方式
线路交换方式报文交换方式报文分组交换方式
9.比较通信系统中的几种拓扑结构。

星型结构：在星形拓扑中，每个站通过点-点连接到中央节点，任何两站之间通信都通过中
央节点进行。

中央节点的结构显得比较复杂，对其要求较高。

环型结构：通过中继器进行点-点连接，构成一个封闭的环路。

中继器接收前驱站发来的数据，发往后继站。

链路是单向的，工作站需有较复杂的网路处理功能。

总线型结构：在总线拓扑中，传输介质是一条总线，工作站通过相应硬件接口接至总线上。

一个站发送数据，所有其它站都能接收。

10. 介质访问控制方式主要有哪两种说明各自的含义。

CD(载波监听多路访问/冲突检测) 。

载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。

一个站要发送，首先需监听总线，以决定介质上是否存在其他站的发送信号。

如果介质是空闲的，则可以发送。

如果介质是忙的，则等待一定间隔后重试。

2.令牌访问控制方式。

令牌方式是一种按一定顺序在各站点传递令牌(Token)的方法。

谁得到令牌，谁才有发报权。

11.什么样的现场设备可以作为现场控制网络节点举出几个例子。

具有计算与通信能力的测量控制设备可以作为现场控制网络节点。

例如限位开关、感应开关等各类开关；条形码阅读器；光电传感器；温度、压力、流量、物位等各种传感器、变送器；可编程逻辑控制器PLC；PID等数字控制器；各种数据采集装置等。

12.现场控制网络完成哪些通信任务
1.将现场运行的各种信息(现场设备的运行参数、状态以及故障信息等)传送到远离现场的控制室；
2.又将各种控制、维护、组态命令等送往位于现场的测量控制现场设备中；
3.现场级控制设备之间数据联系与沟通；
4.还要在与操作终端、上层管理网络的数据连接和信息共享中发挥作用。

13. ISO/OSI参考模型为哪7层各层的主要功能是什么
ISO/OSI的7层参考模型包括：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

物理层(physical layer)主要是处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等问题。

数据链路层(data link layer)的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能，使之对网络层显现为一条无错线路。

网络层(network layer)关系到子网的运行控制，其中一个关键问题是确定分组从源端到目的端如何选择路由。

传输层(transport layer)的基本功能是从会话层接收数据，并且在必要时把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。

会话层(Session layer)允许不同机器上的用户建立会话(session)关系。

表示层(presentation layer)完成某些特定功能，例如用一种大家一致同意的标准方法对数据编码。

应用层(application layer)包含大量人们普遍需要的协议。

14.常用的网络互联设备有哪些各自对应OSI参考模型的哪一层
1.物理层使用中继器(Repeater)，通过复制位信号延伸网段长度
2.数据链路层使用网桥(bridge)，在局域网之间存储或转发数据帧
3.网络层使用路由器(Router)在不同网络间存储转发分组信号
4.传输层及传输层以上，使用网关(gateway)进行协议转换，提供更高层次的接口
第三章PROFIBUS总线
1、PROFIBUS由哪三个兼容部分组成各自应用的行业有哪些
2、PROFIBUS-PA、DP、FMS通信模型包括哪几层
PROFIBUS通信模型参照了ISO/OSI参考模型的第1层（物理层）和第2层（数据链路层），其中FMS还采用了第7层（应用层）,另外增加了用户层。

6、PROFIBUS的总线存取控制机制是什么
主站之间采用令牌总线机制，主站与从站之间采用主从机制。

7、PROFIBUS-DP的主要功能是什么
1)DP主站和DP从站间的循环用户数据传输;
2)各DP从站的动态激活和撤消;
3)DP从站组态的检查;
4)强大的诊断功能，三级诊断信息;
5)输人或输出的同步;
6)通过总线给DP从站赋予地址;
7)通过总线对DP主站(DPM1)进行配置;
8)每个DP从站最大为246字节的输人和输出数据。

8、PROFIBUS控制系统有哪几部分组成（5、一类主站、二类主站包括哪些设备）
1．一类主站
一类主站指PLC、PC或可做一类主站的控制器。

一类主站完成总线通信与管理。

2．二类主站
二类主站指操作员工作站（如PC机加图形监控软件）、编程器、操作员接口等。

完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。

3．从站（1）分散式I/O（2）PLC（3）驱动器、传感器、执行机构等现场设备
9、简述RS-485传输技术的基本特征。

网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻；
传输速率：s—12Mbit/s；
介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC）；
站点数：每段32站（无中继），127站（有中继）；
插头连接：9针D型插头
第五章监控组态软件的功能和使用
1. 组态及组态软件的概念
使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行待定任务，满足使用者要求的目的。

开发商事先开发好一套具有一定通用性的软件开发平台，生产若干种规格的硬件模块（如I/O
模块、通信模块、控制模块），然后，再根据用户的要求在软件平台上进行二次开发以及硬件模块的连接。

这种软件的二次开发工作就称为“组态”，相应的软件开发平台就称为“监控组态软件”，简称“组态软件”。

2.监控组态软件主要解决哪些问题
（1）如何与采集、控制设备间进行数据交换；
（2）使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来；
（3）处理数据报警及系统报警；
（4）存储历史数据并支持历史数据的查询；
（5）各类报表的生成和打印输出；
（6）为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求；
（7）最终生成的应用系统运行稳定可靠；
（8）具有与第三方程序的接口，方便数据共享。

第六章基金会现场总线（FF）
1. FF总线特点。

可以工作在生产现场，并能适应本质安全防爆的要求，还可以通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。

传输速率的典型值为s。

2. 基金会现场总线通信模型只具备ISO/ OSI参考模型中的哪几层它们各自的作用是什么
基金会现场总线的参考模型只具备了ISO/OSI参考模型七层中的三层，即物理层、数据链路层和应用层，并在原有ISO/OSI参考模型第七层应用层之上增加了用户层。

物理层规定了信号如何发送;数据链路层规定如何在设备间共享网络和调度通信;应用层则规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式。

用户层则用于组成用户所需要的应用程序，如规定标准的功能块、设备描述，实现网络管理、系统管理等。

3.何谓FF现场总线的通信栈
FF总线的参考模型中的数据链路层和应用层统称为通信栈。

4.按照各部分在物理设备中要完成的功能可分为三大部分：
通信实体、系统管理内核、功能块应用进程。

5.物理层被分为哪两层
媒体相关子层和媒体无关子层。

6. FF总线的信号由哪几种信号编码组成
协议报文编码、前导码、帧前定界码、帧结束码。

7. FF总线通信设备类型按照各自的通信能力分为哪三类
链路主设备、基本设备和网桥
8. FF总线的通信活动归结起来有哪两类
受调度通信：由链路活动调度器按预定的时间表周期性依次发起的通信活动。

（这种受调度通信一般用于在设备间周期性地传送控制数据。

如在现场变送器与执行器之间传送测量或控制器输出信号。

）
和非调度通信：在预定调度时间表之外的时间，通过得到令牌的机会发送信息的通信方式。

9. FF现场仪表的功能模块包括资源块、功能块、转换块。

第九章CAN总线
总线最初是有BOSCH公司设计的。

2. CAN总线的主要特点
1. 多主方式工作。

网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。

2. 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。

3. 非破坏性总线仲裁技术。

当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。

4. 采用报文滤波。

即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。

5.节点数主要取决于总线驱动电路，可达110个。

6.采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。

7.每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。

3. CAN的通信模型只采用了ISO/OSI模型中的物理层和数据链路层。

总线具有两种逻辑状态：隐形和显性。

的最大传输速率：1Mbit/s；最远传输距离：10KM。

6. 数据链路层包括：逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）
7. 报文传送由哪4种不同类型的帧表示和控制
数据帧携带数据由发送器至接收器；远程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧由检测出总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟。

思考题
1、现场总线的定义。

现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线
2、现场总线系统的组成。

硬件：总线电缆，又称为通信线、通信介质（媒体/媒介/介体）。

连接在通信线上的设备称为总线设备，亦称为总线装置、节点（主节点、从节点）、站点（主站、从站）。

软件包括：
系统平台软件：为系统构建、运行以及为系统应用软件编程而提供环境、条件或工具的基础软件。

包括组态工具软件、组态通信软件、监控组态软件和设备编程软件。

系统应用软件：为实现系统以及设备的各种功能而编写的软件，包括系统用户程序软件、设备接口通信软件和设备功能软件。

组态工具软件——为用计算机进行设备配置、网络组态提供平台并按现场总线协议/规范与组态通信软件交换信息的工具软件，如RSNetWorx for DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP 。

组态通信软件——为计算机与总线设备进行通信，读取总线设备参数或将总线设备配置、网络组态信息传送至总线设备而使用的软件，如RSLinx
监控组态软件——运行于监控计算机(通常也称为上位机)上的软件，具有实时显示现场设备运行状态参数、故障报警信息，并进行数据记录、趋势图分析及报表打印等功能。

监控组态软件可使用户通过简单形象的组态工作即可实现系统的监控功能。

监控组态软件亦称上位机监控组态软件，如RSView32。

设备编程软件——为系统应用软件提供编程环境的平台软件。

当设备为控制器/PLC时，设备编程软件即为控制器编程软件，如RSLogix500（用于SLC500系列和ML系列控制器的32位基于Windows的梯形图逻辑编程软件）、RSLogix5000（用于Logix平台所包括的各种控制器（如Control LogixTM）的编程软件）。

系统用户程序软件——根据系统的工艺流程或功能及其他要求而编写的系统级的用户应用程序。

该程序一般运行于作为主站的控制器中或计算机中。

设备接口通信软件——根据现场总线协议/规范而编写的用于总线设备之间通过总线电缆进行通信的软件。

设备功能软件——使总线设备实现自身功能（不包括现场总线通信部分）的软件。

3、请列举4类现场总线设备。

基金会现场总线、LonWorks、Profibus、CAN、HART、RS-485
4、请给出现场总线的技术特点。

现场通信网络数字通信网络开放互连网络现场设备互连网络结构与功能高度分散的系统互操作性与互换性网络
5、请给出5个现场总线的优点。

全数字性、精度高、抗干扰性强、内嵌控制功能、高速通信、多变量测量、多变量传送、系统综合成本低、真正的可互操作性、真正的分散控制、组态操作一致、具有强大的故障诊断功能、采用预测维护技术。

6、请列举现场总线的一些应用领域。

楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品、汽车工业、继电保护和电力监控、物流制药、包装、石油化工、钢铁冶金、机器人等
7、请用图解的形式描绘通信系统的组成, 以及各部分的作用
组成见右图
见第二章第4题第一页
8、请列写几种数据编码波形,并画出其典型波形图
9、数据通信系统有几种传输模式,每种模式各自的特点
基带传输：基带传输是指在基本不改变数据信号频率的情况下，在数字通信中直接传送数据的基带信号，即按数据波的原样进行传输，不采用任何调制措施。

它是目前广泛应用的最基本的数据传输方式。

局域网、控制局域网
特点：不用调制解调器系统价格低廉较高的数据传输速率（一般为1Mb/s～10 Mb/s）传输距离一般不超过25km 半双工方式或单工方式
载波（带）传输：在载波传输中，发送设备首先要产生某个频率的信号作为基波来承载信息信号，这个基波就称为载波信号，基波频率就称为载波频率。

载波传输是先用数字信号对载波进行调制，然后进行传输的传输模式。

最基本的调制方式有幅值键控(ASK)，频移键控(FSK)和相移键控(PSK)3种，载波传输按这3种不同方式改变载波信号的幅值、频率、相位，形成调制信号后发送。

宽带传输：由于基带网不适于传输语言、图像等信息，随着多媒体技术的发展，计算机网络传输数据、文字、语音、图像等多种信号的任务愈来愈重，因此提出了宽带传输的要求。

宽带传输与基带传输的主要区别:一是数据传输速率不同，基带网的数据传输速率范围为0~l0Mb/s，宽带网可达Gb/s;二是宽带网可划分为多条基带信道，能提供良好的通信路径。

一般宽带局域网可与有线电视系统共建，以节省投资。

10、当前控制网络所采用的几种网络结构,并写出其中三种结构的优缺点
局域网：（1ocal area network），简称LAN，是处于同一建筑、同一大学或方圆几千米远地域内的专用网络。

局域网常被用于连接公司办公室或工厂里的个人计算机和工作站，以便共享资源（如打印机）和交换信息。

LAN的覆盖范围比较小，这意味着即使是在最坏情况下其传输时间也是有限的，并且可以预先知道传输时间。

知道了传输的最大时间，就可以使用某些设计方法，而在其它情况下是不能这样做的。

这同样也简化了网络的管理。

以太网（Ethernet）是一种基于总线的广播式网络
城域网：（metropolitan area network），简称MAN，基本上是一种大型的LAN，通常使用与LAN相似的技术。

它可能覆盖一组邻近的公司办公室和一个城市，支持数据和声音，不包含交换单元。

MAN有一个分布式队列双总线DQDB（distributed queue dual bus）标准。

广域网：（wide area network），称为WAN，是一种跨越大的地域的网络，通常包含一个国家或州。

运行用户应用程序的主机（host）通过通信子网（communication subnet，或简称子网）连接。

无线网：所谓无线网络，既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术，与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份
互联网：互联网互联的网络集合就称为互联网（inter network或internet）。

常见的互联网是通过WAN连接起来的LAN集合。

“互联网（intemet）”只代表一般的网络互联意思。

而Internet （大写的I译为“因特网”）是指特定的世界范围的互联网，它被广泛地用于连接大学、政府机关、公司和个人用户。

11、请列写几种传输介质,并详细描绘其物理特性
双绞线：由按规则螺旋结构排列的两根或四根绝缘线组成。

一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干扰最小。

同轴电缆：由内导体（电缆铜芯）、绝缘层、外导体（铜网）及外部保护层（外绝缘层）组成。

同轴介质的特性参数由内、外导体及绝缘层的电参数和机械尺寸决定。

光纤：是一种直径为50～100μm的柔软、能传导光波的介质，各种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。

在折射率较高的单根光纤外面用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道，多条光纤组成一束就构成光纤电缆。