工业控制网络复习重点.docx

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工业控制网络复习重点

工业控制网络

题型：

填空（15*1’）

选择（10）

分析

（2）

简答（5）

操作（10’）

第一章

1.现场总线

定义：

国际电工委员会制定的国际标准IEC61158对现场总线（fieldbus）的定义：

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称为现场总线。

现场总线——控制网络

现场总线——工业电话线

现场总线——底层控制网络

2.输入输出设备

总线上的数据输入设备：

包括按钮、传感器、接触器、变送器、阀门等，传输其位置状态、参数值等数据；

总线上的输出数据用于：

驱动信号灯、接触器、开关、阀门等。

3.现场总线特点

⏹适应工业应用环境。

⏹要求实时性强，可靠性高，安全性好。

⏹多为短帧传送。

（短帧传输体现实时性）

⏹通信的传输速率相对较低。

4.几种现场总线

•FoundationFieldbus，FF

•LonWorks

•Profibus

•ControlNet

•DeviceNet

•CAN

•Hart

5.现场总线系统组成与组织结构

Ø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：

Ø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。

Ø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。

6.在现场总线控制系统中，总线设备主要分为6类

Ø变送器／传感器（输入设备）；

Ø执行器（输出设备）；

Ø控制器；

Ø监控／监视计算机；

Ø网桥／网关/中继器/集线器/交换机/路由器（网络互联设备）；

Ø其他现场总线设备（HMI）。

7.现场总线

技术特点：

1、现场通信网络

2、数字通信网络

3、系统的开放性

4、现场设备互连网络

5、系统结构和功能高度分散性

6、互操作性与互换性网络

优点（5个）：

1、导线和连接附件大量减少

2、仪表和输入／输出转换器（卡件）大量减少

3、设计、安装和调试费用大大降低

4、维护开销大幅度下降

5、提高了系统的可靠性

6、提高了系统的测量与控制精度

7、系统具有优异的远程监控功能

8、系统具有强大的（远程）故障诊断功能

9、用户具有高度的系统集成主动权

10、现场设备更换和系统扩展更为方便

11、为企业信息系统的构建创造了重要条件

12.概括

现场总线是综合自动化的发展需要

综合自动化要求对企业信息的优化利用。

智能仪表为现场总线的出现奠定了基础

传输信号数字化是实现数字通信的基础。

现场总线将朝着开放系统、统一标准的方向发展

系统开放性是指对同一标准的认同和遵守。

9.作业题

1.现场总线的定义。

2.现场总线系统的组成。

3.请列举4类现场总线设备。

4.请给出现场总线的技术特点。

5.请给出5个现场总线的优点。

6.请列举现场总线的一些应用领域

1.连续、离散制造业，如电力、石化、冶金、纺织、造纸，过程自动化仪表；火车、汽车、轮船、机器人、数控机床；智能传感器

2.楼宇自控、仓储；

3.智能交通、环境监测（大气、水污染监测网络）

4.农、林、水利、养殖等

第二章

1.数字通信系统的基本组成：

发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通信协议

⏹数据通信系统实际上是一个硬软件的结合体

⏹信息源和信息接收者是信息的产生者和使用者。

⏹信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源和离散信息源。

⏹发送设备的基本功能是将信息源和传输介质匹配起来，即将信息源产生的信息信号经过编码，并转换为便于传送的信号形式，送往传输介质。

⏹传输介质是指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。

它可以是有线的也可以是无线的。

⏹接收设备的基本功能就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。

2.性能指标

⏹衡量一个数据通信系统好坏的主要性能指标包括传输的有效性和可靠性的指标。

⏹有效性指标：

数据传输速率

频带利用率

协议效率

通信效率

⏹可靠性指标：

误码率

3.数字编码（数据在物理层的表示期中考试题目）

⏹数据编码是指通信系统中以何种物理信号的形式表达数据

⏹分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0，1状态称为模拟数据编码

⏹用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0，1状态的，称为数字数据编码

模拟数据编码—调幅

幅值键控ASK中，载波信号的幅度随着调制信号而变化，而载波信号的频率、相位不变。

例如在二进制数字信号调制后波形的时域表达式对应SA=anA*coswct，an=0，SA=0代表0，an=1，SA波形代表1。

模拟数据编码——调频

频移键控FSK中，载波信号的频率随着调制信号而变化，而载波信号的幅度、相位不变。

例如在二进制频移键控中、可定义为信号0对应的载波频率大，信号1对应的载波频率小。

模拟数据编码——调相

相移键控PSK中，载波信号的相位随着调制信号而变化，而载波信号的幅度、频率不变。

例如在二进制相移键控中、可定义为信号1对应的0o，信号0对应180o。

5.串行传输和并行传输

⏹数据传输方式是指数据代码的传输顺序和数据信号传输时的同步方式

⏹根据代码的传输顺序可分为

⏹串行传输

⏹并行传输

⏹根据数据信号传输时的同步方式可分为

⏹同步传输

⏹异步传输

⏹串行传输（SerialTransmission）中，数据流以串行方式逐位地在一条信道上传输。

⏹每次只能发送一个数据位，发送方必须确定是先发送数据字节的高位还是低位。

同样，接收方也必须知道所收到字节的第一个数据位应该处于什么位置。

⏹串行传输具有易于实现，在长距离连接中可靠性高等优点。

适合远距离的数据通信。

⏹并行传输（ParallelTransmission）是将数据以成组的方式在两条以上的并行通道上同时传输。

⏹它可以同时传输一组数据位，每个数据位使用单独的一条导线，例如采用8条导线并行传输一个字节的8个数据位，另外用一条“选通”线通知接收者接收该字节，接收方可对并行通道上各条导线的数据位信号并行取样。

⏹若采用并行传输进行字符通信时，不需要采取特别措施就可实现收发双方的字符同步。

⏹串行传输和并行传输的区别在于组成一个字符或字节的各数据位是依顺序逐位传输还是同时并行地传输。

6.通信方式

（1）单工通信：

指所传送的信息始终朝着一个方向，而不进行与此相反方向的传送，如设A为发送终端，B为接收终端，数据只能从A传送至B，而不能由B传送至A。

⏹单工通信线路一般采用二线制。

（2）半双工通信：

指信息流可在两个方向上传输，但同一时刻只限于一个方向传输。

如信息可以从A传至B，或从B传至A，所以通信双方都具有发送器和接收器。

实现双向通信必须改换信道方向。

⏹半双工通信采用二线制线路，当A站向B站发送信息时，A站将发送器连接在信道上，B站将接收器了解接在信道上，而当B站向A站发送信息时，B站则要将接收器从信道上断开，并把发送器接入信道。

（3）全双工通信是指信息流可同时在两个方向上传输，它相当于把两个相反方向的单工通信方式组合在一起。

⏹这种方式常用于计算机——计算机之间的通信。

7.信号的传输方式

⏹基带传输

基带传输就是在数字通信的信道上直接传送数据的基带信号，即按数据波的原样进行传输，不包含有任何调制，它是最基本的数据传输方式。

⏹载波传输

载波传输（也称频带传输）采用数字信号对载波进行调制后实行传输。

最基本的调制方式有幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）三种

⏹宽带网

宽带传输是指将多路基带信号、音频信号和视频信号的频谱分别移到一个物理信道的不同频段进行传输的传输方式

⏹异步转移模式ATM

ATM是一种新的传输与交换数字信息技术，也是实现高速网络的主要技术

它支持多媒体通信，包括数据、语音和视频信号，按需分配频带，具有低延迟特性

8.差错控制，差错纠正

差错控制即是对数据通信中发现差错，并对差错进行纠正的技术。

要解决的问题包括：

如何保证不丢失帧，保证不乱序等。

⏹差错控制包括：

差错检测和差错校正两个方面

⏹差错检测是让报文分组中包含使接收端发现差错的冗余信息，但它不能确定是哪一比特出错，自己也不能纠正传输中的差错。

常用的纠错码如海明码

⏹差错检测原理简单，实现容易，编码与解码速度快，在工业数据通信中得到广泛使用。

分为检错码和纠错码

常用的检错码有：

奇偶校检码和循环冗余码（自己去看一下原理和如何计算）

8.作业题

1.请说明数据通信方式都有哪几种，并简单说明其不同之处。

2.OSI参考模型包括哪7层？

3.应用层：

为用户提供相关的服务，如：

e-mail服务，ftp服务、www服务等。

表示层：

提供多种数据格式之间的转换。

会话层：

建立、管理和终止应用程序间的会话。

传输层：

保证数据的可靠传输。

网络层：

为处在不同位置的两个设备之间，提供连接和选择一条最佳路径。

数据链路层：

规定了物理地址、网络拓扑结构、错误警告机制、所传数据帧的排序和流量控制等。

物理层：

定义了通信线路的一些规范。

4.TCP/IP参考模型包括哪4层？

5.请给出TCP、IP、UDP、、ISO对应的中文全称？

第四章

1.串口通信有效方法

1.采用轮询或者中断来检测、接收信息；

2、设置通信帧的起始、停止位；

3、建立连接握手信号；

4、对接收数据的确认、数据缓存以及错误检查。

2.EIA-232-D

EIA-232-D是由EIA（美国电子工业协会）制定的物理接口标准。

它定义了数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的物理接口。

它具有机械、电气、功能和过程四个特性。

3.RS-485

为何要使用RS-485?

RS-232C虽然使用很广，但由于推出时间比较早，所以在现代通信网络中已暴露出明显的缺点，主要表现在：

（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。

（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。

（4）传输距离有限。

EIA在1977年作了部分改进，制定了新标准RS-449：

除了保留与RS-232-C兼容外，还在提高传输速率、增加传输距离、改进电气特性等方面做了很多努力，增加了RS—232-C没有的环测功能，明确规定了连接器，解决了机械接口问题。

在RS-449标准下，推出的子集有RS-423A/RS-422A，以及RS-422A的变型RS-485。

4.EIA-232和485的转换

1、转换芯片：

MAX232、MAX485

2、信号线：

TXD、RXD、RTS

3、收发控制：

当RTS为高电平时，MAX485处于接收状态；当RTS为低电平时，MAX485处于发送状态。

5.屏蔽与接地（作业题）

6.USB

¡定义：

USB外设接口标准的基本思想是采用通用连接器和自动配置及热插拔技术和相应的软件，实现资源共享和外设简单快速连接，关键是提供设备共享接口来解决PC机与外部设备连接的通用性。

¡USB电缆由电源线+5V（VBUS）、地线（GND）和两根数据线（D+和D-）4线组成。

数据在D+和D-间通过差分方式以全速或低速传输，如下图所示。

电源线+5V（VBUS）：

可提供5V/500mA电源

地线（GND）：

数据线D+：

正电压数据线（读数据线）

数据线D-：

负电压数据线（写数据线）

电源线+5V（VBUS）、地线（GND）可以单独做电源使用

两根数据线（D+和D-）4线提供外接设备的信号传输

5.作业题

1.试简要说明EIA-232D的特性，并详细说明其规程特性？

电气特性：

EIA-232采用负逻辑电平：

数据线：

逻辑“1”-5~-15V；逻辑“0”+5~+15V。

控制线：

逻辑“1”-5~-15VOFF；逻辑“0”+5~+15VON。

功能特性：

保护接地，发送数据，接收数据，请求发送，允许发送，DCE就绪，信号接地，载波检测，DTE就绪

注：

EIA-232逻辑电平与TTL电平不兼容，若要实现TTL电路的连接，需进行电平转换。

如采用MAX232芯片。

规程特性规定了数据终端设备DTE与数据通信设备DCE之间控制信号与数据信号的发送时序、应答关系及操作过程。

2、如何将RS232转换为RS485接口？

绘出其接线图。

3、什么是屏蔽？

它分为哪几种屏蔽？

有效的屏蔽能阻止电磁干扰对导线上通信信号的影响。

它可分为电场屏蔽、电磁屏蔽和磁场屏蔽。

1、电场屏蔽是抑制电路间由于分布电容的耦合而产生的电场干扰。

2、电磁屏蔽是抑制高频电磁场对电路的影响，包括电磁感应干扰和电磁辐射干扰。

3、磁场屏蔽是抑制低频磁场对电路的影响。

第五章

1.CAN总线

•CAN[ControllerAreaNetwork]是控制器局域网的简称。

2.CAN主要技术特点

•CAN网络上的节点不分主从

–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，通信方式灵活。

•CAN采用非破坏性的总线仲裁技术（载波监测，多主掌控／冲突避免）

•CAN网络上的节点具有不同的优先级

•CAN的直接通信距离长

•报文标识符多

•CAN节点具有良好的检错功能，出错率低

3.CAN的通信参考模型

–CAN的通信模型的分层结构

•数据链路层

–逻辑链路控制子层LLC

»LLC的主要功能是：

为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息

–介质访问控制子层MAC

»MAC子层主要规定传输规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定

•物理层

物理层规定了节点的全部电气特性

4.CAN总线有哪4种不同类型的帧？

其中数据帧有哪几个位场组成？

CAN通信帧的类型

–数据帧、远程帧、出错帧、超载帧

•数据帧：

携带数据，由发送器传送至接收器。

•远程帧：

用以请求总线上的相关单元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

•数据帧由7个不同的位场（域）组成及各部分含义：

•帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结束

1、帧起始（SOF），它仅由一个显位构成。

2、仲裁场由标识符和远程发送请求位（RTR）组成。

3、控制场4、数据场：

0—8字节

5.CRC场：

对帧起始、仲裁场、控制场、数据场进行CRC编码的余数

6.应答场

7、帧结束：

每个数据帧由7个隐位组成的标志序列界定。

5.实现CAN通信控制的几种ASIC芯片

•CAN通信控制器82C200:

实现CAN2.0A的标准格式通信帧的通信控制

•CAN通信控制器SJA1000:

实现CAN2.0B的两种格式通信帧的通信控制

•带CAN通信控制器与8位微控制器的P8XC592

•带CAN通信控制器与16位微控制器的87C196CA/CB

•带32位ARM7处理器内核、可编程逻辑、存储子系统、CAN接口、以太网接口、I/O接口等的片上系统TA7V

•带CAN通信控制器的CAN总线I/O器件82C150

•CAN总线收发接口器件82C250

第六章基金会现场总线

1.基金会现场总线（简称“FF总线）

在八种国际现场总线通信协议标准（IEC61158）中，基金会现场总线就占有两个标准，即低速现场总线“FFH1”及高速现场总线“FFHSE”。

其中，前者是专为过程控制开发的，用于取代4~20mA模拟信号传输标准，支持总线供电和本质安全，符合IEC物理层国际标准（IEC61158-2）。

FF-HSE标准于2000年发布，是与FFH1配套的，主要用于工业实时网络中的主设备间通信数据量较大或对响应时间有苛刻要求的场合，如断续生产的制造业，以及上位监控一级。

FFH1与FFHSE统称为“基金会现场总线”。

2.基金会现场总线的通信技术

它包括基金会现场总线的通信模型、通信协议、通信控制器芯片、通信网络与系统管理等内容。

它涉及一系列与网络相关的硬、软件，如通信栈软件，被称之为圆卡的仪表用通信接口卡，FF与计算机的接口卡，各种网关、网桥、中继器等。

它是现场总线的核心基础技术之一；无论对于现场总线设备的开发制造单位，还是系统设计单位、系统集成商以至用户，都具有重要作用。

3.设备描述DD与设备描述语言DDL

为实现现场设备的互操作性，支持标准的块功能操作，FF总线采用了设备描述技术。

设备描述为控制系统理解来自现场设备的数据意义提供必须的信息，因而也可以看做控制系统或主机对某个设备的驱动程序，即设备描述是设备驱动的基础。

设备描述语言是一种用以进行设备描述的标准编程语言。

采用设备描述编译器，把用DDL编写的设备描述源程序转换为机器可读的输出文件。

4.基金会参考模型

基金会现场总线同样采用了简化的ISO/OSI参考模型，具有典型的三层结构，即物理层（PHL）、数据链路层（DLL）以及应用层（APL），后两者统称为“通信栈”。

此外，与ISO/OSI参考模型不同的是，基金会现场总线不仅指定了通信标准，而且还对使用总线通信的用户应用进行了规范，形成了独有的用户应用层（UserApplicationLayer），简称用户层。

虽然这会使协议规范内容变得复杂，但却为不同厂商设备间的可相互操作性带来了方便，并使各厂产品的独有功能在用户层上更易于实现。

5.通信设备类型（3层）

依据现场设备在基金会现场总线内可能承担的角色不同，可将现场设备分为三类，即基本设备、链路主设备（LinkMaster，简称“LM”）以及网桥。

凡有能力成为LAS的设备均称为链路主设备,均有机会充当LAS。

网桥属于网络链接设备，除具有LM的功能外，主要用于网段链接。

凡没有能力成为LAS的设备称作基本设备.

6.链路活动调度器

链路活动调度器LAS拥有总线上所有设备的信息，由它来掌管总线段上的各设备对总线的操作。

任何时刻每个总线段上都只有一个LAS处于工作状态，总线段上的设备只有得到LAS的许可，才能向总线上发送数据。

链路活动调度器应具有以下五种基本功能：

（1）向设备发送强制数据CD。

调度表内只保存要发送CD的请求，其余功能函数都分散在各调度实体之间。

（2）向设备发送传递令牌PT，使设备得到发送非周期数据的权力。

（3）为新入网的设备探测未被采用过的地址。

当为新设备找好地址后，把它们加入到活动表中。

（4）定期对总线段发布数据链路时间和调度时间。

（5）监视设备对传递令牌PT的响应，当设备既不能随着PT顺序进入使用，也不能将令牌返还时，就从活动表中去掉这些设备。

7.通信活动（2个）

基金会现场总线的通信活动被分为两类：

受调度通信和非调度通信。

第七章

1.PROFIBUS应用领域

❑PROFIBUSDP：

分布式外设

主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级设备高速通信。

❑PROFIBUSPA：

过程自动化

电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通讯。

❑PROFIBUSFMS：

现场总线报文规范

主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换。

2.RPOFIBUS的好处

一、节省硬件和安装费用

•减少硬件成份（I/O、终端块、隔离栅）

•更容易、更快捷和低成本的安装

二、节省工程费用

•更容易组态（对所有设备只需一套工具）

•更容易保养和维修

•更容易和更快捷的系统起动

三、更大的制造灵活性

•改进功能

•减少故障时间

•准确、可靠的诊断数据

•可靠的数字传输技术

3.PROFIBUS网络的构成

4.协议结构

5.物理接口

6.数据传输特点

高速（H2），RS485

依据RS485，异步NRZ传输

波特率从9.6kBit/s到12MBit/s,可选双绞屏蔽电缆

每段32个站，最多允许127个站

距离：

12MBit/s=100m;1.5MBit/s=400;小于等187.5KBit/s=1000m;

有中继器距离可延长到10公里

9针，D型插头

低速（H1）IEC1158-2

同步Manchester编码,31.25kBit/s

本质安全（可选）和通过总线对站供电（可选）

屏蔽或非屏蔽的双绞电缆

第一段距离达1900米，用中继器可延长到10公里

最多127个站，每段10=32个设备

（依赖于EX类型和供电消耗）

7.PROFIBUS总线存取协议

1.PUOFIBUS总线访问协议（第二层）对三种PUOFIBUS版本（FMS/DP/PA）均相同

2.这使通令透明和FMS/DP/PA网络区域容易组合

3.因为FMS/DP使用相同的物理介质（RS-485/FO），因此它们能组合在同一根电缆上。

PROFIBUS介质存取控制MAC的基本要求：

在主站间通信，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；

在主站和从站间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。

8.总线访问协议的特征

混合总线访问协议:

主站间的逻辑令牌环

从站间的主从协议

主站:

主动站在一个限定时间内（TokenHoldTime）对总线有控制权

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

9.PROFIBUS_DP定义的三种设备类型

DP-1类主设备（DPM1）

•中央控制器，它与分散的I/O设备（DP-从）交换数据；

•允许若干个DPM1，典型的设备是PLC，PC，VME。

DP-2类主设备（DPM2）

•组态、监视或工程工具，它被用来设定网络或参数/监视DP-从设备。

DP-从设备

•直接连接I/O信号的外围设备；

•典型的设备是输入、输出、驱动器、阀、操作面板等等。

10.通信模式

•点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）

•循环主—从用户数据传送

•非循环主—主数据传送

11.耦合器的功能：

段耦合器在不同的传输技术之间提供一个网关

DA/PA耦合器

12.PROFIBUS—FMS应用层包括以下两个部分：

1、FMS:

现场总线信息规范（FMS）描述通信对象和服务；

2、LLI:

低层接口（LLI）用于将FMS适配到第2层。

13.PROFIBUS-FMS协议结构

第八章

1.什么是L