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《現場總線及其應用第2版 主編郭瓊 課后習題答案》 安徽機電職業(yè)技術學院電氣工程系 作者：卡爾二毛 第一章： 1.過程控制系統(tǒng)的發(fā)展經歷了那幾代控制系統(tǒng)？ 答：共5代。1.基地式儀表控制系統(tǒng)2.模擬式儀表控制系統(tǒng)3.直接式數字控制系統(tǒng)（DDC）4.集散控制系統(tǒng)（DCS）5.現場總線控制系統(tǒng)（FCS） 2. 闡述DDC控制系統(tǒng)的結構及工作過程？ 答：結構由：計算機控制系統(tǒng)和生產過程的輸入、輸出設備組成。 工作過程：計算機通過過程輸入通道對生產現場的變量進行巡回檢測，然后根據變量，按照一定的控制規(guī)律進行運算，最后將運算結果通過輸出通道輸出，并作用于執(zhí)行器，使被控變量符合系統(tǒng)要求性能指標。 3. 計算機在DDC控制系統(tǒng)中起什么作用？ 答：完成對生產過程的自動控制、運行參數監(jiān)視等。 4. DDC控制系統(tǒng)的輸入、輸出通道各起什么作用？ 答：輸入通道作用：用于向計算機輸入生產過程的模擬信號、開關量信號或數字信號。 輸出通道作用：用于將計算機的運算結果輸出并作用于控制對象。 5. 計算機的軟件包括哪兩大類？各起什么作用？ 答：用戶軟件和系統(tǒng)軟件。用戶軟件供用戶使用處理一些相關工作；系統(tǒng)軟件是用戶軟件的操作平臺，具有開發(fā)性。 6. 什么是集散控制系統(tǒng)？其基本設計思想是什么？ 答：集散控制系統(tǒng)：由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的、以通信網絡為紐帶的多級計算機控制系統(tǒng)。核心思想：集中管理、分散控制。 7. 簡述集散控制系統(tǒng)的層次結構及各層次所起的作用？ 答：層次結構：分散過程控制級、集中操作監(jiān)控級、綜合信息管理級； 分散過程控制級作用：完成生產過程的數據采集、閉環(huán)調節(jié)控制和順序控制等功能。 集中操作監(jiān)控級作用：了解系統(tǒng)操作、組態(tài)、工藝流程圖顯示、監(jiān)控過程對象和控制裝置的運行情況，并可通過通信網絡向過程級設備發(fā)出控制和干預指令。 綜合信息管理級作用：監(jiān)視企業(yè)各部門的運行情況，實現生產管理和經營管理等功能。 8. 生產過程包括哪些裝置？ 答：PLC、智能調節(jié)器、現場控制站和其他測控裝置。 9. 什么是現場總線？現場總線有哪些特點？ 答：現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備與控制裝置之間實現雙向、串行、多節(jié)點數字通信的技術。 特點：開放性、互操作性和互用性、現場設備的智能化和功能自治性、系統(tǒng)結構的高度分散性、對現場環(huán)境的適應性。 10. 現場總線的本質含義表現在哪些方面？ 答：現場設備的互連、現場通信網絡、互操作性、分散功能塊、總線供電、開放式互聯網絡 11. 比較集散控制系統(tǒng)（DCS）與現場總線控制系統(tǒng)(FCS)的優(yōu)缺點？ 答：在信號類型上：DCS有模擬信號和數字信號兩種，而FCS只有數字信號，在抗干擾方面較DCS好。 在狀態(tài)監(jiān)控上：DCS不能了解模擬儀表的工作狀況，不能對其進行參數調整，且沒有自診斷功能；FCS能實現遠程監(jiān)控、參數調節(jié)、自診斷等功能。 在開放性上：DCS大部分技術參數由制造廠自定，導致不同品牌的設備和儀表無法呼喚；FCS通信協(xié)議公開，用戶可自主進行設備選型、設備互換、系統(tǒng)配置等等。 12. 常用現場總線有哪些？它們各有什么特點？ 答：FF Profibus LonWorks CC-Link Modbus 特點：FF：采用ISO/OSI參考模型的簡化模型。只具備其中的3層，即物理層、數據鏈路層和應用層，另外增設了用戶層。FF分低速H1和高速H2兩種通信速率。 Profibus:采用了ISO/OSI模型中的3層，，即物理層、數據鏈路層和應用層，另外增設了用戶層，由.Profibus-DP/Profibus-PA/Profibus-FMS這3各版本組成。Profibus采取主站之間令牌傳遞方式和主、從站之間的主-從通信方式。 LonWorks：采用ISO/OSI模型的全部7層通信協(xié)議，并采用面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置。 13. 歸納現場總線技術的現狀，并展望其發(fā)展趨勢？ 答：此題略。 14. 你認為現場總線對自動控制系統(tǒng)會產生怎樣的影響？ 答：影響主要體現在以下幾個方面：1.現場總線控制系統(tǒng)信號類型2.自動控制系統(tǒng)的體系結構3.自動控制系統(tǒng)的產品結構4.現場總線為實現企業(yè)綜合自動化提供了基礎5.現場總線技術打破了傳統(tǒng)壟斷。 15. 談談你對現場總線的理解和看法。 答：暫且不談論現場總線，談論一下王喜的為人。我感覺這個年輕人不錯，祝他在以后的道路上更加給力?。ㄏ钩兜?--哈哈） 第二章： 1. 什么是總線？總線主設備和從設備各起什么作用？ 答：總線是多個系統(tǒng)功能部件之間傳輸信號或信息的公共路徑，是遵循同一技術規(guī)范的連接與操作方式。 主設備：能夠在總線上發(fā)起信息傳輸的設備，具備在總線上主動發(fā)起通信的能力； 從設備：掛接在總線上、不能再總線上主動發(fā)起通信，只能對總線信息接收查詢的設備。 2. 總線上的控制信號有哪幾種？各起什么作用？ 答：3種。1.控制設備的動作與狀態(tài)2.改變總線操作方式3.表明地址和數據的含義。 作用：1.完成諸如設備清零、初始化、啟動和停止等所規(guī)定的操作； 2.改變數據流的方向，選擇數據字段和字節(jié)等； 3.對于地址，可以用指定某一地址空間或表現出現了廣播操作；對于數據，可以用于指定它能否轉譯成輔助地址或命令。 3. 總線的尋址方式有哪些？各有什么特點？ 答：3種。1物理尋址、2邏輯尋址、3廣播尋址。 特點：1.用于選擇某一總線段上某一特定位置的從設備做為響應者。 2.用于指定存儲區(qū)單元某一通用區(qū)，而不顧及這些存儲器單元在設備中的物理分布。 3.用于選擇多個響應者。 4. 數據通信系統(tǒng)由哪些設備組成？各起什么作用？ 答：5部分。1.信息源2.發(fā)送設備3.傳輸介質4.接收設備5.信息接受者 作用：1.把各種消息轉換成原始電信號； 2.將信息源產生的消息信號變換成適合在傳輸介質中傳輸的信號，使信息源和傳輸介質匹配； 3.傳輸信號的媒介 4.完成發(fā)送設備的反變換，即對信息進行解調、譯碼和解碼等。 5.將復原的原始信號轉換成相應的消息。 5. 試舉例說明數據和信息的區(qū)別？ 答：數據時信息的載體，它是信息的表示形式，單獨的數據并沒有實際的含義，但如果把數據按一定規(guī)則、形式組織起來，就可以傳達某種意義，這種具有某種意義的數據集合就是信息，即信息是對數據的解釋。 舉例：字符 “你”、“ 一”、“ 好”、“ 個”、“ 人”、“ 是”6個字符數據，無規(guī)則并無實際意義，而按照一定規(guī)則排出“你是一個好人”則具有實際意義，這就是信息。 6. 什么是數據傳輸率？它的單位是什么？ 答：單位時間內傳送的數據量。單位有比特率S和波特率B 7. 試比較串行通信和并行通信的優(yōu)缺點？ 答：串行通信缺點：傳輸速度較慢 優(yōu)點：傳輸線少、連線簡單，特別適合多位數據的長距離通信； 并行通信缺點：若數據位數較多、傳送距離較遠時，則線路復雜，成本較高且干擾大，不適合遠距離傳送。 優(yōu)點：傳送數據速度很快，傳輸效率高， 8. 什么是異步傳輸？什么是同步傳輸？各用于什么場合？ 答：異步傳輸：串行通信的一種，在通信中發(fā)送方和接收方不保持同步，即時鐘頻率不同。 同步傳輸：串行通信的一種，在通信中發(fā)送方和接收方保持同步，即時鐘頻率相同。 異步傳輸主要應用于中、低速數據通信； 同步傳輸主要應用于高速通信。 9. 串行通信接口標準有哪些？試分別闡述其電氣特性？ 答：1.RS-232C通信接口、2.RS-422A通信接口、3.RS-485通信接口。 電氣特性：1.其中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系，電氣接口采用單端驅動、單端接收電路，容易受到公共底線上的電位差和外部引入的干擾信號的影響。 2.由于RS-422A采用差動發(fā)送，差動接收的工作方式并使用+5V電源，因此通信速率、通信距離、抗共模干擾等方面較RS-232C接口有較大的提高。 3.RS-485的邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2~6V）表示，邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2~6V）表示。 10. 工業(yè)通信網絡有幾種拓撲結構？ 答：星形、環(huán)形、總線型。 11. 試分析總線型拓撲結構的優(yōu)缺點？ 答：優(yōu)點：連接布線簡單，容易擴充，成本低廉，而且某個節(jié)點一旦失效也不會影響其他節(jié)點的通信， 缺點：端用戶發(fā)送數據時可能出現沖突。 12. 常用網絡控制方法有哪幾種？ 答：令牌方式、爭用方式、主從方式 13. 試闡述以令牌傳遞方式發(fā)送數據和接收數據的過程？ 答：此題略。 14. 在CSMA/CD中，什么情況會發(fā)生信息沖突？如何解決？ 答 如果兩個以上的節(jié)點同時發(fā)送信息就會產生線路沖突即發(fā)生信息沖突。 解決：每個站在發(fā)送數據幀前，首先要進行載波監(jiān)聽，只有介質空閑時，才允許發(fā)送幀，每個站必須有能力隨時監(jiān)測沖突是否發(fā)生，一旦發(fā)生沖突，則應停止發(fā)送，然后隨機延時一段時間后，再重新爭用介質，重發(fā)送幀。 15. 通常使用的數據交換技術有幾種？各有什么優(yōu)缺點？ 答：3種。1.線路交換方式2.報文交換方式3.分組交換方式 特點：1.優(yōu)點：數據傳輸迅速可靠，并能保持原有序列。 缺點：一旦通信雙方占有通道后，即使不傳送數據，其他用戶也不能使用，造成資源浪費。適用于時間要求高、且連續(xù)的批量數據傳輸。 2.優(yōu)點：交換數據效率高，信道可以復用且需要時才分配信道，可以方便地把報文發(fā)送到多個目的節(jié)點。 缺點：延時長，不能滿足實時交互式的通信要求，有時節(jié)點收到的報文太多，以致不得不丟棄或阻止某些報文，對中繼器的存儲容量要求較高。 3.優(yōu)點：轉發(fā)延時短，數據傳輸靈活。 缺點：目的節(jié)點要對分組進行重組，增加了系統(tǒng)的復雜性。 16. 曼徹斯特波形的跳變有幾次含義？ 答：這個跳變即做時鐘信號，又作為數據信號。含義為：從高到低的跳變表示“1”，從低到高的跳變表示“0”。 17. 有一比特流10101101011，畫出它的不歸零碼波形和曼徹斯特波形和差分曼徹斯特波形？ 答： 18. 什么是差錯控制？列舉幾種基本的差錯控制方式？ 答：差錯控制是指在數據通信過程中發(fā)現或糾正差錯，并把差錯限制在盡可能小的、允許的范圍內而采用的技術和方法。 如：奇偶校驗碼、二維奇偶監(jiān)督碼、恒比碼、漢明碼。 19. 簡要說明光纜傳輸信號的基本原理？ 答：將發(fā)送信號通過光電轉換器變成光信號，利用光學原理的全反射，使光在光纜中傳輸到達目的地。 20. 采用光纜傳輸數據有哪些優(yōu)勢？ 答：抗干擾性好、具有更寬的帶寬和更高的傳輸速率、衰減少，無中繼器時傳輸距離遠。 21. 試比較雙絞電纜和同軸電纜的傳輸性能？ 答：雙絞線可以傳輸模擬信號又可傳輸數字信號，同軸電纜50號的電纜用于數字傳輸，75號的電纜用于模擬傳輸。雙絞線與其他傳輸介質相比，在數據傳輸速度、傳輸距離受到一定限制，同軸電纜的數據傳輸速度、傳輸距離優(yōu)于雙絞線。 22.為什么引進ISO/OSI參考模型？它能解決什么問題？ 答：為了實現不同設備之間的互聯與通信，試圖使各種計算機在世界范圍內互聯為網絡的標準框架。故引進ISO/OSI參考模型。 解決：指導生產廠家和用戶共同遵循的規(guī)范，任何人均可免費使用，它是一個在制定標準時所使用的概念性框架，設計者可根據這一框架，設計出符合各自特點的網絡。 23.對ISO/OSI參考模型劃分層次的原則是什么？ 答：原則是：問題的層次和邏輯的疊套關系。 24.簡述ISO/OSI 7層模型的結構和每一層的作用？ 答：共7層。1.物理層2.數據鏈路層3.網絡層4.傳輸層5.會話層6.表示層7.應用層 作用：1.開放系統(tǒng)的基礎，負責設備間接收和發(fā)送比特流，提供為建立、維護和釋放物理連接所需要的機械、電氣、功能與規(guī)程的特性。 2.負責把不可靠的傳輸信道改為可靠的傳輸信道，采用差錯檢測和幀確認技術，傳送帶有效校驗信息的數據幀。 3.確定數據包的傳輸路徑，建立、維持和拆除網絡連接。 4.解決的是數據在網絡之間的傳輸質量問題，提供可靠的端到端的數據傳輸，保證數據按序可靠、正確的傳輸。 5.用來實現兩個計算機系統(tǒng)之間的連接，建立、維護和管理會話。 6.處理數據格式，負責管理數據編碼方式，是OSI參考模型的翻譯器。 7.實現應用程序之間的信息交換、協(xié)調應用進程和管理系統(tǒng)資源。 25.試描述ISO/OSI參考模型中數據傳輸的基本過程？ 答：此題略。 26.列出幾種網絡互聯設備，并說明其功能？ 答：中繼器 、集線器、網絡接口卡、交換機、網橋、路由器、防火墻、網關 功能：中繼器：工作在物理層，它負責在兩個節(jié)點的物理層上按位傳遞信息，完成信號的復制、調整和放大功能，以此來延長網絡的長度。 集線器：工作在物理層，是對網絡進行集中管理的最小單元，對傳輸的電信號進行整型、放大，相當于具有多個端口的中繼器。 網絡接口卡：工作在數據鏈路層，不僅實現與局域網通信介質之間的物理連接和電信號匹配，而且負責實現數據鏈路層數據幀的封裝與拆封、數據幀的發(fā)送與接收、物理層的介質訪問控制、數據編碼與解碼以及數據緩存等功能。 交換機：工作在數據鏈路層，可以識別數據包中MAC（介質存取控制）地址信息，根據MAC地址進行數據轉發(fā)，并將MAC地址與對應的端口記錄在自己內部的一個地址表中，在數據幀轉發(fā)前先送入交換機的內部緩沖，可對數據幀進行差錯檢查。 網橋：工作在數據鏈路層，根據MAC地址 對幀進行存儲轉發(fā)，它可以有效地連接連個局域網，使本地通信限制在本網段內，并轉發(fā)相應的信號至另一網段。 路由器：工作在網絡層，在不同的網絡之間轉發(fā)數據單元，具有判斷網絡地址和選擇路徑的功能，能在多網絡互聯環(huán)境中建立靈活的連接。 防火墻：一方面阻止來自因特網的對受保護網絡的未授權或未驗證的訪問，另一方面更允許內部網絡的用戶對互聯網進行WEB訪問或收發(fā)郵件。 網關：工作在傳輸層或以上的層次，是最復雜的網絡互聯設備，網關具有從物理層到應用層的協(xié)議轉換能力。 27.集線器、交換機和路由器分別工作在ISO/OSI參考模型的那一層？ 答：物理層、數據鏈路層、網絡層。 28.什么是防火墻？它在網絡系統(tǒng)中其什么作用？ 答：此題略。 29. 現場總線通信模型有什么特點？ 答：1.簡化了ISO/OSI參考模型2.采用相應的補充方法實現被刪除的OSI各層功能，增設了用戶層3.現場總線通信模型的通信數據的信息量較小4.多種現場總線并存，并采用不同的通信協(xié)議。 30.現場總線模型的用戶層起什么作用？ 答：此題略。 31. 試闡述現場總線控制網絡的特點和它承擔的主要任務？ 答：特點：現場總線控制網絡用于完成各種數據采集和自動控制任務，是一種特殊的、開放的計算網絡，是工業(yè)企業(yè)子綜合自動化的基礎。 任務：1.將控制系統(tǒng)中現場運行的各種信息傳送到控制室，使現場設備始終處于遠程監(jiān)視之中。 2.控制室將各種控制、維護、參數修改等命令送往位于生產現場的測量控制設備中，使得生產現場的設備處于可控狀態(tài)之中。3.與操作終端、上層管理網絡實現數據傳輸與信息共享。 第3章 ： 1. 闡述Profibus現場總線的性能？ 答：Profibus是一種應用廣泛的、開放的和不依賴于設備生產商的現場總線標準，適合于快速、時間要求嚴格的應用和復雜的通信任務。 2. Profibus有哪幾種傳輸技術？各有什么特點？ 答：1.用于DP和FMS的RS-485傳輸技術2.用于DP和FMS的光線傳輸技術3.用于PA的IEC1158-2傳輸技術。 特點：1.RS-485是一種簡單的、低成本的傳輸技術，其傳輸過程是建立在半雙工、異步和無間隙同步化基礎上的，數據的發(fā)送采用NRZ編碼（不歸零編碼），這種傳輸通常稱為H2. 網絡拓撲結構為總線型，每個總線段的開頭和結尾均有一個終端電阻；傳輸介質可以使STP或UTP，取決于電磁兼容性；站點數：每個總線段最多可接32各站，使用中繼器最多可用到127個站，串聯中繼器一般不超過3個；插頭連接采用9針D型插頭。 2.光纖是一種采用玻璃作為波導，以光的形式將信息從一端傳送到另一端的技術，光纖電纜對電磁干擾不敏感，并能保證總線上站與站的電氣隔離，允許Profibus系統(tǒng)站與站之間的傳輸距離最大為15Km. 3.IEC1158-2是一種位同步協(xié)議，可進行無電流連續(xù)傳輸，通常稱為H1，采用曼徹斯特編碼，能進行本質及非本質安全操作，每段只有一個電源作為供電裝置，當站收發(fā)信息時，不向總線供電。 具體特點：數據傳輸：數字式、位同步、曼徹斯特編碼 傳輸速率：通信速率31.25Kbit/s，與系統(tǒng)結構和總線長度無關 數據可靠性：前同步信號，采用起始和終止限定符，以避免誤差 傳輸介質：可以采用UTP或STP 遠程電源供電：為可選附件，可通過數據總線供電 防爆型：能進行本征和非本證安全操作 站點數：每段最多有32各站，使用中繼器最多可達127個 拓撲結構：采用總線型、樹形或混合型網絡拓撲結構 3. Profibus控制系統(tǒng)的配置有哪幾種形式？ 答：1.PLC或其他控制器作為1類主站，不設監(jiān)控站 2.以PLC或其他控制器作為1類主站，監(jiān)控器通過串行口與PLC連接 3.以PLC或其他控制器作為1類主站，將監(jiān)控站連接在Profibus總線上 4.使用PC+Profibus網卡做為1類主站 5.工業(yè)控制PC+Profibus網卡+SoftPLC。 4.Profibus-DP/Profibus-PA/Profibus-FMS各有什么區(qū)別？有什么共同點？ 答：區(qū)別：應用場合不同。DP主要用于自動化系統(tǒng)中單元級和現場級通信，FMS可用于車間級監(jiān)控網絡，主要解決車間級通信任務，DP應用于工業(yè)現場控制的過程自動化，一般用于安全性要求較高的場合及由總線供電的站點。 共同點：采用Profibus標準系統(tǒng)，不同制造商所生產的設備不需要對其接口進行特別調整就可以實現通信，都以ISO/OSI參考模型為基礎的，均使用一致的總線存取協(xié)議等等。 5. Profibus-FMS應用層包括哪兩部分？各起什么作用？ 答：現場總線信息規(guī)范（FMS）和低層接口（LLI）. 作用：FMS包含應用協(xié)議，向用戶提供強有力的通信服務； LLI協(xié)調不同的通信關系，并向FMS提供不依賴于設備的對第2層訪問接口。 6. Profibus-DP的FDL層提供了哪幾種基本傳輸服務？各有什么特點？ 答：此題略。 7.Profibus總線存取方式有哪兩種？ 答：令牌傳送方式和主從傳送方式。 8.什么是令牌傳遞總線方式？ 答：此題略。 9.在Profibus網絡中1類主站起什么作用？哪些設備可以做為1類主站？ 答：1類主站是中央控制器，完成總線通信控制、管理及周期性數據訪問。 典型的設備有：PLC、PC、支持主站功能的各種通信處理器模塊等設備。 10. 在Profibus網絡中2類主站有什么作用？列舉兩種可以做2類主站的設備？ 答：2類主站完成非周期性數據訪問，它可以與1類主站進行通信，也可以與從站進行輸入/輸出數據通信，并未從站分配新的地址。 典型設備有：編程設備、觸摸屏和操作面板等。 11.可將Profibus網絡從站設備分為幾類？列舉能做為其從設備的名稱？ 答：3類?？梢允荘LC一類的控制器，也可以是不具有程序存儲和程序執(zhí)行功能的分散式I/O設備，還可以如SITRANS現場儀表、MicroMaster變頻器等具有總線接口的智能現場設備。 12.GSD文件有什么作用？它包括哪幾部分內容？ 答：GSD文件用來描述Profibus-DP設備的特性。 包括通信通用的和設備專用的規(guī)范，具體：1.一般規(guī)范2.與DP主站有關的規(guī)范3.與DP從站有關的規(guī)范 第4章 ： 1.CC-Link現場總線有什么特點？ 答：組態(tài)簡單、接線簡單、設置簡單、維護簡單，運行可靠 2.CC-Link采用什么通信協(xié)議？提供了哪兩種通信方式？ 答：RS-485通信協(xié)議。提供了循環(huán)傳輸和瞬時傳輸兩種通信方式。 3.循環(huán)傳輸方式和瞬時傳輸方式有什么區(qū)別？ 答：CC-Link主要采用循環(huán)傳輸的方式進行通信，即主站按照從站號依次輪詢從站，從站再給予響應，是按照站號進行的，可以避免因通信沖突造成的系統(tǒng)癱瘓，還可以依靠可預見性的、不變的I/O響應，為系統(tǒng)設計者提供穩(wěn)定的實時控制。 在循環(huán)數據量不夠的情況下，CC-Link能提供瞬時傳輸功能，將960B的數據，用專用指令傳送給智能設備站或本地站，并且瞬時傳輸不影響循環(huán)傳輸的進行。 2014年6月11日18:10 電氣系： 2013屆 機電3132 學習委員 王喜 留念！