华东理工大学工业控制网络复习.docx

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华东理工大学工业控制网络复习

1.现场总线定义:

在生产现场的测量控制设备之间实行双向、串行、多点数字通信的系统，称为现场总线。

、

特点：

开放性、互可操作性与互换性、设备智能化、彻底分散、现场环境适应性、系统可靠性、信息一致性、经济性、易于安装和维护。

组成要素：

行规、上层协议和底层协议4种形式：

只有底层协议的总线、有底层和上层协议的总线、具有全部3要素的总线、只有行规的总线

现场总线用1.2.7层①物理层:

建立现场总线网络的物理连接②数据链路层:

把数据构成帧进行传输③应用层:

提供给用户简单操作借口

2.集散控制系统（DCS）与现场总线（FCS）的区别:

减少了A/D与D/A转换环节，提高测量精度、系统总成本降低

3.物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

4.第一代集散控制系统特点：

（1）比较注重控制功能的实现

（2）系统的人机界面功能相对较弱（3）在功能上更接近仪表控制系统（4）各个厂家的系统均有专有产品构成

第二代集散控制系统特点：

（1）系统的功能扩大或增强

（2）过程操作管理范围的扩大，功能的增加（3）通信系统的成果应用（4）显示技术的提高，多微处理器技术的应用等

第三代集散控制系统特点：

形成了直接控制、监督控制和协调优化、上层管理三层功能结构。

在网络方面，普遍采用了标准的网络产品，如实时网络和以太网等。

在组态方面实现了标准化，大多数采纳了IEC61131-3所定义的5种组态软件。

人-机界面工作站、服务器和各种功能站的硬件和基础软件。

第四代集散控制系统特点：

（1）全数字化，信息化和集成化

（2）小型化（3）开放化和智能化4）低成本（5）功能较全面

5.集散功能层次结构：

集散控制系统按功能分层，从下到上直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层。

基本组成部分：

通常由过程控制单元、过程接口单元、CRT显示操作站、管理计算机，以及高速数据通道等5个主要部分组成。

6.DCS功能分层：

现场控制级（最底层），过程装置控制级（关键部分，核心），操作管理级，优化和调度管理级

7.DCS软件按照各个站的功能描述可分为：

现场控制站软件（完成对现场直接控制），操作员站软件（人机界面）和工程师站软件（在线运行软件和离线组态软件）。

1.数据传输基本术语:

传输速率:

指信道在单位时间内二进制代码的位数。

用比特率表示，单位是位/秒，记为bit/s或bps。

调制速率:

信号经调制后的传输速率，表示单位时间内传输的码元个数，又称为码元速率。

用波特率表示，以波特为单位。

2.数据编码：

模拟传模拟：

幅值、频率、相位调制模拟传数字：

调制解调器

数字传模拟：

脉冲编码调制（PCM）数字传数字：

不归零、（差分）曼彻斯特编码

3.常用的多路复用技术有哪些，各自有什么特点

频分复用FDM:

将一条线路分割成若干个互补重叠的小频段，每个小频段使用一个信道。

传输量大

时分复用TDM:

把通信媒体上传输信号的时域划分为许多等长的时间片，一路信号每次占用一个时间片进行传输，时间域上互补重叠。

传输速度快

4.差错控制的目的是什么？

试说明奇偶效验和CRC效验方法的基本原理。

目的:

减少通信信道的传输错误

奇偶效验原理:

垂直奇偶效验:

在m-1位表示字符的数字位上再附加第m位检验位。

水平奇偶效验:

将若干个字符组成一个信息块，对这个信息块中所有字符对应的位数分别进行奇偶效验

水平垂直奇偶效验码:

上两个的组合

CRC效验原理:

发送器:

将要发送的数据比特序列表示为一个多项式f（x）的系数，并在发送之前用收发双方预先选取的生成多项式G（x）去除求得一个余数多项式R（x）。

接收器:

用同样生成的多项式G（x）去除接收到的数据多项式f’（x），得到计算余数多项式R’（x）。

如果计算余数多项式与接收到的余数多项式相同，则表示传输无差错，否则，表示传输有差错。

1.网络协议构成：

①语法②语义③时序（为进行网络中的数据交换而建立的规则、标

准或约定称为网络协议）

2.ISO/OSI参考模型有哪几层?

说明各个分层的功能。

物理层:

①与具体的物理媒体相关联，如双绞线，同轴电缆等。

②为上一层提供物理连接，传送比特流。

（对上一层的每一步怎样利用物理媒体）

数据链路层:

负责在相邻两个节点间的链路上，无差错的传送以帧为单位的数据。

每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。

（每一步应该怎样走）

网络层:

选择合适的路由和交换节点，向目的节点交付发送节点所发送的分组。

（走那条路可以到达该处）

传输层:

在传输层，信息传送的单位是报文（Message），根据通信子网的特性最佳的利用资源，以可靠和经济的方式，在两个末端系统之间传送报文。

（对方在何处）

会话层:

信息的传送单位也是报文，在两个互相通信的应用进程之间，建立、组织和协调其交互。

（对方是谁）

表示层:

主要解决用户信息的语法表示问题，将数据从适合于某一用户的语法变换为适合OSI系统内部使用的传送语法。

（对方看起来像什么）

应用层:

确定进程之间通信的性质已满足用户的需要；负责用户信息的语义表示，并在两个通信者之间进行语义匹配。

（做什么）

OSI数据传输模式

（a）源/目的模式:

也称应答式，一呼一应，由源地址、目的地址、效验、数据组成。

（OSI模型）

（b）生产者/用户模式:

一个设备发送信息，多个设备接收信息。

由标示符、数据、效验组成（现场总线）

3.信息传送单元：

协议数据单元（PDU）、接口数据单元（IDU）、服务数据单元（SDU）

通信网络的拓扑结构和特点

通信网络的拓扑结构就是通信网络中节点的互联方法，是影响网络性能的重要因素之一。

现场总线常用拓扑结构:

总线型、星型、环形、树形、菊花链型、网状

总线型：

线路简单，便于扩充，但通信距离不能太长。

星型：

适合于终端密集的地方，中央节点构造比较复杂，可靠性较低。

环形：

链路简单，通信速度较低，不便于扩充。

树型：

易于扩展，适应性强，可靠性较弱。

菊花链型：

需注意链路的中断。

网状结构:

可靠性高，控制复杂，设计和管理困难。

总线型、星型和环形结构的构造简单、组网方便，适合于局域网。

树形和网状结构构造复杂、组网困难，但可靠性高完整型好，适用于大型信息处理系统。

实际应用中视需要和环境确定网络的拓扑结构，常采用混合型拓扑结构，将以上几种结构混合设计。

媒体访问控制

1受控访问:

用户访问网络不能是随意的，必须服从网络的控制。

集中控制方式:

探询（Polling）又分为轮叫探询（由主机按预先确定的顺序轮流询问各用户，并接收各用户发来的信息。

>>总线型，环型，树型）和传递探询（将控制权按顺序从一个用户转到下一个用户。

>>总线型，环型）

分散控制方式:

令牌环（TokenRing）或令牌总线

2随机访问/竞争访问

用户可以根据自己的意愿随机的发送信息。

当两个或更多的用户同时发送信息时，避免分组冲突的网络协议。

包括ALOHA（纯ALOHA（每个节点自由发送分组，遇到分组相互冲突时，各自延迟一段随机时间，再重发，直道成功）和时隙ALOHA（将时间划分为一段段等长的时隙，同时规定了不论分组何时到达节点，只能开始发））,CSMA

17.CSMA

持续性CSMA:

当监听到信道忙时，仍旧监听下去，一直监听到信道空闲

非持续性CSMA:

当一个分组达到节点准备发送时，该节点开始监听信道。

一旦监听到信道忙，根据协议算法随机延迟一个时间重新监听。

（CSMA/CD边发送边监听）

18.令牌环

持有空令牌的节点要发送数据，先把空令牌变成忙令牌，接着在忙令牌后发送一帧，然后产生一个空令牌传给下一个节点。

①发送完一帧后立即产生新令牌--多令牌协议

②发送完一帧后，还要接收到绕环一周后返回的忙令牌，才会发出新令牌--单令牌协议

③发送完一帧后，等他绕环一周后返回，并在该帧全部回收之后，才发新令牌--单帧协议

工作流程:

节点沿着物理环分布，通过接口与环相连。

所有信号都经由给定路径绕环从一个工作节点传送到另一个工作节点。

19.几种现场总线

位传输现场总线（1、2、7）——CAN设备现场总线（1、2、7、用户）——Profibus狭义现场总线（1、2、7、用户）——FF-H1工业以太网（12347用户）

位传输总线类型：

I/O现场总线，位传输。

20.CAN体系结构和编码方式

数据链路层：

逻辑链路控制（LLC）子层和媒体访问控制（MAC）子层。

物理层：

物理指令、物理媒体附属装置以及媒体相关接口。

同步问题：

在连续数值相同的位较多时，没有用于各个网络节点同步的边沿。

解决方案（位填充）：

采用非归零码（NRZ）-发送器在5个极性相同的位后插入一个极性相反的附加位。

使用附加沿的后同步，填充位在接收器端去除，恢复发送数据。

CAN报文格式：

数据帧（将数据由发送器传送至接收器；）远程帧（用以请求发送具有相同标识符的数据帧；）出错帧（用于通知总线上的节点有错误发生；）超载帧（用于在前一帧和后续数据帧之间提供附加延时。

）

仲裁格式：

基于竞争的仲裁。

发1检0，丢失仲裁，不再发。

发0检1，则位错误。

错误种类：

位错误：

节点在向总线发送位的同时也对总线进行监视，如果所发送的位值与所监测的位值不相符合，则在此位时间里检测到一个位错误。

填充错误：

在使用位填充法进行编码的帧场中，出现了第6个连续相同的位电平时，将检测到一个填充错误。

CRC错误：

CRC序列由发送器的CRC计算结果构成，接收器计算CRC的方法与发送器相同，当其计算结果与接收到的CRC序列不相符，则检测到一个CRC错误。

形式错误：

当固定格式位场出现一个或多个非法位时，则检测到形式错误。

确认错误：

在ACK间隙期间，发送器未检测到显性位，则检测到一个应答错误。

错误激活《=127错误认可255总线脱离

位时间：

发送一位持续时间，由同步段用于同步总线上各个节点；传播段用于补偿网络内的物理延迟时间；相位段1和相位段2用于补偿沿的相位误差；采样点上（位于相位1和2间、箭头表示），读总线电平，并将其解释为相应位数值

同步方式：

硬同步：

内部的位时间从同步段重新开始。

重同步：

相位段1延长，或相位段2缩短。

控制器：

用于实现CAN协议，对外提供与微处理器物理线路的接口。

通过对控制器的编程，微处理器可以设置其工作方式，控制其工作状态，进行数据的发送和接收。

收发器：

收发器也叫总线驱动器，是CAN控制器和CAN物理总线之间的接口。

P-NET

体系结构：

ISO/OSI的第1、2、3、4和7层

总线访问：

虚拟令牌（VirtualToken）传递:

所有主控节点都包括两个计数器，一个是访问计数器，另一个是空闲总线位周期计数器。

21.Profibus协议

Profibus-FMS（FieldMessageSpecification现场总线报文规范）:

实现中等传输速度的周期性和非周期性数据传输1.2.7+行规（都有）

Profibus-DP（DecentralizedPeriphery分散化外围设备）:

现场级控制系统与分散I/O的高速通信12

Profibus-PA（ProcessAutomation过程自动化）:

本质安全或总线供电的设备之间进行数据通信12

结构:

包含了ISO/OSI参考模型的第1、2、7，即物理层、数据链路层、应用层，另外添加了一个用户层。

报文格式：

无数据字段的固定长度帧、数据长度可变得帧、数据长度固定的帧、令牌帧、短应答帧

总线访问方式：

令牌传递方式：

令牌是一种在主站之间传递的特殊报文，令牌提供访问传输媒体的权力。

令牌环是总线上的所有主站按其地址构成的逻辑环；主从方式：

当主站获得总线访问权，可向从站发送或索取信息。

Profibus由多个主站和多个从站组成。

若逻辑令牌环只含一个主站，这样的网络称为纯主一从系统；若包含多个主站，但网络中无从站，称为纯主一主系统；若网络中同时包括多个主站和多个从站，称为复杂系统。

22.基金会现场总线规范FF-H1和FF-HSE

23.工业以太网体系结构12347+用户

媒体访问控制CSMA/CDTCP/IP

拓扑结构：

（星型结构：

每个站利用点对点方式连接到工业以太网集线器（或交换机），任何节点之间的通信都通过工业以太网集线器（或交换机）控制。

线型结构：

工业以太网中

较常用的一种网络拓扑形式，通常用于级联不同控制区域中的工业以太网集线器（或交换机）。

环型结构：

工业以太网中较为常用的一种网络拓扑形式，它将线型结构中的首尾两个交换机的输入和输出接口再用线缆连接在一起，是线型结构的一种特殊形式。

冗余环型结构：

每个交换机或中继器有两对端口用于级联，形成冗余双环。

正常工作时，发送的信息沿一个方向的链路传输，接收的信息沿相反方向的链路传输。

发生故障时，交换机或中继器能自动将信息传输的方向进行调整，为节点重新找到可用链路，从而可以自动回复系统正常通信。

）

实时通信功能；1、应用工业以太网集线器和交换机2、利用全双工通信3、使用虚拟局域网–IEEE802.1q4、设置报文优先级

LonWorks现场总线技术采用了ISO/OSI的所有七层模型，是直接面向对象通信的控制网络。

LonTalk协议是LON总线的专用协议，是Lon-Works技术的核心。

它符合ISO/OSI参考模型的七层体系结构，即含有物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

媒体访问控制：

MAC协议是CSMA（载波信号多路侦听）协议的一种改进，称为带预测的P-坚持CSMA。

带预测的P-坚持CSMA使所有的节点根据网络积压参数（Backlog）等待随机时间片来访问介质，这就有效地避免了网络的频繁碰撞

Neuron（神经元）芯片：

神经元芯片包括3个8位CPU、RAM、ROM、通信接口和I/O接口。

神经元芯片上设置了11个I/O口34种应用I/O接口。

采用NeuronC语言，用户程序可通过“io_in（）”和

“io_out（）”系统调用来访问这些I/O对象，并在程序执行期间完成输入/输出操作。

开发工具：

LonMaker是图形化工具，NodeBuilder是设备级开发工具，LonBuilder是系统级开发工，LonManager由一系列的软件开发包和接口卡组成

开发过程：

为了组建一个基于实时分布式LonWorks技术的控制网络，必须尽力将一个庞大复杂的控制任务分成较小简单的子任务，并将控制处理过程和信息的输入/输出完全分布到相应的现场控制器中，以避免集中控制。

1）定义控制系统的完整控策略2）将控制系统划分成能分布在现场的功能模块或子任务3）为每个节点所承担的子任务编写NeuronC应用程序4）通过烧录或下载的方式，将应用程序置入各节点的EPROM或FLASHRAM中；5）分别对单个节点和整个系统进行调试和测试；6）在现场安装节点并测试,维护系统的硬件和软件。