《现场总线技术及其应用（第3版）》教材习题答案Word文档下载推荐.docx
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1.10现场总线的本质含义表现在哪些方面？
现场设备互连、现场通信网络、互操作性、分散功能块、总线供电及开放式互联网络。
1.11比较集散控制系统和现场总线控制系统的优缺点。
答：
FCS和DCS的优缺点比较如表所示。
项目
FCS
DCS
控制结构
全分布，放弃了控制站。
控制功能下放到作为网络节点的智能仪表和设备中。
半分布，现场控制依赖于控制站。
信号类型
数字信号
模拟信号、数字信号
通信方式
半双工
单工
可靠性
不会产生转换误差，抗干扰能力强，精度高。
有模拟信号，传输易受干扰且精度低。
状态监控
能实现远程监控、参数调节、自诊断等功能。
不能了解模拟仪表的工作状况，不能对其进行参数调整，且没有自诊断功能。
开放性
通信协议公开，用户可自主进行设备选型、设备互换、系统配置。
大部分技术参数由制造厂自定，导致不同品牌的设备和仪表无法互换。
现场仪表
智能仪表具有通信、测量、计算、执行、报警等功能。
模拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能。
第2章现场总线通信基础
2.1什么是总线？
总线主设备和从设备各起什么作用？
1）总线是多个系统功能部件之间传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式；
使用统一的总线标准，不同设备之间的互连将更容易实现。
2）总线主设备（BusMaster）是指能够在总线上发起信息传输的设备，其具备在总线上主动发起通信的能力；
总线从设备（BusSlaver）是挂接在总线上、不能在总线上主动发起通信，只能对总线信息接收查询的设备。
2.2总线上的控制信号有哪几种？
总线上的控制信号通常有三种类型，分别为：
1）控制设备的动作与状态。
完成诸如设备清零、初始化、启动、停止等所规定的操作。
2）改变总线操作方式。
例如改变数据流的方向、选择数据字段和字节等。
3）表明地址和数据的含义。
例如对于地址，可以用于指定某一地址空间或表示出现了广播操作；
对于数据，可以用于指定它能否转译成辅助地址或命令。
2.3总线的寻址方式有哪些？
各有什么特点？
总线的寻址方式有物理寻址、逻辑寻址及广播寻址三种方式。
1）物理寻址用于选择某一总线段上某一特定位置的从设备作为响应者。
2）逻辑寻址用于指定存储单元的某一个通用区，而不顾及这些存储单元在设备中的物理分布。
3）物理寻址与逻辑寻址的区别在于前者是选择与位置有关的设备，后者是选择与位置无关的设备。
广播寻址用于选择多个响应者。
2.4数据通信系统由哪些设备组成？
1）信息源、发送设备、传输介质、接收设备及信息接收者
2）信息源：
把各种消息转换成原始电信号；
发送设备：
将信息源产生的消息信号变换成适合在传输介质中传输的信号;
传输介质:
发送设备与接收设备之间信号传递所经的媒介；
接收设备:
完成发送设备的反变换；
信息接收者：
将复原的原始信号转换成相应的消息。
2.5请举例说明数据与信息的区别。
数据是信息的载体，它是信息的表示形式，可以是数字、字符、符号等。
例如可以用二进制数据“0”表示物体的“有“或”无
2.6什么是数据传输率？
它的单位是什么？
数据传输率是衡量通信系统有效性的指标之一，其含义为单位时间内传送的数据量，常用比特率S和波特率B来表示，单位为bit/s或bpso
2.7试比较串行通信和并行通信的优缺点。
串行通信多用于可编程序控制器与计算机之间、多台可编程序控制器之间的数据传送。
串行通信虽然传输速度较慢，但传输线少、连线简单，特别适合多位数据的长距离通信；
并行通信方式一般用于在可编程序控制器内部的各元件之间、主机与扩展模块或近距离智能模块之间的数据处理。
虽然并行传送数据的速度很快，传输效率高，但若数据位数较多、传送距离较远时，则线路复杂，成本较高且干扰大，不适合远距离传送。
2.8什么是异步传输？
什么是同步传输？
各用于什么场合？
1）在异步传输中，信息以字符为单位进行传输，每个信息字符都有自己的起始位和停止位，每个字符中的各个位是同步的，相邻两个字符传送数据之间的停顿时间长短是不确定的，它是靠发送信息时同时发出字符的开始和结束标志信号来实现的。
2）同步通信的数据传输是以数据块为单位的，字符与字符之间、字符内部的位与位之间都同步；
每次传送1〜2个同步字符、若干个数据字节和校验字符；
同步字符起联络作用，用它来通知接收方开始接收数据。
在同步通信中发送方和接收方要保持完全的同步，即发送方和接收方应使用同一时钟频率。
3）由于同步通信方式不需要在每个数据字符中加起始位、校验位和停止位，只需要在数据块之前加一两个同步字符，所以传输效率高，主要用于高速通信；
采用异步通信方式传送数据，每传一个字节都要加入起始位、校验位和停止位，传送效率低，主要用于中、低速数据通信。
2.9串行通信接口标准有哪些？
试分别阐述其电气特性。
1）RS-232C>
RS-485>
RS-422AO
2）RS-232C:
任何一条信息线的电压均为负逻辑关系：
-15〜・5V代表逻辑“1”，5〜15V代表逻辑“0”；
RS-485：
的逻辑“1”,以两线间的电压差为+（2〜6）V表示，逻辑“0”以两线间的电压差为・（2〜6）V表示；
RS-422A：
由于RS-422A采用差动发送、差动接收的工作方式并使用+5V电源，在通信速率、通信距离、抗共模干扰等方面比RS-232C接口有较大的提高，最大传输率可达10Mbit/s,传输距离为12〜1200m。
2.10工业通信网络有几种拓扑结构？
目前大多数LAN使用的拓扑结构有星型、环型及总线型这三种网络拓扑结构。
2.11试分析总线型拓扑结构的优缺点。
总线结构在LAN中使用最普遍，其连接特点是端用户的物理媒体由所有设备共享，各节点地位平等，无中心节点控制。
这样的连接布线简单、扩充容易、成本低廉，而且某个节点一旦失效也不会影响其它节点的通信，但使用这种结构必须解决的一个问题是确保端用户发送数据时不能出现冲突。
2.12常用的网络控制方法有哪几种？
令牌方式、争用方式、主从方式。
2.13试阐述令牌传递方式数据发送和接收的过程。
答:
令牌是一组特定的二进制代码，它按照事先排列的某种逻辑顺序沿网络而行，令牌有空、忙两种状态，开始时为空闲;
节点只有得到空令牌时才具有信息发送权，同时将令牌置为忙。
令牌沿网络而行，当信息被目标节点取走后，令牌被重新置为空。
o令牌传送实际上是一种按预先的安排让网络中各节点依次轮流占用通信线路的方法，传送的次序由用户根据需要预先确定，而不是按节点在网络中的物理次序传送。
2.14在CSMA/CD中，什么情况会发生信息冲突？
如何解决？
如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，会使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。
每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧。
2.15通常使用的数据交换技术有几种？
1）在数据通信系统中通常采用线路交换、报文交换和分组交换的数据交换方式。
2）线路交换数据的优点是数据传输迅速可靠、并能保持原有序列；
缺点是一旦通信双方占有通道后，即使不传送数据，其他用户也不能使用，造成资源浪费。
报文交换数据的优点是效率高，信道可以复用且需要时才分配信道；
可以方便地把报文发送到多个目的节点；
建立报文优先权，让优先级高的报文优先传送。
缺点是延时长，不能满足实时交互式的通信要求。
分组交换的优点是转发延时短，数据传输灵活。
由于分组是较小的传输单位，只有出错的分组会被重发而非整个报文，因此大大降低了重发比例，提高了交换速度，而且每个分组可按不同路径不同顺序到达。
缺点是在目的结点要对分组进行重组，增加了系统的复杂性。
2.16曼彻斯特波形的跳变有几层含义？
跳变信号既作为时钟信号，又作为数据信号。
2.17有一比特流10101101011,画出它的曼彻斯特波形。
略
2.18有一比特流10101101011,画出它的差分曼彻斯特波形。
2.19什么是差错控制？
列举两种基本的差错控制方式。
1）在数据通信过程中发现或纠正差错，并把差错限制在尽可能小的、允许的范围内。
2）自动重发、前向纠错。
2.20简要说明光缆传输信号的基本原理。
光缆是一种传输光束的细微而柔韧的媒质，简称为光纤，在它的中心部分包括了一根或多根玻璃纤维，通过从激光器或发光二极管发出的光波穿过中心纤维来进行数据传输。
2.21采用光缆传输数据有哪些优势？
1）抗干扰性好。
光缆中的信息是以光的形式传播的，由于光不受外界电磁干扰的影响，而且本身也不向外辐射信号，所以光缆具有良好的抗干扰性能，适用于长距离的信息传输以及要求高度安全的场合。
2）具有更宽的带宽和更高的传输速率，且传输能力强。
3）衰减少，无中继时传输距离远。
这样可以减少整个通道的中继器数目，而同轴电缆和双绞线每隔几千米就需要接一个中继器。
4）光缆本身费用昂贵，对芯材纯度要求高。
2.22试比较双绞线与同轴电缆的传输性能。
双绞线在数据传输速度、传输距离和信道宽度等方面均受到一定的限制，但价格低廉；
同轴电缆的数据传输速度、传输距离、可支持的节点数、抗干扰性能都优于双绞线，成本也高于双绞线。
2.23为什么要引进IS0/0SI参考模型？
它能解决什么问题？
IS0/0SI参考模型是计算机通信的开放式标准，是用来指导生产厂家和用户共同遵循的规范,任何人均可免费使用，而使用这个规范的系统也必须向其他使用这个规范的系统开放。
0SI参考模型并没有提供一个可以实现的方法，是一个在制定标准时所使用的概念性框架，设计者可根据这一框架，设计出符合各自特点的网络。
2.24IS0/0SI参考模型划分层次的原则是什么？
第1层〜第3层为介质层，负责网络中数据的物理传输；
第4层〜第7层为高层或主机层，用于保证数据传输的可靠性。
2.25简述IS0/0SI七层模型的结构和每一层的作用。
第一层■物理层:
是通过物理介质正确德尔传送原始的比特信息，保证发送的“0”或“1”数据能够被对方正确的检测和接收。
第二层.数据链路层：
负责把不可靠的传输信道改造成可靠的传输信道，采用差错检测和帧确认技术，传送带有校验信息的数据帧。
第三层.网络层：
确定数据包的传输路径，建立、维持和拆除网络连接。
第四层-传输层：
控制开放系统之间的数据传输。
第五层■会话层：
主要管理和协调不同主机上各种进程之间的通信，即负责建立、管理和终止应用程序之间的会话。
第六层-表示层：
负责在不同的数据格式之间进行转换操作，以保证一个系统应用层发出的据能被另一个系统的应用层读出，而且实现不同计算机系统间的信息交换。
第七层■应用层：
应用层是OSI参考模型中最靠近用户的一层，提供应用程序之间的通信，其作用是实现应用程序之间的信息交换、协调应用进程和管理系统资源。
2.26试描述ISO/OSI参考模型中数据传输的基本过程。
每一层依靠相邻的低一层完成较原始的功能，同时又为相邻的高一层提供服务；
邻层之间的约定称为接口，各层约定的规则总和称为协议，只要相邻层的接口一致，就可以进行通信。
2.27列出几种网络互联设备，并说明其功能。
1）中继器
中继器负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。
中继器由于不对信号作校验等其他处理，因此即使是差错信号，中继器也照样整形放大。
2）集线器
集线器是对网络进行集中管理的最小单元，对传输的电信号进行整型、放大，相当于具有多个端口的中继器。
3）网络接口卡
不仅实现与局域网通信介质之间的物理连接和电信号匹配，还负责实现数据链路层数据帧的封装与拆封、数据帧的发送与接收、物理层的介质访问控制、数据编码与解码以及数据缓存等功能。
4）交换机
交换机工作在数据链路层，可以识别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行数据转发，并将MAC地址与对应的端口纪录在自己内部的一个地址表中；
数据帧转发前先送入交换机的内部缓冲，可对数据帧进行差错检查。
5）路由器
路由器工作在网络层，在不同网络之间转发数据单元。
因此路由器具有判断网络地址和选择路径的功能，能在多网络互连环境中建立灵活的连接。
2.28集线器、交换机和路由器分别工作在ISO/OSI参考模型的哪一层？
集线器工作在物理层；
交换机工作在数据链路层；
路由器工作在网络层。
2.29什么是防火墙？
它在网络系统中起什么作用？
防火墙用一方面阻止来自因特网的对受保护网络的未授权或未验证的访问，另一方面允许内部网络的用户对因特网进行Web访问或收发E-mail等，也可以作为访问因特网的权限控制关口，如允许组织内的特定的人可以访问因特网。
2.30现场总线通信模型有什么特点？
现场总线系统为了满足生产现场的实时性、快速性要求，也为了实现工业网络的低成本，对IS0/0SI参考模型进行了简化和优化，除去了实时性不强的中间层，并增加了用户层，构成了现场总线通信系统模型。
2.31现场总线通信模型的用户层起什么作用？
实现现场设备的控制功能和应用功能。
2.32试阐述现场总线控制网络的特点和它承担的主要任务。
1）现场总线网络的节点常常分散在生产现场，网络要求具备高度的实时性、安全性和可靠性。
2）现场总线控制网络主要完成以下任务：
（1）将控制系统中现场运行的各种信息传送到控制室，使现场设备始终处于远程监视之中。
例如在控制室监视生产现场阀门的开度、开关的状态、运行参数的测量值及现场仪表的工作状况等信息。
（2）控制室将各种控制、维护、参数修改等命令送往位于生产现场的测量控制设备中，使得生产现场的设备处于可控状态之中。
（3）与操作终端、上层管理网络实现数据传输与信息共享。
第3章Profibus总线及其应用
3.1阐述Profibus现场总线的性能。
Profibus是一种应用广泛的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准，适合于快速、时间要求严格的应用和复杂的通信任务。
系统由主站和从站组成，主站能够控制总线、决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权时，没有外界请求也可以主动发送信息；
从站没有控制总线的权力，但可以对接收到的信息给予确认或者当主站发出请求时向主站回应信息°
3.2Profibus有哪几种传输技术？
1）Profibus有用于DP和FMS的RS-485传输技术；
用于DP和FMS的光纤传输技术；
用于PA的IEC1158-2传输技术。
2）RS-485传输技术的特点
网络拓扑：
所有设备都连接在总线结构中，每个总线段的开头和结尾均有一个终端电阻。
为确保操作运行不发生误差，两个总线终端电阻必须要有电源。
传输介质：
双绞屏蔽电缆，也可取消屏蔽，取决于电磁干扰环境的条件。
站点数：
每个总线段最多可以连接32个站，如果站数超过32个或需要扩大网络区域，则需要使用中继器来连接各个总线段。
使用中继器时最多可用到127个站，串联的中继器一般不超过3个。
插头连接：
采用9针、D型插头，插座被安装在设备上。
传输速率：
可以在9.6Kbps~12Mbps之间选择各种传输速率。
传输距离：
总线的最大传输距离取决于传输速率，范围为：
100〜1000米。
3）DP/FMS的光纤传输技术特点
在电磁干扰很大的环境或需要覆盖很远的传输距离的网络应用中，可使用光纤传输技术。
光纤是一种采用玻璃作为波导，以光的形式将信息从一端传送到另一端的技术。
光纤电缆对电磁干扰不敏感并能保证总线上站与站的电气隔离，允许Profibus系统站之间的距离最大为15公里。
现在的低损耗玻璃光纤相对于早期发展的传输介质，几乎不受带宽限制且传输距离远、衰减小；
点到点的光学传输系统由三个基本部分构成：
产生光信号的光发送机、携带光信号的光缆和接收光信号的光接收机。
4）IEC1158-2传输技术的特点
数据传输：
数字式、位同步、曼彻斯特编码。
通讯速率为31.25Kbps,与系统结构和总线长度无关。
数据可靠性：
前同步信号，采用起始和终止限定符避免误差。
可以采用屏蔽双绞线电缆，也可以采用非屏蔽式双绞线电缆。
远程电源供电：
为可选附件，可通过数据总线供电。
防爆型：
能进行本征及非本征安全操作。
每段最多有32个站；
使用中继器最多可到127个站。
拓扑结构：
采用总线型、树型或混合型网络拓扑结构。
3.3Profibus控制系统的配置有哪几种形式？
1）PLC或其他控制器做1类主站，不设监控站。
这种结构类型中，在调试阶段需要配置一台编程设备，PLC或其他控制器完成总线通信管理、从站数据读写、从站远程参数化工作。
2）以PLC或其他控制器做1类主站，监控器通过串口与PLC连接。
这种结构类型中，监控站不是2类主站，不能直接读取从站数据和完成远程参数化工作。
监控站所需数据只能从PLC控制器中读取。
3）以PLC或其他控制器做1类主站，监控站连接在Profibus总线上。
这种结构类型中，监控站作为2类主站运行，可完成远程编程、参数设置及在线监控功能。
4）使用PC+Profibus网卡做1类主站。
这种结构类型中，PC机既做主站又做监控站，是个低成本的配置方案；
但PC机需要选用具有高可靠性、能长时间连续运行的工业级PC机，一旦PC机发生故障将会导致整个系统瘫痪。
5）工业控制PCfrl+Profibus网卡+SoftPLC。
SoftPLC是一种软件产品，可以将通用型PC机改造成一台由软件实现的PLC；
将PLC的编程功能、应用程序运行功能、操作员监控站的图形监控开发功能都集成到一台PC机上，形成PLC与监控站于一体的控制器工作站。
3.4Profibus-DP>
Profibus-PA>
Profibus・FMS有什么区别，有什么共同点？
1）Profibus-DP）是一种经过优化的高速、廉价的通信连接，主要用于自动化系统中单元级和现场级通信。
2）Profibus-FMS可以用于车间级监控网络，主要解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成中等速度的循环和非循环通信任务，多用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、PLC等自动化控制，一般构成实时多主站网络系统，是一种令牌结构、实时的多主网络。
3）Profibus-PA（ProcessAutomation,过程自动化）是应用于工业现场控制的过程自动化，遵从IEC1158-2标准，提供标准的本质安全的传输技术，一般用于安全性要求较高的场合及由总线供电的站点。
3.5Profibus・FMS应用层包括哪两部分？
略-不要求掌握
3.6Profibus・DP的FDL层提供了哪几种基本传输服务？
略■不要求掌握
3.7Profibus总线存取方式有哪两种？
用于主站之间通信的令牌传送方式和用于主站与从站之间通信的主从方式。
3.8什么是令牌传递总线方式？
在逻辑令牌环中控制令牌按照事先给定的顺序从一个站传递到下一个站，令牌提供控制总线的权力，并用特殊的令牌帧在主站点间进行传递。
3.9在Profibus网络中1类主站起什么作用？
哪些设备可以做1类主站？
1）完成总线通信控制，管理及周期性数据访问。
2）PLC、PC、支持主站功能的各种通信处理器模块
3.10在Profibus网络中2类主站有什么作用？
列举两种可以做2类主站的设备。
1）完成非周期性数据访问，如数据读写、系统配置、故障诊断及管理组态数据等，它可以与1类主站进行通信，也可以与从站进行输入/输出数据的通信，并为从站分配新的地址。
2）编程设备、触摸屏、操作面板等设备。
3.11Profibus网络从站设备可以分为几类？
列举几种能做Profibus网络从站的设备名称。
做从站的设备可以是PLC一类的控制器，也可以是不具有程序存储和程序执行功能的分散式I/O设备，还可以是象SITRANS现场仪表、MicroMaster变频器等具有总线接口的智能现场设备。
3.12GSD文件有什么作用？
它包括哪几部分内容？
1）对profibus设备的特性进行了详细说明；
标准化的GSD数据将通信扩大到操作员控制级；
使用基于GSD的组态工具可将不同厂商生产的设备集成在同一总线系统中。
2）一般规范、与DP主站有关的规范、与DP从站有关的规范。
3.13如何安装GSD文件？
3.14硬件组态有什么作用？
包括那些内容？
运行Profibus系统之前，需要先对系统及各站点进行硬件配置和相关参数设置，即对系统进行硬件组态。
1）在STEP7编程软件中生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统，包括生成机架和模块、CPU型号/参数设置、网络参数配置、远程从站硬件配置、模块的地址
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