工业数据通信复习资料.docx

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工业数据通信复习资料

工业数据通信复习资料

（西南科技大学2015.5）

填空题

1.按照地理分布距离和覆盖范围来看，计算机网络可以分为广域网、城域网和局域网。

2.光纤分为单模和多模两种类型，其传输原理都是基于光的全反射。

3.工业自动化网络控制系统不单单是一个完成数据传输的通信系统，还是一个借助网络完成控制功能的自控系统。

4.工厂自动化网络的分层结构为_现场设备层、车间监控层和工厂管理层三个层次。

5.参照ISO/OSI标准模型，CAN通信模型包括物理层和数据链路层两层。

6.CAN的报文帧有以下四种类型：

数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。

7.同步是数据传输中必须要解决的重要问题，在报文帧的传送过程中有三种同步方式：

位同步、字同步和帧同步。

8.工业控制系统经历了基地式仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统等主要阶段。

9.CAN总线是有效支持分布式实时控制的串行通信网络，从定位时的同步方式考虑，它属于异步通信。

10.现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。

11.CAN总线支持位仲裁的介质访问方式，是多主工作方式。

12.CAN通信协议规定了4种不同类型的帧：

数据帧，远程帧，错误帧，过载帧。

13.CAN总线上用显性和隐性两个互不的逻辑值表示0和1。

14.CAN协议可以检测到位错误，填充错误，CRC错误，格式错误，应答错误。

15.CAN总线是多主工作方式，任意节点可以主动发送信息。

通过非破坏性总线仲裁机制解决多节点同时发送时的冲突问题。

16.CAN的ISO/OSI参考模型包括两层：

数据链路层、物理层。

17.CAN空闲时网络电平保持隐性1位。

18.现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。

19.RS-422接口通信需要4根线，它是全双工的，RS-485接口通信需要2根线，它是半双工的。

20.Modbus基于串行链路的通信方式有ASCII和RTU。

21.PROFIBUS-DP协议的两个主要部分是用户接口层和直接数据链接映射层。

22.目前的PROFIBUS标准IEC61158提供了三种传输方式：

双绞线、同轴电缆、光纤。

23.基于PROFIBUS的远程监控系统由三层组成：

底层控制层、SCADA层（现场监控层）、远程监控层。

24.CAN的直接通信距离最远达10km，通信速率最高可达1Mbps。

25.DeviceNe的应用层采用的是控制与信息协议（CIP）,CIP也是ControlNet/和Ethernet/IP所采用的应用层协议。

26.报文接受节点根据网络上报文的目的地址段是否与自己的地址相同，来判断报文是否是发给自己的。

27.CIP要发送的报文分为显式报文和隐式报文两种。

28.ControlNet是高速的控制和I/0网络，具有增强的I/O性能和点对点通信能力，支持多主方式，可以从任何一个节点访问整个网络。

29.ControlNet、DeviceNet和Ethernet/IP是罗克韦尔公司推出的三种现场总线产品。

30.模拟数据编码的三种编码方式为幅键键控ASK、频移键控FSK和相移键PSK。

31.局域网中基本的网络拓拓扑结构有3种：

星型拓扑结构、环型拓扑结构和总线型拓扑结构。

32.DDE通信功能包括：

启动、停止、推动、执行、终止。

33.自动控制从非智能、低智能到高智能的发展阶段经历了：

模拟仪表控制系统、直接数字控制系统、集散控制系统和现场总线控制系统四个阶段。

34.分布控制系统拓扑结构较多采用星形、环形、和总线型等三种结构。

35.通信方式按照信息的传输方向分为单工、双工和半双工等三种方式。

36.介质访问方式包含随机访问和受控访问两大类，其中常用争用总线技术为CSMA/CD。

37.在CAN总线中存在5种不同的错误类型，即：

位错误、填充错误、CRC错误、形式错误、应答错误。

38.CAN总线数据帧由7个不同的位场组成：

帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结束。

39.控制网络与计算机网络相比主要特点有：

数据传输的及时性和系统响应的实时性、高可靠性及互可操作。

40.局域网常用的拓外结构有总线、星形和环形三种。

著名的以太网（Ethernet）就是采用其中的总线结构。

41.开放系统互连参考模型OSI中，共分七个层次，分别是应用层、表达层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。

42.PROFIBUS由以下三个兼容部分组成:

PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。

43.LonWorks拥有三个处理单元的神经元芯片：

一个用于链路层的控制，一个用于网络层的控制，另一个用于用户的应用程序。

44.LonTalk协议提供了应答方式、请求/响应方式、非应答重发方式和非应答方式四种类型的报文服务。

45.PROFIBUS的总线存取方式有：

主站之间采用_令牌方式_传送，主站和从站之间采用主从方式传送。

46.PROFIBUS的OSI模型由应用层、__数据链路层和物理层组成三层模型。

47.CAN总线上用显性和隐形两个互补的逻辑值表示“0”和“1”。

48.PROFINET由PROFIBUS国际组织推出,是新一代基于工业以太网的自动化总线标准.49.现场总线PROFIBUS通常采用双绞线作为传输介质,在电磁干扰很大的环境下,可使用光纤。

50.本质安全技术是指保证电气设备在易燃、易爆环境下安全使用的一种技术。

它的基本思路是限制在上述危险场所中工作的电气设备中的能量，使得在任何故障的状态下所产生的电火花都不足以引爆危险场所中的易燃、易爆物质。

51.PROFIBUS-DP协议是为自动化制造工厂中分散的I/0设备和现场设备所需要的高速数据通信而设计的。

PROFIBUS-PA是PROFIBUS的过程自动化解决方案。

PROFIBUS-FMS的设计旨在解决车间一级的通信。

52.PROFIBUS主站具有总线存取控制权，从站没有总线存取控制权。

53.PROFIBUS采用混合的总线存取控制机制，即在主站之间采用令牌传送方式，主站与从站之间采用主从方式。

54.DP主站（1类）循环地与DP从站交换用户数据：

PLC、PC或可以做1类主站使用的控制器。

2类DP主站是操作员工作站、编程装置，诊断和管理设备，完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。

DP从站：

PLC、分散式I/O、驱动器、传感器、执行机构等现场设备。

55.网桥把数据从一个网络传送到另一个网络，使得处于两个不同网络的设备可以互相通话。

56.LonTalk通信协议支持OSI的所有七层模型，是直接面向对象的网络协议，这也是一般现场总线所不具备的特点。

57.LonTalk协议提供了应答方式、请求／响应方式、非应答重发方式和非应答方式四种类型的报文服务。

58.LonWorks拥有三个处理单元的神经元芯片：

一个用于链路层的控制，一个用于网络层的控制，另一个用于用户的应用程序。

59.交换式控制网络中，交换技术常采用两种工作方式：

直通方式和存储转发方式。

60.专门为LonWorks的神经元芯片设计的编程语言叫NeuronC语言，它是以ANSIC为基础设计的。

62.Modbus总线的寻址空间为256，其中，地址0为广播地址。

62.工业以太网中实现实时性的机制主要包括采用交换式集线器（交换机）、使用全双工通信模式、采用虚拟局域网、服务质量。

63.工业以太网中通常采取措施来缓解通信不确定性：

采用全双工以太网技术、控制网络负荷、采用交换式以太网技术

64.控制网络和信息网络可以通过DDE实现两者的集成，其实质是各应用程序通过共享内存来交换数据。

65.网络控制系统NCS是通过网络通信实现闭环反馈的控制系统，相对于传统控制系统而言具有很多优点：

远程操作与控制、实现资源共享、增加系统灵活性。

66.通信方式根据CPU与外设之间连线结构、数据传送方式不同，分为并行通信和串行通信。

根据数据传输方式不同分为同步通信和异步通信。

选择题

1.CSMA/CD的通信原理可以归结为四句话，下列哪个选项正确（C）

A.发前先侦听、边发边检测、空闲即发送、冲突时退避

B.发前先侦听、边发边检测、冲突时退避、空闲即发送

C.发前先侦听、冲突时退避、空闲即发送、边发边检测

D.发前先侦听、空闲即发送、边发边检测、冲突时退避

2.工业自动化主要包括三个层次，下列哪个不是（B）

A．基础自动化

B.应用自动化

C．管理自动化

D.过程自动化

3.Profibus的通信参考模型中不包括下面那一项（D）

A.物理层B.数据链路层C.应用层D.网络层

4.以下几种通讯协议不属于以太网范畴的是（D）

A.PROFINETB.Modbus/TCPC.EhterNet/IPD.ProFibus

5.工业以太网在使用中可以扬长避短，缓解其通信不确定性弊端，以下措施不属于缓解通信不确定性的是（A）

A.采用大容量服务器B.控制网络负荷C.采用全双工以太网技术D.采用交换式以太网技术

6.网络传输介质的访问控制方式有三种，以下不属于其中的是（A）

A.数据同步B.令牌访问C.时分复用D.载波监听多路访问

7、CAN总线使用的数据编码是（B）。

A.归零码（RZ）B.非归零码（NRZ）C.曼彻斯特编码D.差分曼彻斯特编码

8、OSI通信模型中七层都具有的现场总线是（A）。

A.LonWorksB.CANC.DeviceNetD.HART

9、CAN总线中，若具有下列报文ID的4个标准格式数据帧争用总线，胜出的是（C）。

A.11001100001bB.11001101001C.11001000001D.11001000010

10、通信方式按照信息的传输方向分类，不正确的是（D）。

A.单工方式B.半双工方式C.全双工方式D.异步方式11、通过复制位信号和延伸网段长度的网络设备是（C）。

A.网关B.路由器C.中继器D.网桥

12．现场总线PROFIBUS决定数据通信的是（C）。

A．智能从站B．DP从站

C．主站D．中继器

13.PROFINET是基于（D）的自动化总线标准。

A.MPIB.PROFIBUS-DP

C.PROFIBUS-PAD.工业以太网技术

14．PROFIBUS总线每个段上最多可接多少个站（B）。

A．16B．32C．126D．127

15．下面哪个说法不对（B）。

A．中继器为信号放大器B．中继器可实现星型总线结构

C．中继器占用总线地址D．中继器是总线负数

16.一个快速以太网交换机的端口速率为100Mbit/s，若该端口可以支持全双工传输数据，那么该端口实际的传输带宽为（C）

A．100Mbit/sB．150Mbit/sC．200Mbit/sD．1000Mbit/s

17.在常用的传输介质中，（C）的带宽最宽，信号传输衰减最小，抗干扰能力最强。

A．双绞线B．同轴电缆C．光纤D．微波

18．集线器和路由器分别运行于OSI模型的（D）

A．数据链路层和物理层B．网络层和传输层

C．传输层和数据链路层D．物理层和网络层

19.在TCP/IP参考模型中TCP协议工作在（B）

A．应用层B．传输层C．互连层D．主机-网络层

20．在不同的网络之间实现分组的存贮和转发，并在网络层提供协议转换的网络互连器称为（B）。

A．转接器B．路由器C．网桥D．中继器

21、我国第一个被国际标准化组织接收和发布的工业自动化标准是（B）

A.AnyBusB.EPA

C.Modbus/TCPD.IndustrialEthernet

22、下面关于令牌方式的说法中不正确是（）

A.令牌方式是一种按一定顺序在各站点传递令牌的方法，谁得到令牌，谁才有权发起通信。

B.令牌方式是一种非确定性通信方式

C.令牌环适用于环形局域网，令牌在环形信道上不断循环

D.令牌总线适用于总线网络拓扑，网上各工作站按一定顺序形成一个逻辑环

三、简答题

1.请简述现场总线的概念及其技术特点

答：

现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。

由此网络构成的系统称为现场总线控制系统。

a）开放性：

相关标准的一致性和公开性；系统集成的透明性和开放性；产品竞争的公正性和公开性。

b）交互性：

上层网络与现场设备之间具有相互沟通的能力；现场设备之间具有相互沟通能力；不同厂家的同类设备可以相互替换。

c）自治性：

单独的现场设备即具有自动控制的基本功能，可以随时诊断自己的运行状况，实现功能的自治。

d）适应性：

专为恶劣环境而设计的，对现场环境具有很强的适应性。

2.Profibus由那三个子集组成，其技术特点各有哪些？

答：

Profibus由ProfibusDp，ProfibusFMS和ProfibusPA三个子集组成；a）ProfibusDp是专为自动控制系统与设备级分散IO之间的通信而设计的，用于分布式控制系统设备间的高速数据传输b）ProfibusFMS适用于承担车间级通用性数据通信，可提供通信量大的相关服务，完成中等传输速度的周期性和非周期性通信任务。

c）ProfibusPA是专为过程自动化而设计的，采用IEC1158-2中规定的通信规程，适用于安全性要求较高的本质安全应用，及需要总线供电的场合。

3.试述CAN总线的同步机制及规则。

答：

同步机制：

CAN总线的位同步只有在节点检测到隐性位1到显性位0的跳变时才会产生，当跳变沿不位于位周期的同步段之内时将会产生相位误差，该相位误差就是跳变沿与同步段结束位置之间的距离。

如果跳变沿发生在同步段之后采样点之前，则为正的相位误差；如果跳变沿位于同步段之前采样点之后，则为负的相位误差，相位误差源于节点的振荡器漂移，网络节点之间的传播延迟及噪声干扰等。

CAN协议规定了两种类型的同步：

硬同步和重同步。

同步规则：

①在一个位时间内仅允许一种同步；②只要先前采样点检测到的数值不同于边沿后即现的总线数值，边沿即用于同步；③总线空闲期间，当存在隐性至显性的跳变沿时即完成硬同步；④所有满足规则①②的其他隐性至显性的跳变沿用于重同步；例外情况是，若只有隐性至显性沿用于重同步，则由于具有正相位误差的隐性至显性沿的结构，发送器将不完成重同步。

4.现场总线控制网络与上层网络的连接方式有哪几种？

答：

一是采用专用网关完成不同通信协议的转换，把控制网段或DCS连接到以太网上。

二是将现场总线网卡和以太网卡都置入到工业PC的PCI插槽内，在PC内完成数据交换。

三是将WED服务器直接置入到PLC或现场控制设备中，借助WED服务器和通用浏览工具，实现数据信息的动态交互。

5.传输差错的类型，冗余校验技术的类型有哪些？

答：

一般按照单位数据域内发生差错的数据位数及其分布分为以下三种错误类型：

（1）单比特错误：

在单位数据域内只有一个数据位出错。

（2）多比特错误（离散错误）：

在单位数据域内有1个以上不连续的数据位出错。

（3）突发错误：

在单位数据域内有2个或2个以上连续的数据位出错。

差错检测中广泛采用冗余校验技术。

即在基本数据信息的基础上加上附加位，在接收端通过这些附加位的数据特征，校验判断是否发生了传输错误。

（1）奇偶校验

（2）纵向冗余校验LRC（LongitudinalRedundancyCheck）（3）循环冗余校验CRC（CyclicRedundancyCheck）

6.循环冗余校验的工作原理

答：

原理如图所示：

注意：

（1）k为生成多项式G（x）的最高幂值；

（2）CRC校验码生成是采用二进制模二算法，即减法不借位，加法不进位。

这是一种异或操作。

【例】设数据为1011010，生成多项式为G（x）＝x4+x+1，求数据1011010的CRC编码。

求解过程如下：

余数多项式对应的校验码为：

1111,所求的CRC编码为10110101111。

7、网络传输介质的访问控制方式有哪些？

各自特点

答：

a．载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。

一个节点要发送数据，首先需监听总线。

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。

这种避免冲突的发送等待策略，称为坚持退避算法。

冲突检测：

由于传输线上不可避免的有传输延迟，有可能多个节点同时监听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。

故每个工作节点发送信息之后，还要继续监听线路，判定是否有其他节点正与本节点同时向传输线发送。

一旦发现，便中止当前发送。

b.令牌（token）令牌方式是一种按一定顺序在各站点传递令牌的方法。

谁得到令牌，谁才有权发起通信。

（1）令牌环（token-ring）方式用于环形局域网。

表示发送权的令牌在环形信道上不断循环。

环上每个相应站点都可获得发报权，而任何时刻只会有一个站点利用环路传送报文。

（2）令牌总线（token-bus）方式用于总线网络拓扑。

网上各工作站按一定顺序形成一个逻辑环。

每个工作站在环中均有一个指定的逻辑位置，末站的后站就是首站，即首尾相连。

每站都了解先行站（PS）和后继站（NS）的地址，总线上各站的物理位置与逻辑位置无关。

c.时分复用（TimeDivisionMultiplex，TMD）是指为共享介质的每个节点预先分配好一段特定的占用总线的时间。

各个节点按分配好的时间及其先后顺序占用总线的介质访问控制方式。

（1）同步时分复用：

指为每个节点分配相等的时间，而不管通信数据量的大小。

（2）异步时分复用：

指为每个节点分配的时间长度不一，根据通信数据量的大小不同而不同。

8.按不同用途，CAN报文帧的类型主要有哪些？

CAN2.0A规范所规定的报文帧被称为标准格式的报文帧；CAN2.0B规范规定了标准和扩展两种不同的帧格式；标准格式具有11位标识符；扩展格式具有29位标识符。

（1）根据报文帧标识符的长度，可分为标准帧和扩展帧。

（2）根据CAN报文帧的不同用途，可分为：

数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。

9.PROFIBUS的物理层传输技术有什么？

分别应用于那个子集？

答：

DP和FMS采用RS-485传输技术,PA的IEC1158-2传输技术

10.PROFIBUS的介质存取控制协议是什么？

答：

三种PROFIBUS（DP、PA、FMS）均使用到介质存取控制协议—TokenPassing。

（令牌环协议）。

介质存取控制（MAC）具体控制数据传输的程序，必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。

主站之间采用令牌传送方式，主站和从站之间采用主从方式。

11.信号在电缆上高速传输时，如何避免信号反射引起的信号畸变？

答：

通常在电缆的两端接入终端电阻，用来吸收传到两端的能量。

12．什么是监控组态软件？

答：

监控组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

13．令牌总线机制

答：

令牌总线是一种在总线拓扑结构中利用“令牌”（token）作为控制节点访问公共传输介质的确定型介质访问控制方法。

在采用令牌总线方法的局域网中，任何一个结点只有在取得令牌后才能使用共享总线去发送数据。

14.CAN报文由由哪些帧组成？

构成一帧的基本元素是哪些?

答：

（1）CAN报文由数据帧、远程帧、出错帧和超载帧组成。

（2）构成一帧的结构由帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列均借助位填充规则进行编码,当发送器在发送的位流中检测到5位连续的相同数值时，将自动地在实际发送的位流中插入一个补码位。

15.通信方式按照信息的传输方向分为哪几种?

答：

单工（simplex）方式；半双工（Halfduplex）方式；全双工（Fullduplex）方式

16.什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。

答：

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。

17.现场控制网络完成哪些通信任务？

答：

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。

18.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？

答：

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

19.工业控制系统的发展分为几个阶段？

答：

工业控制系统大致经历了基地试仪表控制系统、集中式数字控制控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统等几个主要阶段。

每个阶段的控制系统在结构上都有明显的改进，都有一种标志性的设备。

20.现场总线与一般计算机通信的区别？

答：

1.功能不同2.性能指标的差异3．网络结构的不同

21.简述RS-485传输技术的基本特征。

答：

网络拓扑：

线性总线，两端有有源的总线终端电阻；传输速率：

9.6kbit/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

22.什么是本质安全：

答：

本质安全技术是指保证电气设备在易燃、易爆环境下安全使用的一种技术。

它的基本思路是限制在上述危险场所中工作的电气设备中的能量，使得在任何故障的状态下所产生的电火花都不足以引爆危险场所中的易燃、易爆物质。

23.什么是控制网络：

答：

将多个分散在生产现场，具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，以现场总线作为通信连接的纽带，把现场控制设备连接成为可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。

24.什么是总线仲裁？

答：

总线在传送信息的操作过程中有可能会发生“冲突”。

为解决这种冲突，就需进行总线占有权的“仲裁”。

总线仲裁是用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。

25.请简述现场总线技术的特点

答：

开放性：

相关标准的一致性和公开性；系统集成的透明性