《工业控制网络》课程教学大纲.doc
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《工业控制网络》课程教学大纲
课程编码：
T1060260
课程中文名称：
工业控制网络
课程英文名称：
INDUSTRIALCONTROLNETWORK
总学时：
40 讲课学时：
28实验学时：
12学分:
2.5
授课对象：
电气工程及其自动化专业
先修课程：
电路集成电子技术嵌入式系统原理及应用
一、课程教学目的
工业控制网络即现场总线是3C（Computer,CommunicationandControl）技术发展汇集成的结合点，是信息技术、数字化智能化网络发展到现场的结果。
现场总线是自动化及电气工程领域当前和今后的发展热点。
现场总线已在国民经济各个领域和国防领域中获得了广泛应用，而且应用得越来越普遍。
例如，对于电气工程领域，在现代电机驱动与控制装置（如变频器）中、在数字化变电站、配电系统/继电保护装置中、在智能电器中、在楼宇自动化装置中，几乎均要求配置现场总线通信接口；对于国防领域，在航空航天设备、舰船、装甲车辆中均使用了现场总线系统。
本课程以现场总线基本技术及其节点设计为主要内容，目的是使学生掌握现场总线通信与网络基本知识，学会阅读并理解现场总线协议/规范，能够设计一般设备的现场总线通信接口，掌握典型现场总线系统的基本应用技术，并为学生进行现场总线系统设计和现场总线分析奠定一定的基础。
二、教学内容及基本要求
本课程的主要内容包括计算机网络与现场总线的基础知识、国际标准现场总线及其它主流现场总线协议/规范、现场总线节点设计以及现场总线系统应用技术基础。
第1章绪论
现场总线的发展历程、概念、组成、技术特点与优点，标准及应用领域。
第2章数据通信与计算机网络基础
数据编码方式、信号传输方式、通信方式等数据通信基础知识；网络拓扑结构、传输介质、硬件组成与介质访问控制方式等计算机网络基础知识；协议分层、接口和服务、服务原语等计算机网络基本理论；OSI参考模型和TCP/IP参考模型及其优缺点，OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较。
第3章控制器局域网——CAN
CAN总线的产生及其发展历程，CAN总线的技术特点，CAN节点的分层结构，CAN的一些基本概念，报文传送及其帧类型，错误类型及其界定，位定时要求，CAN总线基本技术阐释与分析，CAN控制器及接口芯片：
SJA1000、82C250，CAN节点设计，CAN系统应用实例。
第4章DeviceNet
DeviceNet简介，DeviceNet的连接（CAN标识符区的DeviceNet使用、连接建立概述、预定义主/从连接组、客户机和服务器的连接终点），DeviceNet信息协议（显式信息、输入/输出信息、分段/重组、重复MACID检测协议），DeviceNet通信对象类，网络访问状态机制，预定义主/从连接组，构建DeviceNet网络的步骤及所需的硬件和软件，DeviceNet节点设计、DeviceNet系统应用实例。
第5章ControlNet
概述，主要技术特点，物理层与媒体，数据链路层简介，ControlNet系统应用实例。
第6章以太网（EtherNet/IP）
概述，封装协议，显式与I/O信息到TCP/IP的映射，物理层，设备描述，对象库。
第7章FF现场总线
概述；物理层及其网络连接；数据链路层；现场总线访问子层；报文规范层；网络管理与系统管理；通信控制器FB3050；设备描述。
第8章Profibus
概述；Profibus通信协议；Profibus实现的可能性；Profibus控制器ASPC2；Profibus系统应用实例。
实验项目明细表
序号
实验项目名称
学时
实验要求
实验类型
每组人数
1
PLC编程与通信实验
3
必修
综合
3
2
CAN总线通信实验
3
必修
综合
3
3
DeviceNet网络配置与通信实验
3
必修
综合
3
4
ControINet网络组态及通信实验
3
必修
综合
3
5
Netlinx嵌入式远程通信实验
必修
演示
《工业控制网络》课程教学进程表
课次
学时
教学内容
第一次课
2
第1章绪论：
现场总线的发展历程，现场总线的概念、组成和网络架构，现场总线的技术特点与优点，现场总线国际标准与中国标准，现场总线应用领域。
第二次课
2
第2章数据通信与计算机网络基础：
数据编码方式、信号传输方式、通信方式等数据通信基础知识，网络拓扑结构、传输介质与硬件组成等计算机网络基础知识。
第三次课
2
第2章数据通信与计算机网络基础：
介质访问控制方式、协议分层、接口和服务、服务原语等计算机网络基本理论。
第四次课
2
第2章数据通信与计算机网络基础：
OSI参考模型和TCP/IP参考模型及其优缺点，OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较。
第五次课
2
第3章CAN总线：
CAN总线的产生及其发展历程，CAN总线的技术特点，CAN节点的分层结构，CAN的一些基本概念，报文传送及其帧类型。
第六次课
2
第3章CAN总线：
错误类型及其界定，位定时要求，CAN总线基本技术阐释与分析。
第七次课
2
第3章CAN总线：
CAN控制器及接口芯片：
SJA1000、82C250，CAN节点设计，CAN系统应用实例。
第4章DeviceNet：
DeviceNet简介。
第八次课
2
第4章DeviceNet：
DeviceNet的连接，DeviceNet信息协议，DeviceNet通信对象类。
第九次课
2
第4章DeviceNet：
网络访问状态机制，预定义主/从连接组，构建DeviceNet网络的步骤及所需的硬件和软件，DeviceNet节点设计，DeviceNet系统应用实例。
第十次课
2
第5章ControlNet：
概述，主要技术特点，物理层与媒体，数据链路层简介、ControlNet系统应用实例。
第十一次课
2
第6章以太网（EtherNet/IP）：
概述，封装协议，显式与I/O信息到TCP/IP的映射。
第十二次课
2
第6章以太网（EtherNet/IP）：
物理层，设备描述，对象库。
第7章FF总线：
概述，物理层及其网络连接，数据链路层。
第十三次课
2
第7章FF总线：
现场总线访问子层，报文规范层，网络管理与系统管理，通信控制器FB3050，设备描述。
第8章Profibus总线：
概述。
第十四次课
2
第8章Profibus总线：
Profibus通信协议；Profibus实现的可能性；Profibus控制器ASPC2；Profibus系统应用实例。
一、概念题
1、 现场总线
答：
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。
2、 模拟数据编码
答：
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状态的，称为模拟数据编码。
3、 数字数据编码
答：
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。
4、 单极性码
答：
信号电平是单极性的数字数据编码。
5、 双极性编码
答：
信号电平为正、负两种极性的数字数据编码。
6、 归零码（RZ）
答：
在每一位二进制信息传输之后均返回零电平的数字数据编码。
7、 非归零码（NRZ）
答：
在整个码元时间内维持有效电平的数字数据编码。
8、 差分码
用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0的数字数据编码。
9、 基带传输
答：
就是在数字通信的信道上按数据波的原样进行传输，不包含有任何调制
10、 载波传输
答：
采用数字信号对载波进行调制后实行传输。
11、 单工通信
答：
就是指传送的信息始终是一个方向，而不进行与此相反方向的传送。
12、 半双工通信
答：
是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
13、 全双工通信
是指能同时作双向通信。
14、 广播式网络
答：
仅有一条通信信道，由网络上的所有机器共享。
短的消息，即按某种语法组织的分组或包，可以被任何机器发送并被其它所有的机器接收。
分组的地址字段指明此分组应被哪台机器接收。
一旦收到分组，各机器将检查它的地址字段。
如果是发送给它的，则处理该分组，否则将它丢弃。
15、 点到点网络
由一对对机器之间的多条连接构成。
为了能从源到达目的地，这种网络上的分组可能必须通过一台或多台中间机器。
16、 类
一组表示同种系统组件的对象。
一个类是一个对象的一种概括。
一个类中所有的对象在形式和行为上是相同的，但是它们可以包含不同的属性值。
17、 实例
一个对象的一个明确的真实（物理）事件。
18、 属性
一个对象的一个外部可视特性或特点的一种描述。
19、 仅限组2服务器
一个UCMM非能力的和必须使用预定义主/从连接组来建立通信的从站。
20、 预定义主/从连接组
一组便于典型主/从关系通信的连接。
一个应用至应用连接的创建及配置所涉及的诸多步骤已在预定义主/从连接组的定义中被取消。
而它所提供的方法使得可用较少的网络和设备资源来建立一个通信环境。
21、 广播风暴
网络上的一个错误数据包的广播，它会引起多个主机立刻响应。
一般说来，这种平等的错误数据包会引起风暴严重地成指数增长。
22、 数据报
装载足够由一个源到目的计算机的路由信息的数据的一个自身含有的独立实体，而不需依靠源与目的计算机先前的信息交换和传输网络。
23、 封装
分层协议使用的一种技术，即当前层将头部信息添加到来自上一层的协议数据单元（PDU）。
二、填空题
1、现场总线控制系统硬件包括：
通信线、连接在通信线上的设备；软件包括：
组态工具软件、组态通信软件、控制器编程软件、用户程序软件、设备接口通信软件、设备功能软件、监控组态软件。
2、在现场总线控制系统中，总线设备主要分为6类：
变送器/传感器；执行器；控制器；监控/监视计算机；现场总线网桥/网关；其它现场总线设备，如人机界面、条形码识别器等。
3、现场总线具有数字化、开放性、分散性、互操作性、互换性、现场环境的适应性等特点。
4、进入“工业控制系统用现场总线”国际标准IEC61158（ED2.0）中的现场总线类型有FFH1、ControlNet、Profibus、P-Net、FFHSE、SwiftNet、WorldFIP、Interbus。
5、进入“低压开关设备和控制设备”现场总线国际标准IEC62026中的现场总线类型有AS-I、DeviceNet、SDS、Seriplex。
6、2002年10月8日中国国家标准化管理委员会批准了我国低压开关设备和控制设备的国家标准GB/T18858，其中包括了2个现场总线类型：
AS-I和DeviceNet。
7、模拟数据编码的三种编码方法是：
ASK（幅度键控）、FSK（频移键控）、PSK（相移键控）。
8、较为常见的网络拓扑结构有星形、环形、总线形和树形。
9、网络中常用的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维电缆、无线与卫星通信。
10、传输介质的特性主要包括：
物理特性、传输特性、连通特性、地理范围、抗干扰性、相对价格。
11、令牌传递总线介质访问控制应具备以下几项功能：
令牌传递算法、逻辑环的初始化、站插入算法、退出环路、恢复。
12、按连接距离分类网络可分为局域网、城域网和广域网。
13、服务原语可分为请求、指示、响应、证实4类。
14、ISOOSI开放系统互联参考模型分为7层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。
15、TCP／IP参考模型分为4层，即主机至网络层、互联网层、传输层、应用层。
16、标准格式的CAN数据帧，不计填充位，最短为44位，最长为108位。
17、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。
18、CAN总线在传输速率为5kbps及其以下时，传输距离可达10Km；传输距离在40m及其以下时，传输速率可达1Mbps。
19、CAN总线报文传送由4种不同类型的帧表示和控制：
数据帧、远程帧、错误帧、超载帧。
20、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。
21、DeviceNet现场总线的优点是开放、低价、可靠、高效。
22、DeviceNet现场总线网络上节点数最多可达64个，支持125kbps、250kbps、500kbps三种波特率、总线长度可达500米。
23、DeviceNet现场总线支持位选通、轮询、状态改变（COS）、周期4种I/O数据触发方式。
24、在DeviceNet现场总线中，一个连接中一般包含3种类型的定时器，即：
发送触发定时器、静止/看门狗定时器和生产停止定时器。
25、ControlNet现场总线使用的物理介质为RG6同轴电缆或光线。
最大支持5个中继器。
带中继器最大拓扑长度：
使用同轴电缆5000米；使用光纤，30公里。
可编址节点最多为99个。
网络速度：
5Mbps。
干线终端电阻：
75欧姆。
26、ControlNet现场总线的每个NUT被划分为三个主要部分：
预定时段、非预定时段和维护时段。
27、基金会现场总线的通信活动可以分为两类。
由链路活动调度器（LAS）按照预定的调度时间表周期性发起的通信活动，称为受调度通信。
在预定的调度时间表之外的时间，通过得到令牌的机会发送信息的通信方式称为非调度通信。
28、FF现场总线中的H1，若使用A型电缆，最大支持4个中继器，带中继器最大拓扑长度9500米，总线挂接设备最多为32台。
网络速度：
31.25kbps。
29、PROFIBUS现场总线由3个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS。
三、单选题
1、 下面哪个国际标准不是关于现场总线的：
A. IEC61158
B. IEC60068
C. ISO11898
D. IEC62026 答案：
（）
2、 现场总线是当今3C技术发展的结合点，这里的3C是指：
A. COMPUTER、COMMUNICATION、CONTENTS
B. CHINA、COMPULSARY、CERTIFICATION
C. COMPUTER、COMMUNICATION、CONTROL
D. CAD、CAPP、CAM 答案：
（）
3、 下面哪个现场总线国际标准是关于低压开关设备和控制设备的：
A. IEC61158
B. IEC1158
C. ISO11898
D. IEC62026 答案：
（）
4、 ControlNet现场总线是由下面哪个公司推出的：
A. Rockwell
B. Boeing
C. Siemens
D. Fisher-Rosemount 答案：
（）
5、 在“低压开关设备和控制设备”现场总线国际标准IEC62026中因协议不适合作为设备层的通用协议而被移去的现场总线类型是：
A. Lontalk
B. DeviceNet
C. AS-I
D. Seriplex。
答案：
（）
6、 在关于“道路交通工具数字信息交换”的国际标准ISO11898和ISO11519中以下列哪一通信速率区分高速和低速通信控制器局域网？
A. 1Mbps
B. 125Kbps
C. 250Kbps
D. 500Kbps 答案：
（）
7、 下列哪种现场总线是建筑业国际公认的现场总线标准？
A. CC-Link
B. HART
C. Lonworks
D. Sensoplex2 答案：
（）
8、 双绞线按规则螺旋结构排列的目的是
A. 使各线对之间的电磁干扰最小
B. 使各线对之间易于区别
C. 使各线对的韧性更强
D. 以上皆不是 答案：
（）
9、 SJA1000是：
A. CAN控制器接口芯片
B. 独立CAN控制器芯片
C. 在片CAN控制器芯片
D. CAN控制器驱动芯片 答案：
（）
10、 标准格式的CAN数据帧，不计填充位，
A. 最短为41位，最长为105位
B. 最短为42位，最长为106位
C. 最短为44位，最长为108位
D. 最短为47位，最长为111位 答案：
（）
11、 CAN总线使用的数据编码是：
A. 归零码（RZ）
B. 差分曼彻斯特编码
C. 曼彻斯特编码
D. 非归零码（NRZ） 答案：
（）
12、 在CAN总线中，当错误计数值大于多少时，说明总线被严重干扰？
A. 128
B. 127
C. 96
D. 255 答案：
（）
13、 在CAN总线2.0B技术规范中，扩展帧具有的标识符位数为：
A. 8位
B. 29位
C. 15位
D. 11位 答案：
（）
14、 ISO11898对CAN总线典型电平规定如下：
A. 显性：
VCAN–H＝VCAN–L＝2.5V，Vdiff=0V；隐性：
VCAN–H＝3.5V,VCAN–L=1.5V,Vdiff=2V。
B. 隐性：
VCAN–H＝1.75V,VCAN–L=3.25V,Vdiff=-1.5V；显性：
VCAN–H＝4V，VCAN–L＝1V，Vdiff=3V。
C. 显性：
VCAN–H＝1.75V,VCAN–L=3.25V,Vdiff=-1.5V；隐性：
VCAN–H＝4V，VCAN–L＝1V，Vdiff=3V。
D. 隐性：
VCAN–H＝VCAN–L＝2.5V，Vdiff=0V；显性：
VCAN–H＝3.5V,VCAN–L=1.5V,Vdiff=2V。
答案：
（）
15、 CAN总线两端应加终端电阻，其标准阻值为：
A. 75Ω
B. 330Ω
C. 200Ω
D. 120Ω 答案：
（）
16、 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：
A. 11001000001
B. 11001101001
C. 11001100001
D. 11001000010 答案：
（）
17、 使用晶振频率为16MHz的独立CAN控制器SJA1000，若BTR0=01Hex，BTR1=1Chex，则由其所决定的位速率是：
A. 250kbps
B. 500kbps
C. 1Mbps
D. 125kbps 答案：
（）
18、 独立CAN控制器SJA1000采用BasicCAN模式，关于其接收滤波公式，下列表述正确的是：
A. （ID.10-ID.3）先和（AC.7-AC.0）按位同或，再和（AM.7-AM.0）按位或，若值为0xFF，则接收
B. （ID.10-ID.3）先和（AC.7-AC.0）异或，再和（AM.7-AM.0）或，若值为0xFF，则接收
C. （ID.10-ID.3）先和（AC.7-AC.0）同或，再和（AM.7-AM.0）或，若值为0xFF，则接收
D. （ID.10-ID.3）先和（AC.7-AC.0）按位异或，再和（AM.7-AM.0）按位或，若值为0xFF，则接收 答案：
（）
19、 使用CAN控制器接口PCA82C250的CAN总线系统，总线至少可连接多少个节点？
A. 110个
B. 64个
C. 32个
D. 127个 答案：
（）
20、 负责组织和管理基金会现场总线的国际组织是：
A. CI
B. PI
C. ODVA
D. FF 答案：
（）
21、 在DeviceNet现场总线中，若显式请求报文的服务区字节内容为0x05，则在该报文的响应报文中的服务区字节内容为：
A. 0x85
B. 0x05
C. 0x00
D. 0xC5 答案：
（）
22、 在DeviceNet现场总线I/O连接中，使用分段协议取决于下面哪种情况？
A. 须发送的数据超过7字节
B. 生产_连接_长度属性值超过8
C. 生产_连接_长度属性值超过7
D. 须发送的数据超过8字节 答案：
（）
23、 在ControlNet现场总线中，若一个Lpacket含有3个字节标签，9字节的链路数据，则长度区所表示的字节对的数值为：
A. 8
B. 7
C. 6
D. 9 答案：
（）
24、 罗克韦尔自动化公司推出的DeviceNet、ControlNet和EhterNet/IP其网络层、传输层和应用层皆使用CIP公共规范。
CIP是下列哪组英文的缩写？
A. ControlandInformationProtocol
B. ChinaInternetPeople
C. CarriageandlnsurancePaidto
D. ControlledInsurancePrograms 答案：
（）
25、 由国际互联网编号分配权威组织（IANA）分配给EtherNet/IP的TCP和UDP端口号是：
A. 0x0015
B. 0xAF12
C. 0x0050
D. 0x0019 答案：
（）
26、 在下列现场总线中，不使用曼彻斯特编码的是：
A
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