复习题1
一、填空
1. OSI参考模型的七层分别是  物理层  、 数据链路层  、 网络层  、  运输层  、  会话层  、 表示层  、  应用层  。
2 .MACS现场控制站由控制机笼、主控制器、电源模块、智能I/O模块、端子模块、通信网络、控制机柜等部分组成。
3. 现场总线是一种数字式、双向传输、多分支结构和计算机局部网络的底层控制网络。
4. 典型的现场总线有Profibus、CAN、FF等。
5. 现场总线的基本设备有现场总线变送器、温度变送器、电流-现场总线转换器和  现场总线-电流变换器  等。
6. PROFIBUS现场总线的组态软件是  step7  。
7. 计算机控制系统由工业控制机  和生产过程两大部分组成。
8. 计算机控制系统按参与控制的计算机不同，可分为工业控制机控制系统、PLC控制和  单片机控制。
9. 集散控制系统是计算机技术、控制技术、显示技术和  、  通信技术相结合的产物。
10. 计算机网络的拓扑结构主要有总线型、星型、环型、树型、网状型。
11. 现场控制站的基本功能包括反馈控制、逻辑控制、顺序控制、批量控制、数据采集与处理和  数据通信 。
12. 计算机控制系统按其结构不同可分为  集中结构和    分散结构  两大类。
13. 集散控制系统由  工业控制机、通信网络、现场检测控制设备三大部分组成。
14. 常用的通信介质主要有  双绞线、同轴电缆、光纤。
15. 集散控制系统又称为  分散控制系统英文简称  DCS  ，现场总线控制系统简称为  FCS  。
16. 集散控制系统的设计思想为  集中管理、分散控制。
二、名词解释
数据采集系统：计算机只承担数据的采集和处理，而不直接参与控制。
直接数字控制系统：计算机既采集数据，又对数据进行处理，并按照一定的控制规律进行运算，其结果经输出通道作用到控制对象，使被控变量符合要求。
实时控制：计算机在规定的时间内完成数据的采集、计算和输出。
传输速率：单位时间内通信系统所传输的信息量，一般以每秒种能够传输的比特数来表示，其单位是bps。
计算机控制系统：利用计算机来实现工艺过程自动控制的系统。
集散控制系统：是一种操作显示集中、控制功能分散、采用分级分层结构形式、局部网络通信的计算机综合控制系统。
串行传输：把数据逐位依次在信道上进行传输的方式。
通信协议：通信双方共同遵守的规则和约定，包括语法、语义、时序。
监督计算机控制系统：简称SCC系统，是一种两级微型计算机控制系统，其中DDC级计算机完成生产过程的直接数字控制；SCC级计算机则根据生产过程的工况和已定的数学模型，进行优化分析计算，产生最优化设定值，送给DDC 级计算机执行。
分级控制系统：由多台计算机完成不同的控制功能和对多个设备的控制，其特点是控制分散、危险分散。
模拟通信：通信系统中所传输的是模拟信号，通常采用0-10m A DC或4-20m A DC电流信号传输信息。
数字通信：通信系统中所传输的是数字信号。
并行传输：把数据多位同时在信道上进行传输的方式。
开放系统互连参考模型：信息处理领域内最重要的标准之一，是一种框架模型，它将开发系统的通信功能分为七层，描述了各层的意义及各层的命名和功能。
三、问答题
1. 简述DCS的操作员站、工程师站、监控计算机站的主要功能？
2. 简述组态设计的基本步骤。
3. 什么是PROFIBUS总线？PROFIBUS总线有什么特点？
4. DCS的层次结构一般分为几层，并说明每层的功能？
5. 简述现场控制站的基本功能。
6. 典型的现场总线有哪些？各有什么特点？（至少写3种）
7. 计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点是什么？
8. 概述DCS的产生过程，并分析其设计思想。
9. 什么是现场总线？与集散控制系统比较有哪些优点？
答案：
1.操作站的主要功能：为过程显示和控制、系统生成与诊断、现场数据的采集和恢复显示等。
工程师站的主要功能：控制系统组态的修改、控制参数的调试
监控计算机的主要功能：在车间管理级与过程优化级之间起到信息传递的作用，同时可对信息进行优化计算，为系统决策提供参考。
2. 组态设计的一般步骤如下：
（1）组态软件的安装 按照要求正确安装组态软件，并将外围设备的驱动程序、通信协议等安装就绪。
（2）工程项目系统分析 首先要了解控制系统的构成和工艺流程，弄清被控对象的特征，明确技术要求，然后再进行工程的整体规划，包括系统应实现哪些功能、需要怎样的用户界面窗口和哪些动态数据显示、数据库中如何定义及定义哪些数据变量等。
（3）设计用户操作菜单 为便于控制和监视系统的运行，通常应根据实际需要建立用户自己的菜单以方便操作，例如设立一按钮来控制电动机的起/停。
（4）画面设计与编辑 画面设计分为画面建立、画面编辑和动画编辑与链接几个步骤。画面由用户根据实际工艺流程编辑制作，然后需要将画面与已定义的变量关联起来，以便使画面上的内容随生产过程的运行而实时变化。 （5）编写程序进行调试 程序由用户编写好之后需进行调试，调试前一般要借助于一些模拟手段进行初调，检查工艺流程、动态数据、动画效果等是否正确。
（6）综合调试 对系统进行全面的调试后，经验收方可投入试运行，在运行过程中及时完善系统的设计。
3. PROFIBUS是一种国际性的开放式现场总线标准，是唯一的全集成H1（过程）和H2（工厂自动化）现场总线解决方案[12]，它不依赖于产品制造商，不同厂商生产的设备无须对其接口进行特别调整就可通信，因此它广泛应用于制造加工、楼宇和过程自动化等自动控制领域。
PROFIBUS现场总线系统的技术特点：
①容易安装，节省成本。②集中组态，建立系统简单。③提高可靠性，工厂生产更安全、有效。④减少维护，节省成本。⑤符合国际标准，工厂投资安全。
4.集散控制系统分为四个层次，每个层次由多个计算机组成，分别行使不同的功能，自下而上分别是：现场控制级、过程控制级、过程管理级和经营管理级。与这四层结构相对应的四层局部网络分别是现场网络、控制网络、监控网络和管理网络。
现场控制级的功能：一是完成过程数据采集与处理。二是直接输出操作命令、实现分散控制。三是完成与上级设备的数据通信，实现网络数据库共享。四是完成对现场控制级智能设备的监测、诊断和组态等。
过程控制级功能：一是采集过程数据，进行数据转换与处理；二是对生产过程进行监测和控制，输出控制信号，实现反馈控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制功能；三是现场设备及 I/O 卡件的自诊断；四是与过程操作管理级进行数据通信。
过程管理级功能：一是监视和控制生产过程；二是控制方式的无扰动切换，修改设定值，调整控制信号，操控现场设备，以实现对生产过程的干预；三是打印各种报表，复制屏幕上的画面和曲线等。
5.现场控制站是多功能型的，其基本功能包括反馈控制、逻辑控制、顺序控制、批量控制、数据采集与处理和数据通信等功能。
6. PROFIBUS现场总线系统的技术特点：
①容易安装，节省成本。②集中组态，建立系统简单。③提高可靠性，工厂生产更安全、有效。④减少维护，节省成本。⑤符合国际标准，工厂投资安全。
基金会现场总线是一种全数字式的串行双向通信系统，它可以将现场仪表、阀门定位器等智能设备连接在一起，其自身可向整个网络提供应用程序。它以 ISO/OSI 参考模型为基础，采用物理层、数据链路层和应用层为 FF 通信模型的相应层次，并在应用层上增加用户层。ControlNet 现场总线采用并行时间域多路存取 CTDMA (Concurrent Time Domain Multiple Access) 技术，它不采用主从式通信，而采用广播或一点到多点的通信方式，使多个节点可精确同步获得发送方数据。
7. 计算机控制系统的控制器由计算机来实现，是模拟、数字混合系统。
8. 早期计算机参与到控制中，采用的集中式结构，即由一个计算机完成所有的控制功能和对所有设备的控制，但这种集中式计算机控制系统危险集中、控制集中，且对中央节点的可靠性要求很高，因此逐渐被淘汰，后来随着通信网络技术的发展，出现了分散控制系统，由多个计算机分别完成多个控制功能和对多个生产设备的控制，其特点是集中操作、集中显示，分散控制、分散危险。
9. 一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的底层通信总线。其网络节点是以微处理器为基础的、具有检测、控制、通信能力的智能式仪表或控制设备。
现场总线的优点
(1)节省硬件数量与投资  由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接实现多种测量、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工业PC机作为操作站，从而节省了大笔硬件投资。随着控制设备的减少，控制室的占地面积还可随之减少。
(2)节省安装费用  现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆可挂接多个设备，因而电缆、接线端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，安装费用可节约60%以上。
(3)节省维护开销  由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。
(4)用户具有高度的系统集成主动权  用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来实现系统集成。突破了选择某一品牌产品的种种限制，不会为系统集成中不兼容的协议和接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。
(5)提高了系统的准确性与可靠性  现场总线设备的智能化、数字化，从根本上提高了仪表的测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统工作的可靠性。此外，由于设备标准化和功能模块化，因此还具有系统设计简单、构建灵活等优点。
现场总线控制系统具有信号传输全数字化、控制功能分散化、现场设备具有互操作性、通信网络全互连式、技术和标准全开放式等特点。
复习题2
1  什么是现场总线？
答：根据国际电工委员会IEC（International Electrotechnical Commision）标准和现场基金会FF(Fieldbus Foundation)的定义，现场总线的概念一般为：一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的底层通信总线。
2  现场总线的本质含义表现在哪些方面？
答：  （1）现场通信网络；  （2）现场设备互联；  （3）互操作性；  （4）分散功能块；  （5）通信线供电；  （6）开放式互联网络。
3  现场总线有哪些优点？（简略版）
答：（1）全数字化； （2）全分布； （3）双向传输； （4）自诊断； （5）节省布线及控制室空间； （6）多功能仪表； （7）开放性； （8）互操作性； （9）智能化与自治性osi参考模型包括几层
4  现场总线有哪几种典型类型？它们各有什么特点？
答：常用的现场总线和特点如下表所示。
特性
现场总线类型
FF Profibus HART CAN LonWorks
开发公司 Fisher-Rosemo
unt
Siemens Rosemount Bocsh Echelon
应用范围 仪表 PLC 智能变送
器
汽车
楼宇自动化、工
业自动化
OSI网络层
次
1、2、7 1、2、7 1、2、7 1、2、71-7
通讯介质 双绞线、光缆、
同轴电缆
双绞线、光
缆
电源信号
线
双绞线
双绞线、光缆、
同轴电缆、无线
和电力线
介质访问
方式 令牌、主从 令牌、主从 令牌、查询
位仲裁
的CSMA
可预测P坚持
CSMA（PP CSMA
CRC）
CSMA/CA
纠错方式 CRC CRC CRC CRC CRC
最大传输
速率
2.5Mbps 12 Mbps 12 Mbps    1 Mbps    1.25 Mbps
最大节点
数
32（H1）
124（H2）
128 15 110 32000
优先级 有 有 有 有 有
安全性 是 是 是 是 是
开发工具 有 有 有 有
5  现场总线系统（FCS）与传统的集散型控制系统（DCS）相比较，有哪些特点？
答：（1） 数字式通信方式取代设备级的模拟量（如4~20mA，0~5V等信号）和开关量信号。
（2）在车间级与设备级通信的数字化网络。
（3）现场总线是工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命。
（4）现场总线使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。
（5）在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。
6  现场设备有哪些部分组成？它们的各自作用是什么？
答：现场设备或现场仪表是指变送器、执行器、服务器和网桥、辅助设备以及监控设备等。这些设备可通过双绞线、同轴电缆、光缆和电源线等传输线进行互联。
（1）变送器  常用的变送器有温度、压力、流量、物位和分析五大类，它既有检测、变换和补偿功能，又有PID控制和运算功能。
（2）执行器  常用的执行器有电动和气动两大类。执行器的基本功能是控制信号的驱动和执行，还内含调节阀输出特性补偿、PID控制和运算功能，另外有阀门特性自动校验和自诊断功能。
（3）服务器和网桥  服务器下接H1和H2，上接局域网LAN（Local Area Network）；网桥上接H2，下接H1。
（4）辅助设备  辅助设备有H1/气压转换器、H1/电流转换器、电流/H1转换器、安全栅、总线电源、便携式编程器等。
（5）监控设备  监控设备主要有工程师站、操作员站和计算机站，工程师站提供现场总线控制系统组态，操作员站实现工艺操作与监视，计算机站用于优化控制和建模。
7  什么叫系统集成？现场总线系统集成的方法有哪些？
答：现场总线系统的集成就是采用现场总线技术为用户提供一体化的自动化方案，以集检测、采集、控制和执行以及信息的传输、交换、存储与利用的一体化为目标，广泛采用现场总线技术、局域网和因特网技术，发展了实现各种物理“设备集成”的系统互连技术以及实现“信息集成”的软件集成技术和数据集成技术，从而满足企业综合自动化的要求。
8  什么是蓝牙技术？
答：蓝牙（Bluetooth）技术是一门发展十分迅速的短距离无线通信技术。由移动通信与移动计算公司联合推出。1998年5月20日成立专门兴趣小组，负责制定一个开放短距离无线通信协议。这个协议代号取自十世纪的一位爱吃蓝梅的丹麦国王哈罗德的绰号——蓝牙。
蓝牙技术的小功率设备支持距离大约10米的无线通信，大功率设备也只支持距离大约100米的无线通信。蓝牙利用短距离无线连接技术替代专用电缆连接。将蓝牙微芯片嵌入蜂窝电话、膝上或台式电脑、打印机、个人数字助理、数字相机、传真机、键盘、手表等设备内部，在这些蓝牙设备之间，建立起低成本、短距离的无线连接。
蓝牙规定了4种物理接口：通用串行总线USB、EIA-232、PC卡、通用异步收发器UART接口。蓝牙技术使用跳频（Frequency Hopping）、时分多用（Time Division Multi-Access）和码分多用（Code Division Multi-Access）等先进技术，来建立多种通信与信息系统之间的信息传输。
蓝牙技术作为一种射频无线技术，支持点对点和多点通信。一个蓝牙设备可以和一个、也可以和多个蓝牙设备通信。异步数据信道的最大传输速率为721Kbps。
9  什么是OPC技术？
答：OPC（OLE for Process Control）指用于过程控制的对象链接与嵌入（OLE）技术，是对象链接与嵌入技术在自动化领域的具体应用，这是一项技术规范与标准。OPC以OLE/COM机制作为应用程序级的通信标准，采用client/server模式，OPC以服务器server的形式，对下层现场设备即client提供一系列标准的接口，使得由client负责的现场设备的各种信息能够进入OPC服务器，从而实现向下互联。
复习题3
一、填空
1.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。
2.常用的载带传输的数字编码方式 调幅方式、调频方式、和 调相方式三种。
3.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。
4.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。
5.PROFIBUS中含有站诊断、 模块诊断和通道诊断等三级诊断。
6. PROFIBUS-DP第1类主站与从站数据传送分为 参数设定， 组态和 数据交换等三个阶段。
7.LonWorks神经元芯片CPU中，其通信接口的模式有单端模式、 差分模式和 专用模式 等三种。
8.数据交换可分为 线路交换、报文交换和报文分组交换（数据报和虚电路）等三种方式。
9.S7-300 PLC的程序可采用三种语言编程，包括梯形图（LAD）、 语句表（STL） 、  功能图（FBD）  三种
语言编程，系统功能块通常采用功能图编程。
10.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。
二、专业名词解释
1. 现场总线
答：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。
2．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。
3．ISO/OSI协议模型
答：ISO/OSI协议模型将各种协议分为七层，自上而下依次为：物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
4．汉明校验
答：汉明校验是在奇偶校验的基础上发展起来的，汉明校验不像校验那样只设置一位校验码，而是设置若干位校验码，其中每个校验码有一定的校验范围。
5．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。
三、问答题
1、 ProfitBus通过网络协议模型中的数据链路层实现总线存取控制，请解释数据链  路层实现总线存取控制的
原理和需要满足介质控制的基本要求是什么？
答：数据链路层实现总线存取控制的原理和需要满足介质控制的基本要求是
1）主站（PLC或PC）间的通信必须使每一个总线（节点）在确定的时间范围内能获得足够的时间来处理它自己的通信任务。
2）复杂的PLC或PC与简单的分散的过程I/O设备（从站）间的数据交换必须快速简单。
2、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。
3、SIMATIC S7系统采用哪些方式实现对DP网络的诊断功能？
答：SIMATIC S7系统采用四种：（1）LED故障诊断；（2）STEP7在线功能诊断；（3）利用用户程序诊断；（4）ROFIBUS 监视器诊断。
4、在使用WinCC设计监控软件过程中，需要对PLC的硬件和工业PC信息组态，结合S7 PLC，请描述PC信息组
态的过程，并给出组态过程中需要添加的文件？
答：
5、结合S7-300 PLC描述程序扫描工作过程和特点，并计算扩展后最大的I/O点数为多少?
答：（1）S7-300系列可编程控制器采用模块化结构，采用扫描方式工作。程序循环执行示意图如图1所示，扫描周期的最大循环时间是一定的，但在执行不同的程序段时，执行时间会不同。
（2）根据CPU的不同，所允许配置的I/O点数不同，但最大可带点数为：
128×8＝1024
四、综合与分析题
采用MPI 通信方式，并根据以下要求设计程序。设主站的地址为2，从站的地址为3，当在主站输入开关量324，从站的输出Q0.1接通，输入开关量280，从站的Q0.2关闭。
1、 简述硬件的组态步骤，设计发送和接收寄存器。
2、 写出主站和从站的程序梯形图。
答：
复习题4
1. 什么是现场总线？国际电工委员会IEC61158对现场总线的定义是什么？
答：○
1现场总线原本是指现场设备之间公用的信号传输线，后又逐渐被定义为应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信技术。
○
2国际电工委员会IEC61158对现场总线（field bus）的定义是：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. 简述现场总线的分类及其应用领域。
答：现场总线可分为三类：○
1全传感器网络 ○
2功能数字网络  ○
3数字信号串行线  现场总线是应用在生产现场、在微型计算机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用背景。
3. 简述现场总线的协议组成结构及其工作原理。
答：○1现场总线网络结构按照国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互联OSI（Open System Interconnection）参考模型建立的。OSI 参考模型共分7层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表达层和应用层。
○
2工作原理：它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。
4. 介绍CAN 总线位的数值表示，并说明任意两点间的最大距离。
答: ○
1
图 1  总线位的数值表示
○
2 位速率bps 1M 500K 250K 125K 100K 50K 20K 10K 5K

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