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考试题型1、选择题20分，共10题，每题2分；2、判断题10分，共5题，每题2分；3、填空题10分，共5题，每题2分；3、简答题30分，共6题，每题5分；4、分析题30分，共3题，每题10分。第1章现场总线概述1、控制系统发展的四个阶段，以及各自的概念和特点，画出各自的系统结构图。模拟仪表控制系统：模拟仪表控制系统于20世纪六七十年代占主导地位。其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。集中式数字控制系统：集中式数字控制系统(DDC，DirectDigitalControl)于20世纪七八十年代占主导地位。它克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时间的选择上可以统一调度和安排。不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性。集散控制系统：集散控制系统(DCS，DistributedControlSystem)于20世纪八九十年代占主导地位、其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离。上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。遗憾的是，不同的DCS厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通信网络采用各自专用的封闭形式，因此从该角度而言，集散控制系统是一种封闭专用的、不具有可互操作性的分布式控制系统，并且DCS造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放性和降低成本的迫切要求。现场总线控制系统：现场总线控制系统(FCS，FieldbusControlSystem)正是顺应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场、降低了安装成本和维护费用。因此，FCS实质是—种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为21世纪控制系统的主流产品。2、现场总线的概念什么是现场总线？现场总线是应用在生产现场，在微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。3、现场总线的发展现状多种总线共存。每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中建立影响，以取得更多方面的支持。每种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景。设备制造商参加多个总线组织。每种总线大多将自己作为国家和地区标准，以加强自己的竞争地位。在激烈的竞争中出现了协调共存的前景。工业以太网的引入成为新的技术热点。4、现场总线的技术特点(1).系统的开放性系统对相关标准具有一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换，通过现场总线可构筑自动化领域的开放互连系统。(2)．互可操作性与互用性系统的开放性决定了它具有互操作性和互用性。互操作性指互连设备间、系统间信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。(3)．现场设备的智能化与功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。(4)．系统结构的高度分散性现场总线已构成一种新的全分散控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系．简化了系统结构，提高了可靠性。(5).对现场环境的适应性作为工厂网络底层的现场总线还对现场环境有较强地适应性。它支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线和电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。5、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现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。(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上通常可挂接多个设备，因而电缆、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表明，可节约安装费用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，并通过数字通讯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集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而被“框死”了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。(5)．堤高了系统的准确性与可靠性由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，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，提高了系统的工作可靠性。6、几种有影响的现场总线最为流行的现场总线主要有以下五种：基金会现场总线FF过程现场总线PROFIBUS局部操作网络LONWORKS控制器局域网络CAN可寻址远程传感器数据通路HART。7、基金会现场总线即FoundationFieldbus，简称FF，是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的一种技术。物理传输介质可为双绞线、光缆和无线，其传输信号采用曼切斯特编码。基金会现场总线以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。8、PROFIBUS总线PROFIBUS是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50179的现场总线，包括PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层。PROFIBUS支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。PROFIBUS－DP用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域。FMS型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而PA型则是用于过程自动化的总线类型。9、HART总线HART协议是由Rosemount公司于1986年提出的通信协议。它是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一种协议。它包括ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。HART通信可以有点对点或多点连接模式。这种协议是可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力，在智能仪表市场上占有很大的份额。第4章LonWorks现场总线概述1、Lonworks总线的概念LonWorks是美国Echelon公司于1992年推出的局部操作网络，最初主要用于楼宇自动化，但很快发展到工业现场网。LonWorks技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完整、开放、成品化的解决途径。LONWORKS采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300b/s至1.5Mb/s不等，直接通信距离可达2700m(78kb/s，双绞线)；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质防爆安全产品，被誉为通用控制网络。2、Lonworks技术的持点开放性：网络协议开放，对任何用户平等。通信媒体：可用任何媒体进行通信，包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆，无线电波、红外等，而且在同一网络中可以有多种通信媒体。互操作性：Lonworks通信协议LonTalk符合ISO定义的OSI参考模型。任何制造商的产品都可以实现互操作。网络结构：可以是主从式、对等式或客户服务器结构。网络拓扑：有星型、总线型、环型以及自由型。网络通信采用面向对象的设计方法。Lonworks网络技术称之为“网络变量”，它使网络通信的设计简化成为参数设置，增加了通信的可靠性。通信的每帧有效字数为0～228。通信速率可达1.25Mbps，此时有效距离为130m；78kbps的双绞线，直线通信长达2700m。Lonworks网络控制技术在一个测控网络上的节点数可达32000个。提供强有力的开发工具平台LonBuilder和Nodebuilder。Lonworks技术核心元件：Neuron芯片内部装有3个8位微处理器、34种I/O对象和定时器/计数器等．还有LonTalk通信协议。Neuron芯片具备通信和控制功能。采用可预测P-坚持CSMA，在网络负载很重的情况下不会导致网络瘫痪。3、Lonworks节点节点被称为智能设备、它包括—个神经元芯片，LonTalk收发器、存储器、电源和外围电路。节点是物理节点的抽象，应用设备节点、路出器、网络接口卡都是节点。节点具有两种类型：基于芯片的节点和基于主机的节点。(1)甚于芯片的节点：一个神经元芯片包含应用处理器、介质访问处理器和通信处理器。因此，一个神经元芯片加上收发器就可构成一个典型的现场节点，负责现场设备的通信和简单数据处理任务。图4．3(a)为基于芯片的节点结构框图。(2)基于主机的节点：神经元芯片是8位总线，最高主频为10MHz。对于一些复杂的控制，如带有PID算法的单回路、多回路，其控制就力不从心。而采用HostBase结构是解决这一矛盾的好方法：将神经芯片作为通信处理器，用高级主机的资源完成复杂的测控功能。图4．3(b)为一个典型的基于主机的节点结构图。其中主处理器可以是微控制器或PC机等。4、网络协议协议定义了设备间传递的信息格式，并且定义了一个设备对另一设备在发送信息时所期望对方采取的操作。协议通常采用嵌入软件形式并驻留在设备内，或通过网络管理工具下载到设备中Lonworks技术采用LonTalk协议。5、网络管理网络管理工具的主要功能有：(1)网络安装：网络安装可通过servicePin按钮或手动的方式设定设备的地址．然后将网络变量互联起来。(2)网络维护：网络维护主要包括维护和修理两方面。维护主要是在系统正常运行情况下．增加删除设备以改变网络变量和显示报文的内部连接。网络修理是一个错误设备的检测和替换的过程。(3)网络监控：应用设备只能得到本地的网络信息。然而在许多大型的控制设备中，往往有一个设备需要查看网络所有设备的信息。例如，在过程控制中需要一个超级用户，可以总览、监控系统和各个设备的运行情况。6、LonTalk协议有何特点(1)LonTalk协议采用分级编址方式，即域、子网和节点地址。(2)LonTalk协议支持多种通信介质，包括双绞线、电力线、同袖电缆、无线电和红外线光纤传输介质等。(3)互操作性强。网络上任一节点可以对其它节点进行操作，传输控制信息。(4)响应时间快，通信安全可靠。7、NeuronID神经芯片具有一个特有的48位标识(NeuronID)，NceuronID由芯片生产厂家惟一确定，并且终生不变。由此，NeuronID作为神经芯片的名字，可以惟一地区别于其它神经芯片，用于网络安装和配置。8、LonTalk协议定义了分级的地址形式域(Domain)、子网(Subnet)和节点(N