13题目与解答第一章 现场总线概述1简述FCS的主要技术特点和优点是什么？（FCS名词解释见34背页）（1）现场总线系统(FCS)的技术特点：系统的开放性。相关标准的公开、一致性，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统具备互可操作性与互用性。不同生产厂家性能类似的设备可实现互换性。互可操作性：实现互联设备间的信息传输；互用性：不同厂家性能类似设备可实现互换性。现场设备的智能化与功能自治性。仅靠现场总线设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备运行状态。包括传感测量、补偿计算、数据处理与控制等系统的实时性与确定性。测控任务具有严格的时序和实时性要求，否则可能造成控制系统的灾难性后果。这也要求通信机制能够保证时间发布和数据传输的实时性。现场环境的适应性。现场总线是专为生产现场环境设计的，支持多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，满足本质安全防爆等各种环境要求。 采用成熟先进技术、系统结构的高度分散性。设备描述语言DDL、技术等。现场总线可构成全分散性控制系统，简化了系统结构，提高了可靠性。（2）现场总线的优点：由于现场总线具有以上突出的特点，它使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行以及检修维护，都体现出巨大的优越性。节省系统投资、安装费用和维护费用。设计、组态、安装、调试简便，系统维护、设备更换和系统扩充方便。用户具有高度的系统集成主动权，系统易于重构。提高了控制系统的安全性、可靠性和准确性。完善了企业信息系统，为实现企业综合自动化提供了基础。2为什么说Fieldbus是底层控制网络Infranet（从Fieldbus的结构特点分析说明）。（1） 现场总线将单个分散的现场设备变成网络节点，相互之间连接成可以互通信息、共同完成测量控制任务的网络控制系统。 每个节点实际上是一个智能设备，能够独立完成从控制、检测，到运算、显示、报警等多种任务。（2）现场总线是低层控制网络Infranet(或者3（3）) Infranet（Infrastructure Network），使工厂底层网络系统的底层现场设备之间以及生产现场与外界能够实现信息交换，满足企业综合自动化的发展需要。 现场总线是一个开放系统，具有统一标准，能够构成真正的开放互连系统。 现场总线主要完成测量控制任务，多为短帧信息传输，数据传输的实时性强，能够在恶劣环境下保证数据传送的完整性和可靠性，传输速率通常在几十Kbps到数Mbps（属于低带宽网络）。3 简述FCS在企业网络系统中的地位与作用。（1） Infranet是控制网络，是企业网络最下层，是企业网络的基础。 Infranet主要作用：实现自动化系统信息传输，构成控制网络。传输的信息包括测量值、控制量、状态量、运行参数、系统组态、校正信息，这些也是企业信息你的重要组成部分。 企业网络需要实现管理控制一体化，生产的优化调度等需要现场装置的数据交换，需要集成不同装置的生产数据。 ERP、MES、FCS各层之间必然存在数据传输和信息共享，Infranet主要实现生产过程控制任务，同时为企业网络提供、传输、集成生产过程数据信息。（2） 现场总线控制系统（FCS）是自动化领域的低层控制网络Infranet （ Infrastructure Network），它不同于通用的信息（管理）网络，其技术要求和特点有着显著区别。 经济的全球化使竞争日益加剧，要求产品技术含量高，更新换代速度加快。 企业要求提高产品上市时间，改善产品质量，降低产品成本，完善产品服务，这种永无止境的改进和提高的过程，需要系统的概念，达到信息集成，统一组织市场、生产、管理和服务全过程（ 企业网络） ， 低层控制网络（Infranet）是必不可少的。3（见2（2）第二章 网络与通信基础1 通信线路有3种工作方式，分别用1例说明其工作原理。（1） 点与点之间的通信：按消息传送的方向与时间关系，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信。（2）单工通信（simplex communication）指消息只能单方向进行传输的工作方式。如广播、电视、遥控等。 图课件12页课件12页课件12页2 简述数字信号传输的差错控制编码的目的和实现的基本原理。（1）目的：信道编码是以降低信息传输速率为代价来减少误码率，也可以说是降低系统的有效性来增强系统的可靠性。 采用信道编码技术来检测和纠正误码，是减少加性干扰造成错误判决的有效措施。(2)差错控制编码（纠错编码）原理 在信息码元序列中附加一些监督码元就称为差错控制编码，也称为纠错编码。Shannon信道编码定理是其理论依据。 这些监督码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联，接收端按照这种规则检验监督码元与信息码元间的关系，一旦传输过程发生错码，则监督码元与信息码元间的规则关系受到破坏，从而发现错码或给予纠正。 不同的编码方法，有不同的检错或纠错能力。一般说来，编码中增加的监督码元越多，检（纠）错的能力就越强，但信道的传输速率会下降越多。第三章 控制网络与计算机网络1 为什么控制网络具有实时性要求？ 控制网络直接面向生产过程，因此要求具有很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。控制网络位于工业生产现场，主要完成测量控制任务，多为短帧信息传输，数据传输的实时性强，能够在恶劣环境下保证数据传送的完整性和可靠性，传输速率通常在几十Kbps到数Mbps（属于低带宽网络）通信的实时性：具有严格的时序和定时要求 达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的动作时序，甚至会造成灾难性的后果。 实时系统：硬实时和软实时。控制网络中中断、故障处理、时钟等一般属于硬实时；程序循环、调用等属于软实时。实时性问题： 实时性：如果一个系统或应用能够恒定满足实时要求，则系统或应用就具有实时性；即实时响应要求一个系统在任何条件下都能在明确指定的时间内发生响应。（图见课件16页）2 简要说明网络的拓扑结构及其特点。 网络拓扑结构、信号方式（信息编码）、访问控制方式和传输信道（介质）是影响网络性能的主要因素。（一）计算机网络的拓扑结构网络结构是指网络各个站点（节点）的互联方式。物理拓扑结构描述了节点间的实际连接；逻辑拓扑结构描述了节点间的信息流动方式。网络拓扑结构主要有：(1)星型拓扑结构：由中心节点转发的网络结构，如交换网络中心，无线通信。任何节点之间通信需要通过中心节点进行；采用了集中通信控制策略，易于实现通信量综合分析；中心节点非常复杂，通信处理负担重，其它节点简单，通信量很小；适用于终端集中地方，如图3.4 HUB结构。(2)树型拓扑结构：分级结构，又称为分级集中式网络，如有线电视网。树型拓扑可以认为是星型拓扑/总线拓扑的扩展形式；适应性强，应用广泛；适用于层次型网络系统，如图3.6。(3)总线拓扑结构： 节点间共享同一个总线， 如以太网(Ethernet)。总线上1个节点发送数据，其它节点都能够接受到；某一时刻仅仅允许1个节点发送数据，需要总线仲裁措施；广泛应用于控制网络；适用于广播通信，如图3.5。(4)环型拓扑结构：节点间通过介质连接成环形，如局域网中的令牌环，高速主干网FDDI。环型通过点对点的节点通信，环型结构为1个封闭环路；每个节点都有中继器，具备存取和收发控制功能；每个节点依次进行通信；广泛应用于高速链路通信，如图3.3。(5)网状型（网型）：节点之间无规则连接，如一般广域网，主干（骨干）网。(二) 各种拓扑结构的特点：(1)星型：结构简单，管理方便，建网容易，但中心节点的可靠性要求高。(2)树型：扩展维护方便，故障容易隔离，但可靠性低，资源共享能力差。(3)总线型：易于布线、扩展，可靠性高，但效率较低（总线竞争）。(4)环型：传输介质适应性好，传输速率高，但可靠性低，扩展困难。(5)网状型（网型）：可靠性高，资源共享能力强，但控制方法和网络结构复杂。3 简述介质访问控制方式的种类与工作原理。见去年的3页（课件19、21、22）4 ISO/OSI参考模型将开放系统的通信功能分为几层结构及各层次的主要功能？其目的是什么？ 见去年的4页（课件25、26）5 简要说明常用的网络互联设备类型及其作用分别是什么？(1) 根据网络互连设备工作的层次和支持的协议，网络互连设备可分为4类：中继器；网桥；路由器；网关。1. 中继器（repeater，物理层）：在相同网段间复制位信号，具有信号放大和驱动作用。2. 集线器HUB （物理层） ：多口中继，把多个节点连接起来。3. 网桥（bridge，数据链路层）：在相同类型网段间存储转发数据帧，能够互连相同类型的不同网段。4. 交换机（数据链路层） ：多口网桥。5. 路由器（router，网络层）：在不同网段间存储转发数据包。6. 网关（gateway，传输层及以上）：用于连接不同类型的网络，进行网络协议转换，提供高层功能服务。(2) 现场总线网段间最常用的是中继器和网桥。 中继器：包括中继器和集线器（HUB）两种类型，是网络互连最简单的设备，用于同种类型的网络互连。 HUB：通常分为无源、有源、智能3种。无源HUB不对信号进行处理；有源HUB对信号进行再生和放大，能扩大网络覆盖范围；智能HUB还具有简单的网络管理和路由选择等功能，是功能最强的一种HUB。 主要作用：增加传输距离；增加网段的节点数量。 中继器对数据不作处理，仅仅复制位信号，进行对信号整形、放大，再生信号传输，确保信号传输质量。属于物理层网络设备。 每种网络规定最大传输距离，长距离传输必须使用中继器（噪声影响）。 中继器不改变网络功能，中继器两侧节点的传输速率、协议、地址不变。 中继器必须放置在恰当位置，否则信号再生毫无意义。网桥：具有寻址和路由选择功能，可以连接两个或两个以上不同传输速率、传输介质和拓扑结构的网段，包含了物理层和数据链路层，是一种存储转发数据帧装置。 网桥能够有效减轻网络负载，改善网络性能。网桥在路由选择、差错控制、网络管理等是有限的。 网桥两侧网段的传输协议、地址应该相同。 网桥具有不同网段之间相互隔离的功能，能够有效过滤信号包。 网桥对网络维护、安全等具有积极作用。路由器： 路由器包含了物理层、数据链路层和网络层，具有软件功能。选择数据包（报文分组信息）的最佳传输路径，实现在不同网段间数据包的存储转发。 支持多种协议的路由选择；流量控制；对数据包（分组信息）进行分段和组装；差错控制；网络管理。 路由器互联的所有网段具有相同的协议。 网关（网间协议转换器）：实现不同通信协议的网络互联，提供高层功能服务。 网关完成报文的接收、翻译、发送（变换）功能。通常需要2个微处理器和2个通信接口分别实现各种的协议传输要求。 异型网络至少从物理层到网络层的协议不相同，它们的互联由网关实现。没有通用的网关，只有某个特定应用的网关，且在应用层进行协议转换（CAN-FF等）。 主要功能：网间寻址；网间路由选择；网间流量控制；网间安全与差错控制等。6 结合网络化控制系统的结构，说明控制网络系统的主要特点。（1） 控制网络：由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而形成的网络;以现场总线作为通信连接的纽带;完成测量控制任务的网络系统、控制系统。控制网络的网络节点：除了计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端外，还有测量控制设备：PLC、数字调节器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。单片机或其它专用芯片的嵌入式设备，或功能简单的非智能设备