现场总线考试题A4.docx
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现场总线考试题A4.docx
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现场总线考试题A4
学生班级________________学生学号:
□□□□□□□□□□□□学生姓名:
________________
………………装订线………装订线………装订线…………试卷须与答题纸一并交监考教师…………装订线………装订线………装订线………………
内蒙古科技大学2011/2012学年第1学期
《现场总线技术》考试试题A卷
课程号:
-01考试方式:
开卷
使用专业、年级:
自动化2008级任课教师:
江杰
考试时间:
2011年12月19日备注:
答案写在答题纸上
一、问答题(每题3分,共54分)
1.现场总线的定义、特点
答:
定义:
现场总线是实现自动化控制系统现场设备或仪表之间互连的通信网络,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节点数字通信的系统。
也可称为开放式、数字、多点通信的底层控制网络。
特点:
除了它的数字化、节点智能化、开发式、互换性能好、布线简单的特征外,其最大优点表现在既可以把系统对各节点的控制功能和权利充分下放给节点本身的微处理器,必要时又可以由监控中心的虚拟控制平台实施集中控制,同时它又可以使得各节点之间直接通信。
2.CAN总线的主要特点(要点)?
答:
(1)CAN是目前为止惟一有国际标准的现场总线;
(2)CAN为多主方式工作,网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息,而不分主从;(3)在报文标识符上,CAN上的节点分成不同的优先级,可满足不同的实时要求;(4)CAN采用非破坏总线仲裁技术:
改进的CSMA/CD方式(载波侦听多路访问/冲突检测);(5)CAN节点只需要通过对报文的标识符滤波即可以实现点对点、一点对多点及全局广播等方式传送接收数据;(6)CAN的直接通信距离最远可达10Km(速率5kbps以下);通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m);(7)CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路,目前可达110个;(8)报文采用短帧结构,传输时间短,受干扰概率低,保证了数据出错率极低;(9)CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施,具有极好的检错效果;(10)硬件化底层协议(物理层和数据链路层)(11)CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活;(12)CAN节点在错误严重的情况下,具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响;(13)CAN总线具有较高的性价比。
3.CAN总线有几种帧类型?
说说CAN的数据帧由哪几部分组成?
各部分的作用是什么?
在使用过程中,我们对数据帧的哪几部分做设置?
答:
数据帧,远程帧,错误帧,超载帧。
4.简述CAN总线的逐位仲裁机制,写出你的学号的后6位数(不是bit),及任意你认识的3个同学的学号的后6位,把这6位数当作CAN总线的ID,按照逐位仲裁规则,说说你们谁的ID号优先级高?
答:
定义:
当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时,优先级较低的节点会主动地退出发送,而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据。
(非破坏性逐位仲裁机制确保了报文和时间均不损失。
当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时,数据帧优先于远程帧。
在仲裁期间,每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。
如果电平相同,则这个单元可以继续发送。
如果发送的是一“隐性”电平而监视到的是一“显性”电平,那么这个单元就失去了仲裁,必须退出发送状态。
)
5.基于CAN总线的应用层协议有哪些?
其特点?
(1)CAN总线应用层协议CAL看着抄
CAL(CANApplicationLayer)协议是目前基于CAN的高层通讯协议中的一种,最早由Philips医疗设备部门制定。
现在CAL由独立的CAN用户和制造商集团CiA(CANinAutomation)协会负责管理、发展和推广。
(2)CAN总线应用层协议CANOPEN
CANopen是在CAL基础上开发的,使用了CAL通讯和服务协议子集,提供了分布式控制系统的一种实现方案。
CANopen在保证网络节点互用性的同时允许节点的功能随意扩展CANopen的核心概念是设备对象字典(OD:
ObjectDictionary),在其它现场总线(Profibus,Interbus-S)系统中也使用这种设备描述形式。
注意:
对象字典不是CAL的一部分,而是在CANopen中实现的。
(3)CAN总线应用层协议DeviceNet
特点:
多通信层次及消息优先级队列、主从或点对点结构、总线供电(最大8A)、定义了应用和物理层规范,数据链路层用CAN协议、仅使用CAN2.0A、开放式的网络标准,少量复制成本从ODVA获得DeviceNet规范
6.应用层协议的作用及主要内容(服务元素)?
答:
作用:
为网络中每一个有效设备都能够提供一组有用的服务与协议。
主要内容(服务元素):
1)CMS(CAN-basedMessageSpecification)CMS提供了一个开放的、面向对象的环境,用于实现用户的应用。
CMS提供基于变量、事件、域类型的对象,以设计和规定一个设备(节点)的功能如何被访问(例如,如何上载下载超过8字节的一组数据(域),并且有终止传输的功能)。
CMS从MMS(ManufacturingMessageSpecification)继承而来。
MMS是OSI为工业设备的远程控制和监控而制定的应用层规范。
2)NMT(NetworkManagemenT)
提供网络管理(如初始化、启动和停止节点,侦测失效节点)服务。
这种服务是采用主从通讯模式(所以只有一个NMT主节点)来实现的。
3)DBT(DistriBuTor)
提供动态分配CANID(正式名称为COB-ID,CommunicationObjectIdentifier)服务。
这种服务是采用主从通讯模式(所以只有一个DBT主节点)来实现的。
(4)LMT(LayerManagemenT)
LMT提供修改层参数的服务:
一个节点(LMTMaster)可以设置另外一个节点(LMTSlave)的某层参数(如改变一个节点的NMT地址,或改变CAN接口的位定时和波特率)
7.对象字典OD的作用.
是一组有序的对象,每个对象通过16位的索引来寻址。
对于数组和结构类型的对象,用8位子索引来寻址其内部成员。
一个节点的对象字典的有关范围在0x1000到0x9FFF之间。
CANopen网络中每个节点都有一个对象字典。
对象字典包含了描述这个设备和它的网络行为的所有参数。
作用:
(1)0X0000~0X0FFF区域用于定义对象类型;
(2)0X1000~0X9FFF区域作用于存放节点数据;(3)每个设备拥有一个0D,该包含了设备所有的参数以及网络行为;(4)节点的0D以数据库行驶存于EDS;(5)0D中的项,大部分不足必须实现的,可以选择;(6)0D用过通信对象描述了设备的所有功能,它于应用程序和通讯接口之间
8.数字化设备使用的一般方法.
答:
为各种不同类型设备定义对象字典中的对象。
目前已有5种不同的设备子协议,并有几种正在发展。
(1)一个设备的通讯功能、通讯对象、与设备相关的对象以及对象的缺省值
由电子数据文档中提供。
(2)单个设备的对象配置的描述文件称作设备配置文件,它和EDS有相同的结构。
二者文件类型都在CANopen规范中定义。
(3)设备子协议定义了对象字典中哪些OD对象是必需的,哪些是可选的;必需的对象应该保持最少数目以减小实现的工作量。
(4)可选项――在通讯部分和与设备相关部分――可以根据需要增加以扩展CANopen设备的功能。
如果需要的项超过了设备子协议中可以提供的,在设备子协议中已预留由足够空间提供给厂商的特定功能使用。
9.PROFIBUS家族构成及各自应用方面?
答:
PROFIBUS由三个兼容部分组成:
PROFIBUS-DP(DecentralizedPeriphery分布式外围设备);PROFIBUS-PA(ProcessAutomation过程自动化);PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification现场总线报文规范)。
(1)PROFIBUS-DP:
定义了第一、二层和用户接口。
第三到七层未加描述。
用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能,并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。
(2)PROFIBUS-FMS:
定义了第一、二、七层,应用层包括现场总线信息规范(FieldbusMessageSpecification-FMS)和低层接口(LowerLayerInterface—LLI)。
FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。
LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。
(3)PROFIBUS-PA:
PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。
另外,PA还描述了现场设备行为的PA行规。
根据IEC1158-2标准,PA的传输技术可确保其本征安全性,而且可通过总线给现场设备供电。
使用连接器可在DP上扩展PA网络。
10.PROFIBUS总线存取协议及传输特点?
答:
(1)三种PROFIBUS(DP、FMS、PA)均使用一致的总线存取协议。
该协议是通过OSI参考模型第二层(数据链路层)来实现的。
它包括了保证数据可靠性技术及传输协议和报文处理。
(2)在PROFIBUS中,第二层称之为现场总线数据链路层(FieldbusDataLink—FDL)。
介质存取控制(MediumAccessControl—MAC)具体控制数据传输的程序,MAC必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。
(3)PROFIBUS协议的设计要满足介质存取控制的两个基本要求:
·在复杂的自动化系统(主站)间的通信,必须保证在确切限定的时间间隔中,任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务。
在复杂的程序控制器和简单的I/O设备(从站)间通信,应尽可能快速又简
单地完成数据的实时传输。
因此,PROFIBUS总线存取协议,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。
(4)令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权(令牌)。
在PROFIBUS中,令牌传递仅在各主站之间进行,海明距离HD=4。
11.PROFIBUS总线的工作流程及内容?
答:
12.DP设备类型及各自作用?
答:
设备类型:
第二类DP主站(DPM2)是可进行编程、组态、诊断的设备。
第一类DP主站(DPM1)是中央可编程序控制器,如PLC、PC等。
DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器、阀门等。
(1)一级DP主站(DPM1):
一级DP主站是中央控制器,它在预定的信息周期内与分散的站(如DP从站)交换信息。
典型的DPM1如PLC或PC。
(2)二级DP主站(DPM2):
二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板,在DP系统组态操作时使用,完成系统操作和监视目的。
(3)DP从站:
DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备(I/O设备、驱动器、HMI、阀门等)
13.PROFIBUS总线报文结构及服务内容?
答:
(1)令牌报文SD4DASA
(2)FDL状态请求报文SD1DASAFCFCSED
(3)数据报文SD2LELErSD2DASAFCDSAPSSAPDUFCSED
DA=目的地址DU=数据单元DSAP=目的数据存取点ED=结束分界符FC=功能码FCS帧检查顺序LE=长度LEr=重复长度SA=源地址SD2=开始分界符SD4=开始分界符SSAP=源服务存取点
14.PROFIBUS总线组网形式及软、硬件配置?
答:
1、单主站的系统根据PROFIBUS技术原理,一个最小系统至少由一个PROFIBUS(一类)主站和若干PROFIBUS从站组成。
PROFIBUS总线访问协议:
主站间的逻辑令牌环、主从站间的主从协议。
主动站在一个限定时间内(TokenHoldTime)对总线有控制权,从站只是响应主站的请求,它们对总线没有控制权。
(1)PLC做PROFIBUS一类主站控制器:
如S7-300(-2DP、CP342-5);S7-400(-2DP、CP442-5)
配置/控制软件:
STEP7从站提供:
GSD文件
(2)另一种单主站系统:
PC+网卡做PROFIBUS一类主站:
网卡:
如CP5×11;CP5613„„.配置/驱动软件:
COMPROFIBUS、SIMATICNET控制软件:
WinAC、WinCC„„.从站提供:
GSD文件2、带监控站的系统
(1)PC+组态软件
(2)HMI(3)其他通信协议监控站的连接3、多主系统及分层的多主系统
(1)基于PROFIBUS的多主系统PROFIBUS链路层:
支持基于令牌的多主系统;PROFIBUS应用层:
定义信息规范FMS西门子PLC多主系统产品:
两种①FMS②S7FUNCTION
16.PROFIBUS总线协议芯片的分类及作用?
答:
17.PROFInet的作用及意义?
答:
一方面,随着现场设备智能程度的不断提高,控制变得越来越分散,分布在工厂各处的智能设备之间以及智能设备和工厂控制层之间需要连续的交换控制数据,导致现场设备之间数据的交换量飞速增长;
另一方面,随着计算机技术的发展,企业希望能够将底层的生产信息整合到统一的全厂信息管理系统当中,于是企业的信息管理系统需要读取现场的生产数据,并通过工业通讯网络实现远程服务和维护,因此纵向一致性成为热门的话题,客户希望管理层和现场级能够使用统一的、与办公自动化技术兼容的通讯方案,这样可以大大的简化工厂控制系统的结构,节约系统实施和维护的成本。
基于这样的需求,以太网技术开始逐渐从工厂和企业的信息管理层向底层渗透,以太网技术开始广泛的应用于工厂的控制级通讯。
在自动化世界中使用以太网解决方案有几个显著的优势:
统一的架构、集成的通讯以及强大的服务和诊断功能。
从目前工业自动化控制领域的情况来看,以太网技术取代现场总线是工业控制网络发展的必然趋势
18.PROFINET三种通讯方式?
答:
1.TCP/IP标准通讯PROFINET基于工业以太网技术,使用TCP/IP和IT标准。
TCP/IP是IT领域关于通信协议方面事实上的标准,尽管其响应时间大概在100ms的量级,不过,对于工厂控制级的应用来说,这个响应时间就足够了。
2.实时(RT)通讯对于传感器和执行器设备之间的数据交换,系统对响应时间的要求更为严格,因此,PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第二层(Layer2)的实时通讯通道,通过该实时通道,极大地减少了数据在通讯栈中的处理时间,PROFINET实时通讯(RT)的典型响应时间是5-10ms。
3.等时同步实时(IRT)通讯在现场级通讯中,对通讯实时性要求最高的是运动控制(MotionControl),PROFINET的等时同步实时(IsochronousReal-Time,IRT)技术可以满足运动控制的高速通讯需求,在100个节点下,其响应时间要小于1ms,抖动误差要小于1μs,以此来保证及时的、确定的响应。
二、设计应用题(共36分)
以CAN、PROFIBUS为工具根据给定的系统工艺原理、要求,消化理解后针对一个系统进行设计。
1.汽车电子领域
汽车采用两条CAN总线,即驱动系统CAN总线和车身系统CAN总线,这两总线完全能够满足ISO的定义。
驱动系统CAN总线,其通信速率为500kbps,被称为高速CAN,其连接对象为汽车动力和传动机构的控制单元等。
汽车发动机控制单元、自动变速器控制单元、ABS控制单元、安全气囊控制单元等。
车身系统CAN总线,其通信速率为100kbps,被称为低速CAN或舒适系统CAN,其连接对象为中央控制器,4个门控制器等。
用于驱动系统的高速CAN和用于车身系统的低速CAN是两个相互独立的总线,但从资源共享的角度来看,它们之间最好有座连接桥梁,以使车身系统也能获得驱动系统的信息。
由于每个控制单元对实时性的要求是因数据的更新速率和控制周期不同而不同的,为了满足各子系统的实时性要求,与对公共数据实行共享,如发动机转速、车轮转速、油门踏板位置等,如宝莱车的4缸汽油机运行在4000r/min,则电控单元控制两次喷射的时间间隔为6ms,其中喷射持续时间为30度的曲轴转角(1ms),在剩余的5ms内须完成转速测量、油量测量、A/D转换、工况计算、执行器的控制等一系列过程。
这就意味着数据发送与接收必须在1ms内完成,才能达到汽油机电控的实时性要求。
这就要求其数据交换网是基于优先权竞争的模式,且本身具有极高的通信速率。
除驱动系统外,车身系统CAN也是一条主要的控制器局域网络。
它的主要连接对象为:
中央控制器,4个门控制器,还包括记忆模块和其他组件。
车身系统的控制对象主要是4个门上的集控锁、车窗、行李箱锁、后视镜及车内顶灯。
在具备遥控功能的情况下,还包括对遥控信号的接收处理和其他防盗系统的控制。
2、网络化PCS实验控制系统
(1)PLC主机在网络化PCS系统中既担当了主站一类主站(DPM1)的作用,负责监控从站的运行状态以及收集从站的运行参数,对系统进行诊断等功能。
(2)PC1主机在网络中充当二类主站(DPM2),由带CP5611卡的高性能PC机来担任,二类主站负责网络硬件组态(MPI方式)和监控现场设备的运行状态(PROFIBUS-DP)。
(3)CS4000过程控制子系统,该系统又包含有主-副管路流量子系统、四容水箱液位子系统以及加热水箱-纯滞后水箱温度子系统,控制系统可以选用智能仪表、DDC和PLC。
本设计中采用PLC分别对CS4000的主副回路进行控制,并把它们当做DP从站,进行网络化控制。
(4)FESTO过程控制子系统,该系统由四个控制站和一个调度站PLC构成。
它们既可以单独地构成流量、液位、温度以及压力单闭环控制子系统,又可以通过调度站的调度构成复杂的控制系统。
本设计中采用PC+板卡的方式分别对四个子系统进行控制,并当做DP从站,可以进行网络通信。
(5)PLC1从站与PLC2从站为S7-200通过扩展EM277模块接入网络化系统的子系统,本系统中PLC1从站与PLC2从站分别用于工业机器人的控制以及远程电梯的控制。
3工业应用
如:
烧结机的配料采用13个定量圆盘给料机和电子皮带秤定量给料,为提高皮带配料秤的计量精度和配料系统给料精度,所有给料机的皮带配料秤均采用变频调速的方式进行控制。
该自动称重配料控制由下列五大部分:
电子皮带称、称重控制仪表(PLC、单片机等)、变频器(带总线接口)控制柜、监控计算机及现场操作箱部分。
(可以另选工艺内容)
具体设计要求:
1.方案:
系统框图,功能描述.
2.实施:
协议分类,格式;协议清单.
3.结果:
通讯部分初始化代码;数据/命令执行代码(或框图)
三、综述题(共10分)
论述现场总线技术的发展趋势、应用领域、典型案例等。
(面向生产的哪些环节,解决的主要问题,目前,现场总线的现状等)
答:
当前自动控制系统中常见的网络,如现场总线CAN、profibus、INTERBUS-S等物理层都是基于RS-485的总线进行总结和研究。
在RS-422标准的基础上,EIA(电子工业部)研究除了一种多节点远距离和高灵敏的RS—485总线标准,RS—485标准采用平衡事发送,差分式接收的数据接收器来驱动总线。
现场总线仪表利用微处理器来实现仪表的智能化可实现仪表和自动化系统间的数字化、双向通讯。
实际上现场总线是一种工厂设备级的通信网络系统。
现场总线是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向的多站数字通信系统。
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