DCS与现场总线技术复习提纲

仅供参考，如有错误，及时修正

一、填空、名词解释、问答题

1、世界上第一台DCS系统。DCS的设计思想

答:Honeywell的TDC-2000。设计思想:集中管理，分散控制

2、DCS的硬件主要包括哪几种设备？

答:CPU、电源卡件、数据库转发卡、I/O卡件、通讯电缆、机柜机笼等机械结构等。

3、4C技术

答:Computer, Communication, Control, CRT显示技术

4、模拟量输入模块的技术指标主要包括？

答:

指标一:1、精度;2、分辨率;3、稳定度;4、温度漂移

指标二:1、输入阻抗;2、电气隔离;3、抗干扰能力;4、采样率;

5、阶跃响应指标;

6、建立时间。

5、DCS的体系结构包括哪几层？在哪里？有什么？各层的基本功能？

答:

生产现场: 包括各种装置(仪表，变送器等)与控制计算机相连，对系统实施控制检测，接受上层的控制信息，向上层传递采集的数据。

现场控制层: 这一层主要由现场控制站(控制计算机)构成。主要完成控制功能，实现与现场构成闭环回路，向工业现场发出控制指令，向监控层传输采集到的数据。

生产监控层: 这一层主要有监控计算机，操作站，工程师站。实施综合监视过程各站所有信息集中显示操作，控制回路组态和参数修改和优化等功能。

生产管理层: 该层居于中央计算机之上并与办公自动化连接，负责全厂总体协调管理经营管理人事管理等

6、在DCS中应用较多的网络拓扑结构有哪四种？各自的特点？（P140）

1、每一个节点都通过

一条链路连接到中央

节点上。

2、任何两个节点之间

的通信都要经过中央

节点。

3、在中央节点有一个

“智能”开关装置，用

来接通两个节点之间

的通信路径

4、中央节点的构造比

较复杂，一旦发生故

障，整个通信系统就要

瘫痪。

5、DCS很少应用这种

结构

1、所有的节点通过链

路组成一个封闭的环

路。

2、需要发送信息的节

点将信息送到环上，

信息在环上只能按某

一确定的方向传输。

3、当信息到达接收节

点时，该节点识别信

息中的目的地址。

4、若与自己的地址相

同，就将信息取出，

并加上确认标记，以

便由发送节点清除。

5、主要问题是：节点

数量太多时会影响通

信速度；结构是封闭，

不便于扩充。

1、所有的工作站

都通过相应的硬

件接口直接接到

总线上。

2、所有的节点都

共享一条公用的

传输线路。

3、每次只能由一

个节点发送信息

4、信息由发送它

的节点向两端扩

散。

5、由于网络是无

源的，在采取冗余

措施时不会增加

系统的复杂性；总

线结构对总线的

电气性能要求很

高，对总线的长度

也有一定限制，导

致其通信距离不

可能太长。

1、树型拓扑形状像

一棵倒置的树，顶

端有一个带分支的

根，每个分支还可

延伸出子分支。

2、当节点发送信息

时，根接收该信息，

然后再重新广播发

送到全网。

7、IEC61131-3软件模型规定DCS/PLC使用哪五种编程语言

答:指令表、结构化文本、梯形图、功能块图、顺序功能图

8、DCS的主控制器的容量

答:主控制器容量指主控制器可以挂接的1/0数量和可装载的程序容量。

9、控制层软件、监督控制软件及组态软件分别安装和运行在DCS的什么硬件设备

上？各完成什么功能？

答:控制层软件: 安装和运行在现场控制站。主要完成各种控制功能包括回路控

制，逻辑控制，顺序控制以及这些控制所必须针对现场设备连接的I/O处理。

监控软件: 安装运行于操作员站或工程师站上的软件主要完成操作人员所发出

的各个命令的执行，图形与画面的显示，报警信息的显示处理，对现场各类检

测数据采集的集中处理。

组态软件: 安装在工程师站中，主要完成系统的控制层软件和监控软件的组态

功能。

10、操作站/工程师站的基本功能

答:

操作员站: 主要完成人机界肉功能，其功能有四类，即与系统有关的功能、操作员功能、操作员应用功能以及系统维护保养功能。

工程师站: 其主要作用是对DCS进行应用组态，承担从系统开发到系统保养等工程技术工作。

11、工业中常用的现场总线包括哪几种？各有什么特点？

答:

ControlNet现场总线: 在单根电缆上支持两种信息传输，支持点对点通信，而

且允许同一时间向多个设备通信;可使用同轴电缆;安装简单、扩展方便及介质冗余、木质安全、良好诊断功能。

Profibus现场总线: 国际化、开放式、不依赖于设备生产商。

FF现场总线: 以ISO/OSI开发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。

SwiftNET现场总线: 结构简单，实时性强、真正同步、高速数据总线。

Wor1dFTP现场总线: 实时性、同步性、可靠性。

LonWorks现场总线: 同时具备了通信与控制功能，并而固化了ISO/OSI的全部七层通信协议以及34中常见的工/0控制对象;改善了CSM;网络通信采用面向对象的设计方法;针对不同的通信介质有不同是收发器和路由器。

CAN现场总线: 采用短帧传输，传输时间短、具有较强的抗干扰能力、支持多主方式工作，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。

Interbus现场总线: 是一种开放的串行总线系统，具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。

12、温度漂移，时间漂移。

答:

温度漂移: 由温度变化所引起的仪器仪表参数的变化的现象

时间漂移: CPU时钟出现细微的误差，导致使用内部脉冲信一号的程序出现时间上的偏差

13、什么是冗余？DCS的冗余主要包括哪些冗余？

答:

冗余: 是指重复配置系统的一些部件当系统发生故障时，冗余配置的部件介入并承担故障部件工作以保证系统正常稳定运行。

冗余类别: CPU冗余(1:1)、数据转发卡冗余、网络冗余、电源冗余，现场控制站冗余。在特殊情况下，一些系统会考虑全系统冗余，即还包括I/O冗余。

14、什么是现场总线？现场总线的优点包括？

答:

现场总线: 是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输和多分支结

构的通信网络。

优点是: 1、全数字化通信2、彻底的分散式控制3、增强了系统的可靠性可维护性4、降低系统工程成木。

15、三种离散PID算法及各自的优缺点，积分分离

答:1、位置算法;2、增量算法;3、速度算法;

积分分离: 常规PI、PID控制器会出现积分饱和现象，为了消除积分饱和，在e的值小于某一值时，即控制输出接近于设定值时，才把积分引入，在其余情况下，把积分去掉。只作微分和比例运算。从而减低了控制输出的超调，过度过程时间只有微分和比例时间缩短了。

16、JX-300X的三层网络结构

答:

第一层网络是信息管理层: 用于工厂级的信息传输和管理，是实现全常综合管理的信息通道，该网络通过在多功能站上安装双层网络接口转接的方法，实现企业信J自、管理网与过程控制网络之间的桥接，以获取JX-300X集散控制系统的过程参数和系统运行信息，同时也向下传送上层管理计算机的调度指令和生产指导意见。

第二层网络是过程控制网简称SCnet II: 它直接连接了系统的控制站，操作站，工程师站，通讯接口单元等是传送过程控制实时信息的通道，具有很高的实时性和可靠性，通过连接网桥SCnet II可以与上层信息管理网或其他厂家设备连接。

第三层网络是控制站内部I/O总线称为SBUS: 主控制卡，数据转发卡，I/O卡进行信息交互的通道。

17、ISO/OSI模型的7层协议的内容、作用（P136）

答：物理层: 物理层协议规定了通信介质、驭动电路和接收电路之间接口的电气特性和机械特性。例如.信号的表示方法、通信介质、传输速率、接插件的规格及使用规则等。

数据链路层: 通信链路是由许多节点共享的。这层协议的作用是确定在某一时刻由够一个节点控制链路，即链路使用权的分配。它的另一个作用是确定比特级的信息传愉结构，也就是说，这一级规定了信息每一位和每一个字节的格式.同时还确定了检错和纠错方式.以及每一帧信息的起始和停止标记的格式。祯是链路层传愉信息的基本单位.由若干字节组成，除了信息本身之外.它还包括表示帧开始与结束的标志段、地址段、控制段及校脸段等。

网络层: 在一个通信网络中，两个节点之间可能存在多条通信路径。网络层协议的主要功能就是处理信息的传转路径问题。在由多个子网组成的通信系统中.这层协议还负责处理一个子网与另一个子网之间的地址变换和路径选择。如果通信系统只由一个网络组成.节点之间只有唯一的一条路径，那么就不需要这层协议。

传输层: 传翰层协议的功能是确认两个节点之间的信息传输任务是否已经正确完成。其中包括信息的确认、误码的检测、信息的重发、信息的优先级调度等。

会话层: 会话层协议用来对两个节点之间的通信任务进行启动和停止调度。

表示层: 表示层协议的任务是进行信息格式的转换，它把通信系统所用的信息格式转换成它的上一层.即应用层所需的信息格式。

应用层: 严格地说，这一层不是通信协议结构中的内容，而是应用软件的一部分内容。它的作用是召唤低层协议为其服务。在高级语言程序中，它可能是向另一节点请求获得信息的语句，在功能块程序中可以是从控制单元中读取过程变量的愉人功能块.

18、常用的网络传输介质及各自的传输特性（P141）

答：

有限介质：

双绞线：简单、成本低、比较可靠，但高频时损耗较大，由于存在电容效应而引起信号衰减，其传输距离不宜太长。

同轴电缆：与双绞线相比，具有较高的传输频带、较低的传输损耗、较强的抗干扰能力和较稳定的一次参数(电阻、电感、电容、电导)等优点，在相同的传输距离内.它的数字传输速率高于双绞线。但它的结构较为复杂.造价较高。

光纤通信特点:

①传输信号的频带宽，通信容量大;信号衰减小，传输距离长;抗干扰能力强，应用范围广。

②光纤有着非常高的数据传输率(Gb/s 级)和极低的误码率(10

10

)。

③原材料资源丰富。

④抗化学腐蚀能力强，适用于一些特殊环境下的布线。

光缆的主要缺点是分支、连接比较困难和复杂，一般需要采用专用的光缆连接器。 无限介质：无线电波，微波，红外

19、现场总线的定义，FCS 与DCS 的异同 答：

20、 总线主/从设备 答：

1、总线主设备（Bus Master）

可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”，又称命令者。

2、总线从设备（Bus Slaver）

不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备，也称基本设备，又称“响应者”。

特点：

在总线上可能有多个主设备，这些主设备都可以主动发起信息传输。

某一设备既可以是主设备，也可以是从设备，但不能同时既是主设备又是从设备。

21、总线中继器、总线终端器、终端电阻（含上拉下拉电阻）、DP/PA耦合器

答：

22、Profibus-DP和Profibus-PA的传输介质、传输速率、应用领域。DP网络中，一个总线段包含的站点数量，整个总线网络包含的站点数量。

答：

Profibus-DP的RS-485传输：

RS-485传输技术的基本特征

通信介质:屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件。

传输速率:9. 6kb/s一12Mb/s.

网络拓扑:线性总线，两端配备有源的总线终端电阻。

站点数:每分段32个站(不带中继器)。可扩展到126个站(带中继器)。

插头连接:9针D型插头。

Profibus-PA的IEC 61158-2传输技术：

传输介质:屏蔽/非屏蔽双绞线

传输速率:31.25kbit/s

网络拓扑:树形、总线型或其组合结构。

站点数:PA总线段上最多可连接32个站，总线段的两端各有一个无源RC终端器最大的总线段长度主要取决于：供电设备、导线类型和所连接站的电流消耗。23、单工/双工/全双工，基带传输/载带传输/宽带传输，同步传输/异步传输，曼彻斯特编码/差分曼彻斯特编码/NRZ编码/ASK/PSK/FSK，报文交换方式，多路复用方式

2、每个信息字符都具有自己的起始位0和停止位1。

3、一个字符中的各个位是同步的，但字符与字符之间的时间间隔

是不确定的。

ASK/PSK/FSK(P124)

1、振幅调制(ASK)

振幅调制又称幅移键控法(ASK)。在振幅调制中，频率和相位都是常数，只有振幅是变量，它随着数字信号的变化而改变。即用正弦波的振幅变化来表

示二进制数据。通常同一载波频率下的有振幅表示二进制数据I，无振幅表示

二进制数据0,调幅技术实现起来简单，但抗干扰性差。

2、频率调制(FSK)

频率调制又称频移键控法(FSK),频率调制是使载波信号的频率随数字信号的变化而变化。在此种调制方式中，振幅、相位为常量，频率为变量，数字信号0和1分别用两种不同频率的波形表示。

频率调制实现起来简单，而且杭杂音、抗失真和抗电平变化的能力较强.既可用于同步传输，又可用于异步传输。因此，频率调制在数据传输中得到了较广泛的应用，特别适合于低成本、低速率的数据传输，其缺点是带宽利用率低。

3、相位调制(PSK)

相位调制又称相移键控法(PSK)。利用数字信号来控制载波的相位使其随着数字信号的改变而改变。在这种调制方式中，振幅、频率为常量，相位为变量，信号0和1分别用不同相位的波形表示。

相位调制有两种基本形式，即绝对调相与相对调相。在绝对调相中，数字信号0和1的载波信号表示相位不同，相位0表示数字0，相位二表示数字1;或者反之亦可0相对调相中，当传输数字为1时，则相位相对于前一码元产生相位移动，当传输数字为0时相位保持不变;反之亦可。为了提高速度，还有多相调制，如四相制中相位角有4种变化，分别表示00,01,10,11.

相位调制抗噪声干扰和抗衰减较强，占用带宽较窄，因而在实际应用中，使用比较广泛。其缺点是实现起来较为复杂。

曼彻斯特编码/差分曼彻斯特编码/NRZ编码（P126）

规则优点缺点

多路复用技术（P127）

1、由于通信线路的铺设费很高，并且在一般情况下，传输介质的传输容量都大于传输信号所需容量，可以在一条物理线路上建立多条通信信道的技术。

2、多路复用的实质是共享物理通信媒体，更加有效、合理地利用通信线路。

3、常见的多路复用技术包括：频分多路复用FDM、时分多路复用TDM等。

数据交换方式（P128）

数据交换方式优点缺点

线路交换线路交换方式是在

需要通信的两个节

点之间事先建立起

一条实际的物理连

接，然后再在这条实

际的物理连接上交

换数据，数据交换完

成之后再拆除物理

连接。因此，线路交

换方式将通信过程

分为3个阶段：即线

路建立、数据通信和

线路拆除阶段。①通信线路为通信

双方专用，传输数

据时延小、实时性

强。

②双方通信时按发

送顺序传送数据，

不存在失序问题。

③电路交换既适用

于传输模拟信号，

也适用于传输数字

信号。

④电路交换的交换

的交换设备（交换

机等）及控制均较

简单。

①电路交换的平均连

接建立时间对计算机

通信来说嫌长。

②电路交换连接建立

后，物理通路被通信

双方独占，即使通信

线路空闲，也不能供

其他用户使用，因而

信道利用低。

③电路交换时，数据

直达，不同类型、不

同规格、不同速率的

终端很难相互进行通

信，也难以在通信过

程中进行差错控制。

报文交换报文交换方式不需

要事先建立实际的

物理连接，而是经由

中间节点的存储转

发功能来实现数据

交换。因此，有时又

将其称为存储转发

方式。报文交换方式

交换的基本数据单

位是一个完整的报

文。这个报文是由要

发送的数据加上目

的地址、源地址和控

制信息所组成的。报

文在传输之前并无

确定的传输路径，每

当报文传到一个中

间节点时，该节点就

要根据目的地址来①报文交换不需预

先建立专用通信线

路，不存在连接建

立时延，用户可随

时发送报文。通信

双方也不是固定占

有通信线路，而是

在不同的时间占有

物理通路，大大提

高了通信线路的利

用率；

②某条传输路径发

生故障时，可选择

另一条路径传输数

据，提高了传输的

可靠性；且一个报

文可以同时发送到

多个目的地址；

③允许建立数据传

①数据进入交换结点

后要经历存储、转发

过程，存在转发时延

（包括接收报文、检

验正确性、排队、发

送时间等），因此报文

交换的实时性差，不

适合传送实时或交互

式业务的数据；

②报文交换只适用于

数字信号。

合适；当端到端的通路有很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。

从提高整个网络的信道利用率上看，报文交换和分组交换优于线路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机之间的突发式数据通信。

24、水平垂直奇偶校验

答：

奇偶检验:

●奇偶检验是在传递字节后附加一位校验位。该校验位根据字节内容取l或0。

●奇校验时传送字节与校验位中“1”的数目为奇数。

●偶校验时传送字节与校验位中“1”的数目为偶数。

●接收端按同样的校验方式对收到的信息进行校验。

●如发送时规定为奇校验时，若收到的字符及校验位中“1”的数目为奇数，则认

为传输正确，否则，认为传输错误。

奇偶校验码在实际使用时可分为垂直奇偶校验码、水平奇偶校验码和水平垂直奇偶校验码等几种

垂直奇偶校验码：检错能力--可检出某列

水平奇偶校验码：发送时按列的次序进行，因此能发现长度≤n（每列长度）的单个突发错。

水平垂直奇偶校验码：检错能力--

?可检出某行、某列的所有奇数个错；

?能发现大部分偶数个错；

?可以纠正不能同时满足行、列校验关系的一位错不能检出某

些互相补偿的偶数个错

假定偶校验

25、HART/CAN/FF总线的基本特性，包含osi模型哪些层次,各自的优势

（P184、P200、P212）

基本特性包含osi模型哪些层次

HART 在现有模拟信号传输线上

实现数字通信，属于模拟

系统向数字系统转变过程

中工业过程控制的过渡性

产品物理层

数据链路层应用层

CAN 1. 多主方式工作

2. 网络上的节点信息分成

不同的优先级，可满足不

同的实时要求。

3. 非破坏性总线仲裁技术

4. 报文滤波

5.节点数主要取决于总线

驱动电路

6.短帧结构

7.CRC校验及其他检错措

施物理层

数据链路层

FF 1、工作在生产现场，适应

本质安全防爆的要求，通

过传输数据的总线为现场

设备提供工作电源。

2、开放性、互操作性物理层

数据链路层

应用层(总线访问层与总线报文规范子层)

用户层

26、常用的数字滤波算法

（防脉冲干扰平均滤波法） 值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算法平均值。N 值得选取：3~14 除脉冲引起的偏差

限幅平均滤波法

相当于“限幅滤波法”+ “算术平均滤波法”，采集得到的新数据先限幅处理，再送入队列进行递推平均滤波 融合两种滤波的优点，可消除脉冲引起的偏差

较浪费RAM

一阶滞后滤波法（一阶惯

性滤波法或维纳滤波） 模拟电路常用的RC 滤波电路传函为： ()1,1f f G S T T s =+为滤波时间常数

如果用模拟电路来实现低频干扰的滤波，T 和电容C 必须大，这样漏电流也就大，使RC 网络误差增大；但T 太大会使有用

信号响应速度过低，影响控制效果。

消抖滤波法

对于变化缓慢的被测参数有 较好的滤波效果，可避免在临界值 附近控制器的反复开/关跳动或显 示器上数值抖动。 对于快速变化的参

数不宜。 如果在计数器溢出的那一次采样到 的值恰好是干扰值，则会将干

扰值 当作有效值导入系统。 27、AD 转换，采样量化误差的计算 答：

A/D 转换器将输入模拟量转换成二进制数字量输出：

2N

M q =

M 为A/D 输入模拟量的量程范围

N 为A/D 位数

q 为A/D 的量化范围

练习：某温度变送器量程是0~100℃，其输出信号为0~10mA ， 试求25 ℃时经6位A/D 转换后，其输出二进制代码应是多少？ 解：

量化单位为 A/D 输出的二进制代码为

()61010

264q mA ==

()()

10225

161000010010

1064y '===?

28、JX-300X 基本功能块BSCX 的使用

答：

在环境温度25℃条件下，标称引用误差为0.1%的仪表，如果其温漂指标为±100ppm/℃，则当环境温度变化到35℃时，其引用误差将可能达到 0.1%+(35-25)*100*10-6=0.2%