《集散控制与现场总线》教学大纲、习题答案

《集散控制与现场总线》教学大纲

一'课程基本信息

课程中文名：集散控制与现场总线

课程英文名：DistributedControlSystemandFieldBus

课程代码：课程学分：2总学时数：32

课程类别：选修课程性质：专业方向课程

开课学院：电气信息工程学院适用专业：自动化

先修课程：计算机原理与基础、自动控制原理

后续课程:

选用教材：集散控制与现场总线（第3版），刘国海等，机械工业出版社，2023

二、课程性质与课程目标

（-）课程性质

《集散控制与现场总线》是自动化专业教学计划中的专业方向课程，它建立在数学、自动控制

原理、计算机技术等课程知识的基础上，为自动化专业学生掌握集散控制与现场总线控制系统等新

技术打下坚实的基础。本课程基本任务是：掌握集散控制系统操作的基本原理，典型系统的构造、

性能及操作原理，以及工程设计规范；掌握集散控制典型控制算法；典型现场总线技术特点及应用。

本课程将目前控制领域中的两大技术热点一一集散控制和现场总线有机结合，从集散控制系统

的硬件结构、软件体系、人机接口、控制算法，以及典型现场总线等方面进行介绍。重点介绍了集

散控制系统的通信网络、控制算法工程设计规范等相关技术，全面分析了CAN、LonWorks.FF、

PROFIBUS、ControlNet.EtherCAT等现场总线的技术特点、协议规范及通信接口的设计方法，并给

出典型集散与现场总线控制系统应用实例。本课程在人才培养方面强调工程观点、强调理论与实际

的结合，以提高学生分析问题和解决实际工程问题的能力。

（二）课程目标

课程目标1：掌握集散控制中蕴含的马克思主义辩证法知识，达到运用集中分散辩证统一的

思想分析设计控制系统的能力.

课程目标2：掌握集散控制系统的基本概念、发展历史与基本结构，达到理解集散控制系统

的能力。

课程目标3：掌握集散控制系统的基本控制算法，达到能运用基本控制算法实现集散控制的

能力。

课程目标4：掌握集散控制系统通信网络的基本概念与结构，达到理解集散控制系统网络通

信方法的能力。

课程目标5：掌握典型现场总线的协议、特点以及功能，达到理解现场总线实现现场设备控

制的方法。

课程目标6：掌握集散控制系统的性能指标和工程设计规范，达到运用这些指标和规范分析

评估集散控制系统性能的能力。

三'课程内容与教学要求

第0章绪论

（-）课程内容

1.集散控制系统的概念；

2.现场总线控制系统的概念。

（二）教学要求

1.了解本课程的性质、研究对象与方法、任务；

2.了解集散控制系统基本概念和发展；

3.了解现场总线控制系统的概念与发展。

（三）重点与难点

1.重点

了解集散控制系统和现场总线的概念。

2.难点

集散控制系统和现场总线的关系。

第一章集散控制系统

（~）课程内容

1.集散控制系统的体系结构；

2.集散控制系统的特点；

3.集散控制系统的软硬件结构；

4.集散控制系统的操作和显示方式；

5.集散控制所蕴含的马克思主义辩证法内容。

（二）教学要求

1.了解研究集散控制系统基本构成结构；

2.了解集散控制系统的特点；

3.了解集散控制系统的操作和现实方式；

4.理解集散控制所蕴含的马克思主义辩证法内容。

（三）重点与难点

1.重点

了解集散控制系统的体系结构和特点。

2.难点

集散控制系统的结构。

第二章集散控制系统的控制算法

（-）课程内容

1.PID控制算法；

2.前馈控制；

3.解耦控制；

4.时滞补偿控制；

5.自适应控制；

6.顺序控制；

7.神经网络控制。

（二）教学要求

了解集散控制系统常用控制算法的原理，适用范围以及主要算法的特点，要求根据控制任务正

确选择控制算法。

（三）重点与难点

1.重点

几种典型控制算法的基本原理。

2.难点

针对实际对象，灵活选择控制算法并设计控制系统。

第三章集散控制系统通信网络与系统特性

（-）课程内容

1.数据通信的基本概念；

2.集散控制系统中的网络标准；

3.集散控制系统中应用的网络协议。

（二）教学要求

了解集散控制系统通信原理、0S1模型结构。

（三）重点与难点

1.重点

控制系统通信原理。

2.难点

OSI模型结构。

第四章控制系统用现场总线

（-）课程内容

1.现场总线的定义；

2.现场总线控制系统的分类；

3.现场总线的核心与基础；

4.现场总线与1T计算机网络技术的区别；

5.现场总线通信协议模型；

6.现场总线控制系统的网络拓扑结构。

（二）教学要求

了解控制系统用现场总线定义，现场总线通信协议模型。

（三）重点与难点

1.重点

控制用现场总线的技术特点。

2.难点

控制用现场总线的通信协议模型。

第五章几种典型的现场总线

（一）课程内容

1.CAN总线；

2.LonWorks总线；

3.FF总线；

4.PROFIBUS协议；

5.ControlNet总线；

6.DeviceNet总线；

7.EtherCATo

（二）教学要求

了解几种现场总线的技术特点，典型应用领域。

（三）重点与难点

1.重点

典型现场总线的特点与技术规范。

2.难点

针对典型案例，灵活选择现场总线。

第六章集散控制系统性能指标与工程设计规范

（一）课程内容

1.集散控制系统的性能指标；

2.集散控制系统的功能设计规范；

3.集散控制系统的评价与选择

4.按照集中分散辩证统一的思想设计控制系统。

（二）教学要求

1.了解集散控制系统的性能指标与设计规范；

2.了解按照集中分散辩证统一的思想设计控制系统的方法。

（三）重点与难点

1.重点

集散控制系统的可靠性计算。

2.难点

集散控制系统的评价与选择。

第七章工程应用举例

（一）课程内容

1.集散控制系统在自来水厂中的应用；

2.CTN2000发酵过程计算机控制系统；

3.集散控制系统在发电厂350MW机组中的应用；

4.实际工程中集中分散概念辩证统一的体现。

（二）教学要求

1.了解几种典型的集散和网络控制系统；

2.了解按照集中分散概念辩证统一的思想分析设计实际工程系统的方法。

（三）重点与难点

1.重点

通过工程案例了解工程设计规范。

2.难点

通过典型案例，灵活掌握本课程知识。

四、本课程开设的实验项目,

编号实验项目名称学时类型要求支撑的课程目标

1集散控制算法仿真实验2设计性选做3

2集散控制系统应用案例2验证性必做2,3

3现场总线工业应用案例2验证性必做4,5

注：L“类型”填验证性、综合性、设计性等;

2.“要求”填必做、选做。

实验1:集散控制算法仿真实验

实验目标：采用MATLAB软件，针对典型对象数学模型，选择合适的控制算法，并设计控制器。

实验要求：（1）实验对象数学对象模型涉及单输入单输出系统、双输入双输出系统以及单输入

单输出时滞系统；（2）给出详细的控制器推导过程；（3）针对阶跃和斜坡输入，给出MATLAB仿真结

果；（4）将推导过程、仿真结果以及分析，写过详细的报告。

实验2：集散控制系统应用实验

实验目标：针对多容水箱实验系统，利用组态软件，完成下列实验内容：（1）数据库组态；（2）

设备组态；（3）算法组态；（4）画面组态；（5）系统组态。

实验要求：（1）熟悉集散控制系统（DCS）的组成；（2）掌握MACS组态软件的使用方法；（3）

培养灵活组态的能力；（4）掌握系统组态与装置调试的技能；（5）分析所设计的控制系统中蕴含的

马克思主义辩证法知识。

实验3：现场总线工业应用实验

实验目标：搭建一个基于现场总线的PLC实验系统，主要涉及S7-300、S7-200、PROFIBUS通讯

方法、MCGS组态软件等。

实验要求：用一台研华工控机作为上位机，并采用MCGS组态软件作为监控软件。在工控机上安

装一块西门子CP5611卡后，MCGS组态软件既可与S7-300通过MPI通讯方式进行连结，实现MCGS

对S7-300的监控，进而达到对总线上的其他设备进行监控的目的。

五、学时分配、教学方法及支撑课程目标

章

教学形式及学时分配主要教学方法支撑的课程目标

（按序填写）

理论实上其小

授课验机它计

第0章1讲授法1,2

第一章3讲授法1,2

第二章42研究型教学法3

第三章6讲授法4

第四章4讲授法5

第五章2讲授法5

第六章4讲授法6

第七章24讲授法、演示法123,4,5,6

合计266

注：1.课程实践学时按相关专业培养计划列入表格；

2.主要教学方法包括讲授法、讨论法、演示法、研究型教学方法（基于问题、项目、案例

等教学方法）等。

六'课程考核

考核方式或考核考核对应的

序号考核要求备注

途径权重课程目标

平时作业及作业按要求认真完成，

120%1,2,3,4,5包含思政

课堂表现出勤率6（»方可得分

2实验达成实验目标，完成实验报告10%2,3,4,5

3期末考试考题覆盖课程目标70%1,2,3,4,5,6包含思政

总评成绩100%

注：1.课程考核应做到过程性考核与终结性考核相结合。

2.考核形式主要包括课堂表现、平时作业、阶段测试、期中考试、期末考试、大作业、小

论文、项目设计和作品等。

3.考核要求包括作业次数、考试方式（开卷、闭卷）、项目设计要求等。

4.考核权重指该考核方式或途径在总成绩中所占比重。

5.考核内容须包含课程思政成效考核。

七、课程目标达成情况评价

在课程结束后，需对课程每一个课程目标达成情况进行计算与分析。课程目标达成情况通过课

程过程性评价和课程终结性评价来综合确定。

1.过程性评价，通过过程性考核提供评价数据，原则上一门课程的过程性考核形式种类不少于

2种（不包括考勤），次数不少于3次，考核形式与考核内容须有效支撑课程目标达成，过程性考核

须有成绩评定，并作为学生成绩构成部分记入期末总评成绩表。

2.课程终结性评价，通过课程终结性考核提供评价数据，课程考核形式与考核内容须有效支撑

课程目标达成，终结性考核须有成绩评定，并作为学生成绩构成部分记入期末总评成绩表。

3.课程过程性考核与终结性考核数据按照大纲要求的权重支撑课程目标是否达成，课程目标达

成目标值由课程组确定，对于某一课程目标，支撑其达成的各类考核的权重之和为1。课程考核采

用的不同考核方式，均须有详细的评分说明。

4.课程结束后即进行课程目标达成情况评价，评价结果是学生课程学习效果的重要反映，也是

课程质量持续改进的重要依据。

课程目标达成度计算表如下:

实际评测结果(学生

对应考核

课程目标达到的平均水平，平总分AS达成度值

形式

均分)AR

达成度P=AR/AS,

①平时作业平均分；①平时作业总分；②

①平时作业；课程目标1达成度

课程目标1②期末考试对应考期末考试对应考核

②期末考试。值取2种考核方式

核试题的平均分。试题的总分。

达成度的加权和。

达成度P=AR/AS,

①平时作业平均分；①平时作业总分；②

①平时作业；课程目标2,3,4,5达

课程目标②实验平均分；③期实验总分；③期末考

②实验；成度值取3种考核

2,3,4,5末考试对应考核试试对应考核试题的

③期末考试。方式达成度的加权

题的平均分。总分。

和。

期末考试对应考核期末考试对应考核

课程目标6期末考试达成度P=AR/AS

试题的平均分.试题的总分。

八'参考书目及学习资料

(1)集散控制与现场总线(第3版)，刘国海等，机械工业出版社，2023

(2)集散控制系统，周荣富，陶文英，北京理工大学出版社，2020

(3)DCS及现场总线技术，肖军，清华大学出版社，2011

九、大纲说明

实验1可安排为课后完成。

制定人：

审定人：

批准人：

年月日

集散控制与现场总线第3版习题答案

第1章

1.集散控制系统的主要特点是什么？为什么集散控制系统要分散控制、集中管理？

集散控制系统的主要特点是分散控制和集中管理。分散控制可以将危险分散，避免

故障对系统其他部分的影响，集中管理可以利用计算机技术对生产过程进行集中监视、

操作，可以减少管理人员的数量和工作量。

2.开放系统的主要特点是什么？集散控制系统为什么是开放系统？

开放系统的主要特点是：⑴可移植性(Portability),⑵可适宜性(Scalability),

(3)可得到性(Availability),(4)互操作性(Interconvertibility)

因为集散控制系统符合这些特点。

3.集散控制系统的发展方向是什么？

向集成化、综合化、智能化的方向发展。

4.为什么说现场总线控制系统是集散控制系统对控制的彻底分散？

按照传统观点，现场设备不属于集散控制系统的范畴，但随着现场总线技术的飞速

发展，网络技术已经延伸到现场，微处理机已经进入变送器和执行器，现场信息已经成

为整个系统信息中不可缺少的一部分，实现了对控制的彻底分散。

5.集散控制系统的体系结构是什么？

集散控制系统的体系结构自下而上分别是：现场级、控制级、监控级和管理级。

6.如何组成集散控制系统硬件结构？

集散控制系统的硬件结构采用模块化的结构。因为硬件模块的选择与系统的价格较

为密切，加上硬件的配置与现场的要求联系较紧，因此硬件的基本配置在合同谈判阶段

就已确定。硬件配置包括下列几个方面的内容：工程师站的选择；操作员站的选择；现

场控制站的配置。

7.过程控制站、数据采集站、运行员操作站、工程师站、计算站的主要功能是什么？

过程控制站接收由现场设备，如传感器、变送器来的信号，按照一定的控制策略计

算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去。过程控制站可以同时完成连续控制、

顺序控制或逻辑控制功能，也可能仅完成其中的一种控制功能。

数据采集站与过程控制站类似，也接收由现场设备送来的信号，并对其进行一些必

要的转换和处理之后送到集散型控制系统中的其他部分，主要是监控主设备。数据采集

站接收大量的过程信息，并通过监控级设备传递给运行人员。数据采集站不直接完成控

制功能，这是它与过程控制站的主要区别。

运行员操作站是运行员与集散型控制系统相互交换信息的人机接口设备。运行人员

通过运行员操作站来监视和控制整个生产过程。运行人员可以在运行员操作站上观察生

产过程的运行情况，读出每一个过程变量的数值和状态，判断每个控制回路是否工作正

常，并且可以随时进行手动/自动控制方式的切换，修改给定值，调整控制量，操作现场

设备，以实现对生产过程的干预。另外还可以打印各种报表，拷贝屏幕上的画面和曲线

等。

工程师工作站是为了控制工程师对集散控制系统进行配置、组态、调试、维护所设

置的工作站。工程师工作站的另一个作用是对各种设计文件进行归类和管理，形成各种

设计文件，例如，各种图纸、表格等。工程师工作站一般由PC机配置一定数量的外部

设备所组成，例如打印机、绘图机等。

计算站的主要任务是实现对生产过程的监督控制，例如机组运行优化和性能计算，

先进控制策略的实现等。由于计算站的主要功能是完成复杂的数据处理和运算功能，因

此，对它的要求主要是运算能力和运算速度。一般，计算站由超级微型机或小型机构成。

8.集散控制系统的软件体系包括哪些软件？

一个基本的过程控制计算机系统的软件可以分成两个部分：系统软件（又称计算机

系统软件）和应用软件（又称过程控制软件）。集散控制系统的软件体系中包括了上述

两种软件，但由于其分布式结构，又增加了诸如通讯管理软件、组态生成软件及诊断软

件等。

9.如何设计集散控制系统显示画面？

集散控制系统的显示画面主要指操作站、工程师站的显示画面，还包括管理站或上

位机的显示画面。为了有效地进行管理和操作，操作站的显示画面是分层次的。集散控

制系统的显示画面大致可分为四层：区域显示，单元显示，组显示和细目显示。

第2章

1.集散控制系统中采用的PID控制算法与常规模拟仪表中采用的控制算法有什么区别?

在集散控制系统中，要把PID控制算式进行离散化处理，以便实现计算机控制。集

散控制系统的PID控制算法可分为三类：位置算法、增量算法、速度算法。

2.为什么前馈控制常与反馈控制结合起来使用？

前馈控制系统的品质十分理想，要实现完全补偿并非易事。因为要得到工业过程的

精确数学模型是十分困难的，同时，扰动也往往不止特定的一种或数种。为了保证有更

大的适应性，因此工业过程的许多场合把前馈控制与反馈控制结合起来，构成前馈反馈

控制系统。前馈克服主要扰动的影响，反馈控制克服其余扰动及前馈补偿不完全部分。

这样，系统即使在大而频繁的扰动下，依旧可以获得优良的控制品质。

3.前馈控制系统的控制规律如何确定？在实施前馈控制时要注意什么问题？

下图所示是换热器的前馈控制系统及其方框图。

设扰动通道的传递函数为G/(s),控制通道的传递函数为G0(s),则如把扰动测量出

来，并通过前馈补偿装置G4(s)的控制作用，使扰动控制作用变弱，此时系统的输出为:

y(s)=[G/(s)+Gd(s)Go(s)]尸(s)

为了使系统在扰动作用下，输出y的偏差等于零。则应满足下列条件:

G/(s)+G,/(s)Go(s)=O

即

在实施前馈控制时要注意两个问题:

1)偏置值的设置

前馈反馈控制系统中引入偏置值十分必要。总控制信号”是前馈控制信号与和反馈

控制信号分之和，如正常工况下，前馈控制信号=12mA,则反馈控制信号人只能在

4〜12mA变化，使反馈控制信号被压缩，同时，使总控制信号输出不能在全范围内(4〜

20mA)变化，为此，需引入偏差信号“〃，其值正好抵消正常工况下前馈控制信号输出Q，

即〃=U(.+Ud—Ubo

2)前馈补偿装置的参数选择

在许多工业过程控制中，静态前馈控制已可以获得满意的控制效果。所以静态增益

心的选择十分重要。觞的选择可以通过物料平衡或热量平衡的计算获得，也可以依据

操作参数计算。如果扰动量为力时，输出为由,可使被控变量保持在设定值。而在扰动

为人时，输出应为〃，，才能使被控变量维持在设定值，则K"应为：％=萼=

关于力和心的选择，一般最好进行测试得到，或按经验进行，观测过渡过程曲线，

进行选择和判断。

4.为什么要实现解耦控制？具体有哪些方法？

一个生产装置往往要设置若干个控制回路来稳定各个被控变量。回路之间可能相互

耦合，相互影响。为消除各回路间的影响，需设计适当的控制率，实现对系统的解耦控

制。具体方法有：串接解耦控制，逆系统解耦控制。其中串接解耦控制又可分为：对角

线矩阵法，单位矩阵法和前馈补偿法。

5.试述Smith预估补偿控制系统的设计思想。

实际系统中存在时滞为了克服e"带来的效应，Smith预估补偿控制系统通过

引入适当的反馈环节，使系统闭环传递函数的分母中(即特征方程中)不含时滞项。

6.自适应控制有哪几类？模型参考自适应控制系统如何实现？

自适应控制一般有以下几类：简单自适应控制系统，模型参考型自适应控制系统，

自校正控制系统。

典型的模型参考型自适应控制系统如图所示。图中参考模型表示了控制系统的性能

要求。输入『⑴一方面送到控制器，产生控制作用，对过程进行控制，系统的输出为y(f);

另一方面，r⑺送往参考模型，其输出为为⑺，体现了预期的品质要求。把y⑺和加⑺进

行比较，偏差送往适应机构，进而改变控制器参数，使y⑺能更好地接近%，⑺。

7.顺序控制分为哪几类？

顺序控制系统可分为时间顺序、逻辑顺序和条件顺序控制三类。

8.神经网络逆系统控制的基本原理是什么？

神经网络逆系统控制的基本原理是：采用由静态神经网络和若干积分器组成的动态

神经网络来构造被控多输入多输出连续非线性系统的逆系统，对被控系统进行“线性化”

并解耦，然后对线性化解耦后的各线性子系统设计闭环控制器，从而获得优良的静、动

态特性与抗干扰能力。

第3章

1.为什么要进行数据的调制和解调？常用的调制方法有哪些？

基带传输不适用于远距离数据传输。当传输距离较远时，需要进行调制。用基带信

号调制载波之后，在信道上传输调制后的载波信号，这就是载带传输。从调制后的信号

中恢复原来的二进制信号，这就需要用到解调。常用的调制方法有：调幅方式、调频方

式和调相方式。

2.同步和异步通信的主要特点是什么？

在异步传输中，信息以字符为单位进行传输，每个信息字符都具有自己的起始位和

停止位，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。

在同步传输中，信息不是以字符而是以数据块为单位进行传输的。通信系统中有专

门用来使发送装置和接收装置保持同步的时钟脉冲，使两者以同一频率连续工作，并且

保持一定的相位关系。在这一组数据或一个报文之内不需要启/停标志，所以可以获得较

高的传输速度。

3.数据通信系统中通常采用哪几种数据交换方式？报文分组交换方式中的虚电路和数

据报交换方式有什么区别？

4.集散控制系统中对通信网络有什么要求？

集散控制系统对通信网络的要求，也就是工业控制用通信系统的特点是：

1.快速实时响应能力

2.具有极高的可靠性

3.适应恶劣的工业现场环境

5.ISO的OSI将网络通信分为几层?各层的主要作用是什么？

见表3-2

6.为什么要采用现场总线控制系统?现场总线有什么特点？

当微处理器进入过程控制系统的检测、变送及执行机构等现场设备时，为了实现用

较少的线控制较多的设备，提出了现场总线控制系统。现场总线是适应工业现场的精简

实时的总线系统，其结构分层采用了OSI模型的第一、二和七层。在应用层分为现场总

线访问子层FAS和现场总线信息规范FMS两个子层。在现场总线标准中，把第二层和

第七层合并，称为通信栈。

7、说明IEEE802.2、IEEE802.3、IEEE802.4和IEEE802.5通信协议主要是解决网络通信

哪一层问题？

IEEE802.2对LLC作了规定。由于在同一LLC子层中，可以有多种媒体存取的方

式，采用单一的结构不能满足各种应用场合的需要，因此，IEEE802委员会分别对带有

冲突检测的载波侦听多路存取、令牌总线、令牌环等三种媒体存取方式规定了相应的协

议，即IEEE802.3、IEEE802.4及IEEE802.5协议。为此，OSI参考模型的数据链路层分

为LLC与MAC子层。

8.现场总线通信协议的基本特点是什么？

现场总线采用开放系统互连参考模型的第一、二和第七层，并把第二层和第七层合

并称为通信栈。

H1现场总线采用的传输速率是31.25kbps。其前导码在不采用中继器时是一个字节，

即是10101010。帧开始定界码和结束定界码是由加有特定的无同步跳变编码的N+和N-

编码组成。

现场总线采用曼彻斯特编码。当高电平跳变到低电平时表示数字1,从低电平跳变

到高电平表示数字0。特殊码没有用于同步的跳变，在时钟周期内高电平表示N+,低电

平表示N-o

9.TCP/IP的基本特点是什么？

在Internet和Intranet网络系统中，TCP/IP协议是两个最著名的Internet协议。

TCP(TransmissionControlProtocol)是传输控制协议，是对应传输层的协议，它保证数据

可靠地被传送。IP(InternetProtocol)是网际协议，是对应网络层的协议，它用于提供数

据传输的无连接服务。由于TCP/IP更注重数据发送的互联，因此已成为当前网际互联

协议的最佳选择。TCP用于提供应用程序之间(端到端)的通信，主要包括提供格式化的

信息流，提供可靠的端到端的差错控制和流量控制，提供不同应用程序的识别等。

第4章

1.试给出现场总线的定义。

根据国际电工委员会IEC1158定义：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.现场总线控制系统分哪几类？各有什么特点？

现场总线控制系统根据应用领域的不同，可以分为五大类：1）数字控制；2）机器人

控制；3）物料经营控制；4）批量过程控制；5）连续过程控制。

或分为三大领域：1）模拟连续过程类；2）数字分立动作类；3）监控类。连续类要求

处理模拟能力与本安防爆；分立类要求总线有快速反应；监控类要求总线有大量节点。

3.为什么说现场总线的核心是总线协议？

由于现场总线是众多仪表之间的接口，同时希望现场总线满足可互操作性要求，因

此，对于一个开放的总线而言，总线协议，亦即标准化，显得尤为重要。由于标准化对

现场总线的意义重大，因此可以这样说，每一种现场总线都是有标准的，它是现场总线

的核心。

4.现场总线的通信协议与ISO的通信协议有什么区别？

现场总线通信协议在ISO七层模型的基础上增加了面向用户的第8层用户层，取消

了ISO模型的3-6层，由物理层、数据链路层、应用层和用户层组成。

第5章

1.试叙述7种总线的特点和应用场合？

CAN总线是开放系统，但没有严格遵循ISO的开放系统互联的7层参考模型(OSI),

出于对实时性和降低成本等因素的考虑，CAN总线只采用了其中最关键的两层，即物

理层和数据链路层。CAN是国际上应用很广泛的一种现场总线。它作为一种串行通信

总线，现在已经在汽车工业、航天工业等领域的控制系统中得到广泛的应用。

LonWorks总线是一种基于嵌入式神经元芯片的现场总线技术，具有强劲的实力。

它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工程过程

控制等领域，低成本和高性能是它的最大优势。

FF总线系统是为了适应自动化系统，特别是过程自动化系统在功能、环境与技术

上的需要而专门设计的。这种现场总线的标准是由现场总线基金会组织开发的。它得到

了世界上一些主要自动控制设备制造商的广泛支持，在北美、亚太与欧洲等地区具有较

强的影响力，现场总线基金会的目标是致力于开发出统一标准的现场总线。

PROFIBUS是符合德国国家标准和欧洲标准EN50170的现场总线。PROFIBUS产

品的市场份额占欧洲首位，大约为40%。目前世界上许多自动化设备制造商如西门子公

司都为它们生产的设备提供PROFIBUS接口。PROFIBUS广泛应用于加工制造、过程

和楼宇自动化。

ControlNet是面向控制层的实时性现场总线网络，在同一物理介质链路上提供时间

关键性I/O数据和报文数据，包括程序的上载/下载，组态数据和端到端的报文传递等通

信支持，是具有高度确定性、可重复的高速控制和数据采集网络，I/O性能和端到端通

信性能都比传统网络有较大提高。ControlNet是开放的现场总线，截止1999年底在全世

界范围内已经拥有近70家成员单位，由独立性国际组织控制网国际负责管理，控制网

国际旨在维护和发行ControlNet技术规范，管理成员单位共同的市场推广工作，同时提

供各个厂商产品之间的一致性和互操作性测试服务，保证ControlNet的开放性。

DeviceNet网络是20世纪90年代中期发展起来的一种基于CAN技术的，符合全球

工业标准的开放型、低成本、高性能的通信网络。它通过一根电缆将诸如可编程序控制

器、传感器、光电开关、操作员终端、电动机、轴承座、变频器和软起动器等现场智能

设备连接起来，是分布式控制系统减少现场I/O接口和布线数量，并将控制功能下载到

现场设备的理想解决方案。在制造领域里，设备网已经成为事实上的工业自动化领域的

标准网络。

EtherCAT(是一个开放架构，是以以太网为基础的现场总线系统。EtherCAT是确

定性的工业以太网，最早是由德国的Beckhoff公司研发。EtheQAT开发的目的就是让

以太网可以运用在自动化应用中，适用于在对资料更新时间短、资料同步时的通讯抖动

量低，而且要求硬件成本低的场合。

2.7种总线的总线协议有什么不同？

(结合第4章P106-P107)

CAN总线是只有底层协议的总线标准。它适合于简单的位式总线(Bitbus)。由于它

受的约束较少，因此适用面较宽，但它并不保证符合标准的产品之间一定能通信。

LonWorks总线有底层和上层协议的总线标准。虽然其适用范围窄一些，但它更容

易保证产品之间的通信。

FF总线具有底层、上层协议和行规的总线标推。它的应用对象往往很明确，具有

较好的可互操作性。

PROFIBUS协议的结构定向是根据ISO7498国际标准以开放式系统互联网络(OSI)