《现场总线控制技术》教学大纲

《现场总线控制技术》教学大纲课程名称：现场总线控制技术适用班级：2016级电气自动化技术辅导教材：《工业控制网络》王振力等编著人民邮电出版社一、本课程的地位、任务和作用本课程综合了电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术的最新发展成果，旨在介绍现场总线这一自控领域的新技术，使学生了解工业自动化领域当今世界自控技术的研究热点和发展方向。本课程的主要任务是使学生在了解工业自动化的发展历程以及在现场总线技术中使用的基础知识的基础上，掌握目前在工业现场使用最多的PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA的基本原理和具体应用，对工业以太网技术、AS-i技术及与现场总线密切相关的OPC技术和IEC61131-3编程语言等新技术也要有所认识。通过本课程的学习能独立承担和开展现场总线控制系统相关的研究工作。二、本课程的相关课程《可编程序控制器》、《可视化数据处理技术》、《计算机控制技术》，《机电传动与控制》，《单片机原理与应用》，《自动控制原理》等课程。三、本课程的基本内容及要求教学基本要求：第1章概述了解现场总线与现场总线控制系统的现状与发展，了解现场总线与现场总线控制系统的特点。第2章数据通信基础掌握通信模型、数据传输、传输媒体、传输数据编码、数据通信接口和差错检测与校正的概念及方法，了解多路复用技术的构成及使用方法。第3章现场总线体系结构了解网络体系结构的基本概念，掌握开放系统互连参考模型中的若干重要概念及现场总线体系结构的建立方法和特点，了解现场总线网络的拓扑结构。第4章媒体访问控制技术了解媒体访问控制技术的概念，掌握集中控制型受控访问方法，了解ALOHA随机访问方法和CSMA随机访问方法，了解物理环访问方法和令牌总线访问方法。第5章位传输现场总线了解位传输总线的基本概念，和汽车总线的分类，了解CAN总线体系结构及协议标准，了解CAN控制器、CAN总线收发器、CAN节点的实现方法，了解CAN总线应用系统设计的基本方法。第6章设备现场总线了解设备现场总线的基本概念，掌握Profibus总线的特点、体系结构和产品开发的基本方法。第7章FF现场总线了解基金会现场总线种类及体系结构，了解FF-H1物理层、FF-H1通信栈、FF-H1用户层以及FF的网络管理系统。第8章工业以太网了解工业以太网体系结构和基本特性，了解高速以太网现场总线FF-HSE。第9章现场总线控制系统的设计与集成了解企业信息网的一般组成，了解现场总线控制系统的一般设计应用过程，掌握一种现场总线控制系统的集成技术，了解连接设备的应用方法，了解OPC技术及其应用。实验内容及要求：实验内容主要让学生了解现场总线的基本原理和结构，以西门子Profibus总线为例，学习现场总线规范，通讯控制芯片，接口设计及应用编程和操作等，并介绍了几种常用的现场总线技术。1、S7-200PLC与触摸屏的串口通讯，用RS485串口电缆将CPU226直接连接到触摸屏，在触摸屏上组态一个按钮和一个指示灯，操作电梯运行，并正确显示指示灯的状态2、S7-200PLC与计算机组态软件的PPI协议通讯，用PPI电缆将CPU226接到工控机的串口上，在计算机上用MCGS软件直接操作电梯的运行，主要的实验内容是：在MCGS中设置PPI通讯协议，组态一个按钮和一个状态指示灯，操作电梯运行，并正确显示指示灯的状态。3、Step7v5.4编程基础，S7-300plc组态（2学时，选做，验证型），熟悉Step7v5.4软件的操作环境和使用步骤以及怎样在SIMATIC管理器中创建项目。4、用一台计算机同时连接S7-300和S7–400PLC，在WINCC中，建立两个设备，分别连接300PLC和400PLC，在画面上组态两个数值输入单元分别读写两套PLC中的数据。5、S7-300plc之间的Modbus通讯实验（2学时，选做，验证型），熟悉现场总线Modbus网络通讯的基本原理和Step7硬件组态，掌握S7-300PLC编程和两个PLC之间网络通讯的具体方法。6、S7-300plc之间的DP通讯实验（2学时，选做，验证型），熟悉现场总线DP网络通讯的基本原理，掌握S7-300PLC编程和两个PLC之间DP网络通讯的具体方法。7、MCGS通过Modbus协议控制风机变频器的启停和调速，在计算机和变频器之间，连接RS485通讯电缆，修改变频器的参数，将变频器启、停和速度给定模式切换成串口模式，在MCGS中组态变频器的按钮和速度设定，最终实现在计算上启、停变频器并调整速度。四、习题数量及要求为帮助学生理解和巩固本课程的基本概念、理论与基本分析、设计方法，从巩固基础和提高能力方面安排习题，也可以根据授课内容布置学生撰写设计论文。五、教学方式与考核方式教学方式：面授辅导、平时作业考核方式：考勤、作业和考试六、几点说明推荐教材和主要参考书：推荐教材：《工业控制网络》王振力等编著人民邮电出版社主要参考书：1.张凤登编著.现场总线技术与应用.北京：科学出版社.20082.阳宪惠主编.现场总线技术及其应用(第2版).北京：清华大学出版社.20083.陈在平编.著现场总线及工业控制网络技术.北京：电子工业出版社.20084.李正军编著.现场总线技术及其应用技术.北京：机械工业出版社.20095.王永华.现场总线技术及应用教程.北京：机械工业出版社，20076.李正军主编.现场总线及其应用技术.北京：机械工业出版社，20057.王常力、罗安主编.集散型控制系统选型与应用.北京：清华大学出版社，1996《现场总线控制技术》复习范围复习题1、假设某个信道的带宽为600Hz，且信噪比为3dB，这个信道的容量是多少？解答：香农公式)SNR1(log2BCB＝600Hz，(SNR)dB＝10lgSNR＝3dB，所以SNR＝2根据香农公式（2－9），得C=600log2(1+2)=600*1.58=950bps2、一个数字信号传输系统要求其工作在19200bps。⑴如果一个信号单元可编码成4比特的单字，那么所需要的最小信道带宽为多少？⑵在8比特单字的情况下又是多少？解答：根据奈奎斯特公式C=2Blog2M，C=19200，⑴M=4，B=4800bps；⑵M=8，B=3200bps；3、信道的带宽为10kHz，功率为1000W，操作环境温度为50℃，则这个信道的热噪声值为多少？解答：k为玻尔兹曼常数，其值为1.3803×10-23J/oK；T为绝对温度。我们认为噪声与频率无关。因此，在BHz带宽内的热噪声N用瓦（W）表示就是：kTBN（2－5）N一般用分贝-瓦(dB-W)表示：BTBTkNlg10lg106.228lg10lg10lg10N=-228.6+10lg（273+50）+10lg104=-228.6+25.1+40=-183.5dB-W4、假设信道所要求的容量为20Mbps，信道带宽为3MHz，为了达到这一信道容量，要求信噪比为多少？解答：香农公式)SNR1(log2BC，B＝3MHz根据香农公式得C=3×106×log2(1+SNR)=20×106SNR=104-1=103，（SNR）dB=10lgSNR=2dB5、假设信道所要求的容量为20Mbps，信道带宽为6MHz，为了达到这一信道容量，要求信噪比为多少？解答：香农公式)SNR1(log2BC，B＝6MHz根据香农公式得C=6×106×log2(1+SNR)=20×106SNR=10-1=9，（SNR）dB=10lgSNR=1dB6、同轴电缆是两根导线的传输系统，如果将外层导体接地会有什么好处？解答：外壳接地时,外电场不会影响到内部,内电场也不会影响到外部，所以同轴电缆外导体接地有屏蔽内外信号互相干扰的好处，能提高信号质量，并提高信号传输速率。7、某个NRZ1数字信号编码中，前一个比特的信号电平是高，这种编码情况下，试画出比特流的波形图。解答：NRZ1数字信号编码的规则是：当前比特跟前一个比特相同表示“0”，当前比特跟前一个比特不相同表示“1”。010011108、某个NRZ1数字信号编码中，前一个比特的信号电平是高，这种编码情况下，试画出比特流的波形图。解答：NRZ1数字信号编码的规则是：当前比特跟前一个比特相同表示“0”，当前比特跟前一个比特不相同表示“1”。011100119、下图中的波形图是用曼彻斯特编码后的二进制数据流，求一个比特周期的起始和终止时间（也就是说，提取时钟信息），并写出其表示的数据序列。第2章习题7图曼彻斯特数据流解答：在曼彻斯特编码中，每比特周期的中央存在一个跳变。比特中央位置的跳变不仅表示了数据，而且还提供了定时机制：从高到低的跳变迁表示0，从低到高的跳变表示1。图示数据为：第2章习题7图曼彻斯特数据流111001101010、某个二进制的信号编码用曼彻斯特编码，画出比特流的波形图。解答：在曼彻斯特编码中，每比特周期的中央存在一个跳变。比特中央位置的跳变不仅表示了数据，而且还提供了定时机制：从高到低的跳变迁表示0，从低到高的跳变表示1。图示数据为：010111011、假设有一个10,000个字符的文件以2400bps的速率经过一条线路传送。（1）如果使用异步传输，试计算其额外开销有多少比特及其传输时间。假设每个字符包含有一个起始比特、一个1比特长的停止单元以及该字节本身的8个比特。这8个比特字符完全由数据比特组成，无检验比特。解答：每8个比特数据需要2个bit额外开销。所以总共额外开销=10000÷8×2=2500bit；传输时间=（10000÷8×10）÷2400=5.2秒（2）如果使用同步传输，试计算其额外开销有多少比特及其传输时间。假设数据以帧传送，每个帧包含了1000个字符，也就是8000比特，以及48个控制比特的额外开销。解答：每8000个比特数据需要48个bit额外开销。所以总共额外开销=（Int（10000÷8000）+1）×48=96bit；传输时间=（10000+96）÷2400=4.2秒12、假设有一个100,000个字符的文件以2400bps的速率经过一条线路传送。（1）如果使用异步传输，试计算其额外开销有多少比特及其传输时间。假设每个字符包含有一个起始比特、一个1比特长的停止单元以及该字节本身的8个比特。这8个比特字符完全由数据比特组成，无检验比特。（2）如果使用同步传输，试计算其额外开销有多少比特及其传输时间。假设数据以帧传送，每个帧包含了1000个字符，也就是8000比特，以及48个控制比特的额外开销。解答：（1）每8个比特数据需要2个bit额外开销。所以总共额外开销=100000÷8×2=25000bit；传输时间=（100000÷8×10）÷2400=52秒解答：（2）每8000个比特数据需要48个bit额外开销。所以总共额外开销=（Int（100000÷8000）+1）×48=624bit；传输时间=（100000+624）÷2400=42秒13、假设文件长度为10,000个字符，数据率为9600bps的速率经过一条线路传送。（1）如果使用异步传输，试计算其额外开销有多少比特及其传输时间。假设每个字符包含有一个起始比特、一个1比特长的停止单元以及该字节本身的8个比特。这8个比特字符完全由数据比特组成，无检验比特。（2）如果使用同步传输，试计算其额外开销有多少比特及其传输时间。假设数据以帧传送，每个帧包含了1000个字符，也就是8000比特，以及48个控制比特的额外开销。解答：（1）每8个比特数据需要2个bit额外开销。所以总共额外开销=10000÷8×2=2500bit；传输时间=（10000÷8×10）÷9600=1.3秒解答：（2）每8000个比特数据需要48个bit额外开销。所以总共额外开销=（Int（10000÷8000）+1）×48=96bit；传输时间=（10000+96）÷9600=1.05秒14、IEC61158通信接口被多种现场总线（如FF-H1、Profibus-PA）作为物理层标准，它有哪两条主要功能，采用何种协议编码，这种编码方案应用在网络中有什么好处？IEC61158