工业控制机及应用习题解答

工业控制机及应用习题解答第一章 工业控制机概述问题 1 什么是工业控制计算机？有哪些部分组成？用于工业控制的计算机称为工业控制计算机，简称控制机。工业控制计算机是计算机一大门类，具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机 、外围、外设及接口，具有实时操作系统，控制网络及协议，计算能力，系统软件，工具软件，应用软件和人机界面，采用总线结构等。工控机系统一般是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行检测与控制的自动化技术工具的总称。控制机由计算机和过程输入输出（ I/O）通过两大部分组成。工控系统(包括硬件、软件)，不包括传感器、检测仪表和执行器。问题 2 工控机的特点有哪些？1）实时性。工控机对工业生产过程进行实时在线检测与控制，对工况变化给予快速响应，及时进行采集和输出调节（把各种操作分成不同的优先级处理，这与通用机不同），保证被控系统的正常运行。2） 可靠性。工控机具有在粉尘、高温、潮湿、振动、（酸、碱）腐蚀和电磁干扰等的工业环境、长时间、连续可靠工作的能力。能够抗工业电网的浪涌、跌落和尖峰干扰等。并具备良好的故障诊断和可维护性，以保障及时发现和维修。对可靠性最有效的测试主要为：冲击、振动、打耐压、强磁场、高低温存贮和循环、瞬时过压干扰、板级更换时间等。3 ） 输入/输出能力。工控机具有很强的输入/输出功能，与工业现场的各种检测仪表和控制装置，如：传感器、变送器、执行器、报警器、显示器等相连接，以完成各种测量控制任务。4 ） 各种应用软件大多数工控机以 windows 作工作平台，支持多种高级语言编程，支持实时多任务操作系统。应用软件极为丰富，特别是组态软件更为用户提供方便。问题 3 控制机与一般通用计算机相比较有何特点？1）具有较完善的过程通道 ，便于将各种形式的信息变换, 并完成检测数据输入 和控制信息输出。 2 ）要有比较完善的中段系统和高速数据通道，以使其能迅速响应生产过程发出的中段请求，并能与生产过程实时交换信息。 3 ）具有高可靠性。 工业生产常常是连续（昼夜）生产，这就要求控制计算机具有高度可靠性。不能中途停机，不能发生故障。目前的计算机都能作到几千小时不出一次故障。就是出了故障由于检查故障程序比较完善也能在几分钟之内修复。 4） 具有人机联系功能，以便实现人机对话，及时地对生产过程进行必要的干预。生产过程常常会发生意外事故，或生产设备出现问题，控制失灵等，都需要人工停止计算机控制，或发现控制发生偏差，人工可修正控制。 5 ） 具有能正确反映生产规律的数学模型，其数学模型只能近似反映出生产规律，其近似误差愈小，或者说近似程度愈接近，就愈容易实现生产过程最佳控制，达到增加产量提高产品质量、降低消耗、降低成本的目的。因此，实现计算机控制以后，要不断的改善、修正数学模型，提高数学模型近似程度是一项不可缺少的工作。 6 ）具有适于控制用的软件系统。包括操作系统的系统软件和应用软件，用以提高控制质量，如适用于生产在线控制的实时操作系统 ，各种过程输入/输出通道的中断处理程序，过程 I/O 数据传输过程出现错误的处理程序和实现过程控制应用程序。 问题 4 现场生产过程的各种生产设备必须什么条件？ 1） 具有能接受控制机（过程输入/输出通道）送来的控制信息，并对生产设备行使控制的控制器或称控制部件。如是直流电机，常采用可控硅控制器，解接受控制器送来的控制信号控制电机的起、停和快慢。有的是用常规控制仪表（PID 仪表） ，由计算机给 PID仪表设定或修正调正值，由 PID 仪表按给定的调正值行使控制。 2 ） 能有检测生产设备的运行状态的一次仪表（部件）或二次转换仪表部件。检测仪表输出信息能被控制机过程输入/输出通道所接受的模拟量和数字量。 3 ）能有反映生产规律的数学模型。 这是实现计算机控制生产的三个前提条件，只有具备这三个条件才谈得上计算机自动控制生产过程。问题 5 工控机主要应用在哪些领域？工控机是计算机技术与自动控制技术结合的产物，是实现工业生产自动化、优质、高产、低耗、提高工业企业经济效益的重要工具。 工控机主要应用于单机自动化、过程控制、制造自动化、楼宇自动化等领域。 1 ）单机自动化数控机床、数显机床、电子量具量仪、锻压机械、焊接设备、智能仪器仪表、工业机器人、汽车电子化、电站自动化控制系统、电子化低压电器、电机电气化传动装置、工程机械、农牧机械、轻工机械、纺织机械、信息控制机、军事装置等。还有电子化家用电器、照相机、医疗器械等。2 ）过程控制主要用于连续化、流程化的生产过程中：化工、冶金、电力等。3 ）制造自动化主要用于离散加工控制的生产过程中，如：机械、电子、汽车等。4 ）楼宇自动化主要用于集中空调、冷冻站、热交换站、变配电系统、照明系统、给排水系统。电梯系统、车库管理系统、保安防盗系统、消防广播系统等。问题 6、谈谈工控计算机发展趋势。(1) 从人围着计算机转，发展为计算机围着人转；(2) 从计算机具有联网功能，发展为网络具有计算机功(3) 从源于符号获取信息，发展为源于信息获取知识；(4) 从人应用计算机增长了知识，发展为计算机在被人使用的同时也优化了功能；(5) 多通道控制模式：语言、动作；(6) 计算机仿真与虚拟现实；(7) 智能体概念（Agent）：它代表拟人的智能实体，具有类似于人的特性和能力，如自律性、主动性、敏感性、反应性、机动性、社团性。问题 7 综合自动化的内容是什么？综合自动化包括 CIMS （ Computer Integrated Manufacturing System ， 计算机集成制造系统） 和 CIPS（Computer Integrated Processing System，计算机集成过程系统），是过程工业中的 CIMS。CIMS 是基于制造技术（使用数控机床、机器人等加工）、信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术的一门发展中的综合性技术。它的最大特点是多种技术的“综合”与全企业信息的“集成”，它是信息时代企业自动化发展的总方向。CIPS 其关键技术包括计算机网络技术、数据库管理系统、各种接口技术、过程操作优化技术、先进控制技术、软测量技术、生产过程的安全保护技术等。管控一体化、工业企业信息化、基于网络的自动化、IT 与自动化的目标即将成为现实。第二章 工业控制机体系结构问题 1 微机端口就是微机接口吗？不是，微机接口英文是 Interface，是 CPU 和输入输出设备之间进行连接、沟通的部件，它包含设备之间信号交换和电气联接的一系列标准，如 IDE 接口、SCSI 接口、USB 接口、串行接口。而微机端口英文是 Port，是指接口电路中能被 CPU 直接访问的寄存器或某些特定的连接器，如数据端口、地址端口、状态端口、控制端口等。另外，我们常说的串行端口是指 9 针或 25 针的串行接口连接器。问题 2 微机接口其实就是用于 CPU 和外设之间进行信息交换的硬件电路。错，微机接口是用于 CPU 和外设之间进行信息交换的各种电路及其软件。微机系统是硬件和软件技术的结合，硬件是实现各种计算机功能的基础，软件则是实现这些功能的手段和方法，缺一不可。问题 3 微机系统为什么要用接口？微机是以 CPU 为核心，通过 CPU 来控制各种外设进行工作的，CPU 的处理能力要通过外设才能展现出来，这就涉及到 CPU 如何识别外设、如何向外设发指令以及外设如何向 CPU 发送数据的问题。由于外设的多样性和复杂性，直接相连根本无法工作，一定要进行数据和信号的必要转换。这种数据和信号的转换又叫“匹配” 。微机接口就是起到这个转换的作用。速率匹配：解决 CPU 与外设之间传输速率不一致的问题； 时序匹配：解决 CPU 与外设之间时钟信号不一致的问题； 信息匹配：解决 CPU 与外设之间信息格式不一致的问题；电平匹配：解决 CPU 与外设之间信号电平不一致的问题；数模匹配：解决 CPU 与模拟外设之间信号不一致的问题。问题 4 为什么要采用中断方式？CPU 要与很多外设进行联系，但同一时间只能与其中一种设备通信。按照我们的工作思维，可以有两种方法来实现 CPU 与外设的联系。第一种方法：CPU 将外设进行编号，一个一个轮询，当发现轮询到的设备需要 CPU处理一些请求时，CPU 即时进行处理，处理完后又接着继续轮询，就这样不断地重复工作。这就是所谓的查询方式。第二种方法：CPU 不是一个一个轮询，而是等待外设主动发送工作请求。一旦发现有外设请求，即响应并处理该请求，处理完后又继续处在等待状态。如果同时有多个请求，则按顺序或轻重缓急一个一个进行处理。如果正在处理某一外设请求过程中，又有更重要的外设请求处理，那么 CPU 可以先处理此紧急的请求，处理完后再接着处理前一个未处理完的外设请求。这就是所谓的中断方式。可以想象，当外设比较多的时候，采用第一种方式一个一个轮询，可能会比较费时间，如果有设备要求比较急的时候便会得不到及时的处理。实时性差是它的一大缺点。而第二种方式是“有求必应” ，正好可以克服这个缺点，也更符合人类的工作习惯。问题 5 为什么要采用 DMA 方式？DMA 方式把 I/O 操作过程中外设与内存交换信息的控制权从 CPU 交给了 DMA 控制器，实质上是在硬件控制下而不是 CPU 软件的控制下完成数据的传输，所以可以大大提高传输速率，这对大批量数据的高速传送特别有用。而中断方式在传送大批量数据的时候，会因为要对中断进行各种保护处理而使处理效率效率大大降低。问题 6 CPU 工作电压为什么越来越低？根本目的是为了提高 CPU 的工作稳定性和可靠性。CPU 的集成度越来越大，一个芯片已经可以包含上千万的晶体管，发热成了 CPU 继续发展的大问题。工作电压越小，CPU的耗电就越小，发热也就越少，通过散热风扇和散热片的使用，使 CPU 的温度保持在一个 CPU 可正常工作的范围。否则，如果工作电压高，发热就多，则容易造成 CPU 的晶体管不能正常工作，严重的甚至可能烧坏 CPU，CPU 工作电压已经降到最低为 1.3V。问题 7 CPU 外频、主频和倍频有什么联系？外频是指系统时钟频率，即系统总线频率。主频是 CPU 运算时的工作频率。倍频是指CPU 外频与主频相差的倍数。主频、外频和倍频三者的关系是：主频=外频倍频。问题 8 CPU 为什么有三种工作模式？现在的 CPU 有三种工作模式是为了兼容以前的微机软件和硬件而形成的。保护模式是为了发挥 CPU 的高性能和为了提高系统的安全性而提出的，是目前最常用的工作模式。实模式是为了兼容 I8086 系列的微机系统软件而提出的，使用此模式可以执行以前的一些应用程序。虚拟实模式则是 WINDOWS 32 位操作环境能够保持向后兼容的关键。Windows 2000以后已不提供实模式，只有虚拟实模式，即在 32 位保护模式中运行的虚拟的 16 位环境。当您运行 WINDOWS 中的 DOS 程序时，您就启动了一个虚拟实模式过程。因为保护模式允许真正的多任务，所以可以启动多个实模式过程，每一个上面运行的 16 位软件都相当于运行在一台虚拟的 PC 上。在运行 16 位软件的同时，也允许运行 32 位的应用程序。问题 9 CPU 的工作原理是怎样的？什么是 CPU 总线？从存储单元读取数据（程序指令） ，交由控制单元进行调度分配，然后传送到逻辑运算单元处理，再将处理后的结果数据写入存储单元，最后交由应用程序使用。CPU 总线，又称为 FSB（前端总线，Front Side Bus） ，是 PC 系统中最快的总线，也是芯片组与主板的核心。这条总线主要由 CPU 使用，用来与高速缓存、主存和北桥（或 MCH）之间传送信息。目前可看到的 PC 系统中使用的 CPU 总线工作频率为 66、100、133 或 200MHz，宽度为 64 位（8 字节） 。第三章 工业控制计算机总线问题 1 总线的概念总线是连接计算机有关部件的一组信号线，是计算机中用来传送信息代码的公共通道。面向总线的结构主要有以下优点： 简化了系统结构，便于系统设计制造； 大大减少了连线数目，便于布线，减小体积，提高系统的可靠性； 便于接口设计，所有与总线连接的设备均采用类似的接口； 便于系统的扩充、更新与灵活配置，易于实现系统的模块化； 便于设备的软件设计，所有接口的软件就是对不同的口地址进行操作； 便于故障诊断和维修，同时也降低了成本。总线的逻辑电路有些是三态的，即输出电平有三种状态：逻辑“0” ，逻辑“1”和“高阻”态。问题 2 什么是 I/O 总线？I/O 总线是用于扩展插卡与 CPU 通信的总线，主要有 7 种类型：PC/XT 总线、ISA总线、EISA 总线、MCA 总线、VL 局域总线、PCI 总线、AGP 总线。问题 3 什么是连接器总线？连接器总线指的是通过 I/O 总线连接 CPU 和外设的那些总线，包括串行总线 RS-232、并行总线 IEEE-1284、USB 总线、IDE 总线、SCSI 总线和 IEEE-1394 总线等。问题 4 什么叫 USB 主机？什么叫 USB 设备？在任一 USB 系统中都有且只有一个主机（主控制器） 。到主计算机系统的 USB 接口被称作主控制器。主控制器可采用硬件、固件或软件相结合的方式来实现。根 Hub 集成在主机系统内，向上与主总线（如 PCI 总线）相连，向下可提供一或多个连接点。 USB 设备分为 HUB（集线器）和 Function（功能）两大类。Hub 提供到 USB 的附加连接点，功能为主机系统提供附加的性能，如 ISDN 连接、数字操纵杆或扬声器等。问题 5 总线的分类总线可以按其功能、性能和级别分类。1）按传输信号的性质分类总线按其信号线上传输的信息性质可分为三组： 数据总线，一般情况下是双向总线； 地址总线，单向