2026年电气自动化控制系统设计实战试题及答案

2026年电气自动化控制系统设计实战试题及答案一、单项选择题（本大题共20小题，每小题2分，共40分。在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填在括号内）

1.在自动化控制系统中，能够将连续的模拟信号（如4-20mA电流信号）转换为数字信号以便CPU处理的模块是（）。

A.数字量输入模块（DI）

B.数字量输出模块（DO）

C.模拟量输入模块（AI）

D.模拟量输出模块（AO）

2.某PLC控制系统采用西门子S7-1200系列，若要实现两个CPU之间的数据交换，且距离较远（超过1000米），最经济且标准的通信方式是（）。

A.MPI通信

B.PROFIBUSDP通信

C.PROFINET通信

D.AS-Interface通信

3.在电气控制原理图中，热继电器（FR）的常闭触点通常串联在接触器（KM）线圈的回路中，其主要作用是（）。

A.短路保护

B.过载保护

C.失压保护

D.欠压保护

4.交流伺服电机与普通异步电机相比，其核心区别在于运行时受（）控制，从而实现精确的速度和位置控制。

A.电压幅值

B.电流频率

C.脉冲信号或通讯数据

D.功率因数

5.在PID控制算法中，积分环节（I）的主要作用是消除系统的稳态误差，但容易引起（）。

A.振荡

B.超调

C.积分饱和

D.滞后

6.某传感器输出信号为0-10V，对应的量程为0-100℃。现测得电压为5V，则当前温度为（）。

A.25℃

B.50℃

C.75℃

D.5℃

7.在设计PLC梯形图时，为了防止双线圈输出冲突（即同一个输出位在程序中被多次赋值），系统通常会（）。

A.报错并停止编译

B.以最后一次赋值为准

C.以第一次赋值为准

D.将所有赋值进行逻辑或运算

8.ModbusRTU通信协议通常运行在（）物理层上。

A.以太网

B.RS-232或RS-485

C.USB

D.CAN总线

9.在变频器参数设置中，当加速时间设置过短时，电动机启动时容易引起（）。

A.转速不稳

B.过流跳闸

C.功率因数降低

D.噪音增大

10.安全PLC（SafetyPLC）与标准PLC在架构上的主要区别在于安全PLC通常采用（）结构。

A.单核运行

B.双通道冗余

C.云计算

D.边缘计算

11.在电气柜布局设计中，强电（如220V/380V）与弱电（如24VDC信号）走线槽必须（）。

A.混合走线以节省空间

B.平行且紧贴走线

C.分隔开，保持一定距离或使用接地隔板

D.交叉走线以增加抗干扰能力

12.编码器是用于测量电机转速和位置的传感器，若分辨率为1024线，则电机转动一圈，A相脉冲输出个数为（）。

A.512

B.1024

C.2048

D.4096

13.在SCADA系统中，用于连接底层PLC设备并实时采集数据的软件组件通常称为（）。

A.HMI

B.I/OServer或驱动

C.Database

D.WebServer

14.某三相异步电动机采用星-三角（Y-△）降压启动，启动时定子绕组接成星形，此时每相绕组上的电压是三角形连接时的（）。

A.1/√3

B.1/3

C.1/2

D.√3倍

15.在工业以太网协议中，具有实时性好、支持拓扑诊断且基于标准以太网技术的协议是（）。

A.HTTP

B.EtherCAT

C.TCP/IP

D.FTP

16.气动控制系统中，用于将电信号转换为气压力信号的元件是（）。

A.气缸

B.节流阀

D.电磁阀

17.在PLC编程标准IEC61131-3中，结构化文本（ST）属于（）语言。

A.图形化

B.文本化

C.梯形图

D.功能块图

18.为了减少长距离传输中的信号衰减和噪声干扰，工业现场最常用的模拟信号传输标准是（）。

A.0-5V

B.0-10V

C.4-20mA

D.0-20mA

19.某闭环控制系统，在输入阶跃信号后，被控变量震荡多次才趋于稳定，这说明系统的（）。

A.稳定性差

B.准确性差

C.快速性差

D.线性度差

20.在电气原理图中，文字符号“QS”通常代表（）。

A.刀开关

B.熔断器

C.接触器

D.继电器

二、多项选择题（本大题共10小题，每小题3分，共30分。在每小题列出的五个备选项中至少有两个是符合题目要求的，请将其代码填在括号内。错选、多选、少选均不得分）

1.电气自动化控制系统设计的基本原则包括（）。

A.满足生产工艺要求

B.系统运行安全可靠

C.操作维护方便

D.成本越低越好，无需考虑扩展性

E.结构简单，性价比高

2.PLC的存储器中，通常包括以下几种区域（）。

A.系统存储区

B.工作存储区

C.装载存储区

D.保持存储区

E.外部缓存区

3.下列关于接地系统的描述，正确的有（）。

A.保护接地是为了防止人身触电

B.工作接地是为了保证系统电气安全运行

C.屏蔽接地是为了抑制电磁干扰

D.在PLC系统中，数字地与模拟地通常可以混接

E.信号接地通常作为信号回路的基准电位

4.变频器控制电机调速时，常见的控制模式有（）。

A.V/f控制（压频比控制）

B.矢量控制

C.直接转矩控制

D.PID控制

E.模糊控制

5.导致PLC模拟量输入模块读数波动的原因可能有（）。

A.信号线屏蔽层未接地或接地不良

B.信号线与动力线平行敷设且距离过近

C.模拟量模块供电电源不稳定

D.传感器本身故障

E.PLC程序扫描周期过长

6.在设计电气控制柜时，需要考虑散热设计，常用的散热措施包括（）。

A.安装轴流风扇

B.柜体底部和顶部开设通风孔

C.安装热交换器

D.在柜内安装加热器

E.使用封闭式柜体且无任何散热装置

7.工业机器人控制系统通常由哪些部分组成（）。

A.控制器

B.伺服驱动器

C.示教器

D.操作机（机械手）

E.I/O模块

8.下列属于现场总线标准的有（）。

A.PROFIBUS

B.Modbus

C.CANopen

D.DeviceNet

E.Bluetooth

9.触摸屏（HMI）与PLC通讯连接失败，可能的原因是（）。

A.通讯线缆损坏或接线错误

B.HMI与PLC的IP地址不在同一网段

C.PLC的通讯端口被占用或参数设置不匹配

D.HMI软件中未设置正确的站号或协议

E.PLC程序处于STOP模式

10.电气控制系统中，常用的互锁保护措施包括（）。

A.按钮互锁（机械互锁）

B.接触器常闭触点互锁（电气互锁）

C.程序逻辑互锁（软件互锁）

D.行程开关限位互锁

E.急停按钮互锁

三、填空题（本大题共15小题，每小题2分，共30分）

1.国际电工委员会（IEC）规定的低压电器的耐压测试标准中，测试电压通常为额定电压的________倍加上1000V，持续时间不少于1秒。

2.在西门子S7-300/400PLC中，OB1是________循环组织块。

3.某光电开关检测到物体时输出为高电平，未检测到时为低电平，这种接线方式称为________型（填PNP或NPN）。

4.PID控制器中，P代表比例，I代表积分，D代表________。

5.工业以太网通信中，MAC地址由________位二进制数组成。

6.电气原理图中，连接各电器元件的导线，其线径的选择主要依据________和机械强度。

7.气动三联件是指分水滤气器、________和油雾器。

8.在步进电机驱动中，________越小，电机的分辨率越高，运行越平稳。

9.为了防止电压浪涌对电子设备的损害，通常在电源输入端并联________。

10.PLC的输入/输出响应延迟包括输入滤波时间、________和输出滤波时间。

11.某直流24V继电器线圈电阻为600Ω，则其消耗的功率为________W。

12.在工业网络中，RS-485标准允许在一条总线上连接最多________个收发器（标准负载下）。

13.电气控制线路中，熔断器的额定电流应________被保护电器的长时工作电流。

14.数据采集系统（DAQ）中，采样频率至少应为被测信号最高频率的________倍，才能还原原始信号（根据奈奎斯特采样定理）。

15.西门子G120变频器通过PROFINET与PLC通讯时，在TIAPortal软件中需要配置________报文。

四、判断题（本大题共15小题，每小题1分，共15分。正确的打“√”，错误的打“×”）

1.梯形图（LAD）程序中的能流（PowerFlow）是实际电流在PLC内部流动的物理现象。（）

2.交流接触器铁芯端面上安装短路环的目的是为了消除铁芯震动和噪声。（）

3.PLC的输出模块（如晶体管型）可以直接驱动交流电磁阀。（）

4.在闭环控制系统中，开环增益越大，系统的稳态误差越小，但稳定性变差。（）

5.二线制传感器是指传感器只需要两根线即可工作，这两根线既传输电源又传输信号。（）

6.EtherCAT协议采用了“飞拍”技术，使得数据帧在经过从站时被直接处理，极大提高了实时性。（）

7.热继电器在电路中只能作过载保护，不能作短路保护。（）

8.在PLC编程中，定时器（TON）的计时条件消失后，定时器的当前值会自动清零。（）

9.所有变频器都具备能量回馈功能，可以将电机发电制动产生的能量回馈电网。（）

10.屏蔽电缆的屏蔽层应两端接地，以获得最佳的屏蔽效果。（）

11.电气原理图中，所有电器的触点均按线圈未通电或不受外力作用时的原始状态画出。（）

12.SCADA系统中的历史数据库主要用于存储实时数据，不需要长期归档。（）

13.伺服电机的电子齿轮比设置越大，对于同样的脉冲输入，电机移动的距离越短。（）

14.在安全光幕的应用中，为了确保安全，其输出信号应连接到普通PLC的输入端即可。（）

15.冗余设计可以提高系统的可靠性，常见的冗余方式包括电源冗余、CPU冗余和通讯冗余。（）

五、简答题（本大题共6小题，每小题10分，共60分）

1.简述PLC（可编程逻辑控制器）与继电器控制系统的主要区别。

2.什么是“死区”效应？在PID控制中，为什么要引入死区设置？

3.在电气自动化控制系统设计中，硬件选型（如PLC、变频器、传感器）应遵循哪些基本原则？

4.简述RS-232、RS-422和RS-485三种串行通信接口在通信距离、通信速率和抗干扰能力方面的特点及区别。

5.某三相异步电动机在运行中突然出现单相故障（缺相），会产生什么后果？电路中应如何进行缺相保护？

6.简述PROFINETIO与PROFIBUSDP的主要技术差异。

六、综合分析与应用题（本大题共4小题，共85分）

1.（20分）液体自动混合系统控制设计

某化工车间有一个液体混合罐，内部装有搅拌电机M和电磁阀Y1、Y2、Y3。初始状态时罐内为空，液位传感器L、H分别检测低液位和高液位。系统控制要求如下：

(1)按下启动按钮SB1，电磁阀Y1打开，注入液体A，直到液位达到L（低液位）。

(2)液位达到L后，关闭Y1，同时打开电磁阀Y2，注入液体B。

(3)液位达到H（高液位）后，关闭Y2，启动搅拌电机M，开始搅拌，搅拌时间为10秒。

(4)搅拌结束后，打开电磁阀Y3放出混合液体，直到液位低于L，关闭Y3。

(5)系统回到步骤(1)，自动进行下一轮混合，直到按下停止按钮SB2，SB2应在当前循环结束后停止系统。

请设计该系统的PLCI/O分配表，并画出顺序功能图（SFC）或逻辑流程图。

2.（25分）变频恒压供水系统设计分析

某小区生活供水系统采用“一控三”变频恒压供水方案（即1台变频器控制3台水泵电机，根据管网压力自动切换水泵）。系统主要由PLC、变频器、压力变送器（0-10bar对应4-20mA）、接触器及3台电机组成。

(1)请画出该系统的主电路与控制电路原理框图（简要描述连接关系）。

(2)系统采用PID控制算法调节变频器输出频率以维持管网压力恒定。请说明压力变送器信号如何接入PLC，以及PLC的控制输出如何连接至变频器。

(3)若在运行过程中，管网压力突然大幅下降（如爆管），系统应如何响应？请设计一段相关的控制逻辑描述（包含故障检测与停机保护）。

(4)简述“休眠唤醒”功能在恒压供水中的作用及实现原理。

3.（20分）伺服电机位置控制编程与计算

某传送带定位系统采用伺服电机驱动，伺服驱动器设置为位置控制模式，接收PLC发出的脉冲+方向信号。已知：

伺服电机每转对应的机械位移为10mm（即丝杆螺距或滚轮周长对应关系）。

伺服驱动器电子齿轮比设为1:1（即无电子齿轮细分）。

编码器线数为2500ppr（每转脉冲数）。

PLC发送脉冲频率上限为200kHz。

请计算：

(1)若要求传送带移动距离为50mm，PLC需要发送多少个脉冲？

(2)若要求传送带移动速度为1m/s，PLC发送脉冲的频率应为多少kHz？

(3)若使用西门子S7-1200PLC的工艺对象（TO）进行控制，请简要描述在组态时需要设置的关键参数有哪些（至少列出3个）。

4.（20分）工业网络通讯故障诊断

某生产线基于PROFINET构建，包含1台S7-1500PLC（控制器）和5台远程I/O站（ET200SP）及2台G120变频器。系统运行一段时间后，出现间歇性通讯故障，导致PROFINET网络红灯闪烁，部分站点掉线。

请根据所学知识，分析可能造成该故障的原因（至少列出4点），并针对每一点提出相应的排查或解决措施。

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试卷答案及详细解析

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一、单项选择题

1.【答案】C

【解析】模拟量输入模块（AI）负责接收传感器或变送器传来的连续模拟信号（电压或电流），并将其转换为PLC可处理的数字量。

2.【答案】B

【解析】虽然Profinet速度快，但题目强调“距离较远（超过1000米）”且“最经济”。PROFIBUSDP使用RS-485物理层，在不加中继器时标准距离为100-1200米（取决于波特率），且成本低。MPI主要用于点对点或少量设备，距离有限。Profinet距离受网段限制（双绞线100米），长距离需光纤或交换机，成本较高。

3.【答案】B

【解析】热继电器利用电流的热效应原理工作。当电动机过载时，电流增大，双金属片受热弯曲推动机构动作，切断控制回路，实现过载保护。短路保护由熔断器或断路器提供。

4.【答案】C

【解析】交流伺服电机通常需要驱动器接收上位机（如PLC）发出的脉冲串（控制位置/速度）或通讯总线数据（如PROFIBUS/Profinet报文）来精确控制定子磁场相位和幅值。

5.【答案】C

【解析】积分项是对误差的累积。如果系统存在偏差，积分项会不断增加。当系统受到扰动或设定值突变时，积分项可能累积过大，导致控制输出饱和，从而引起系统在消除误差时产生较大的超调和长时间的振荡，即积分饱和现象。

6.【答案】B

【解析】线性比例关系。温度=(测量电压/满量程电压)量程范围=(5V/10V)100℃=50℃。

7.【答案】B

【解析】在大多数PLC（如西门子、三菱）中，如果同一个输出位在程序中被多次赋值（双线圈冲突），后面执行的梯级逻辑会覆盖前面的结果，即以最后一次赋值为准。这通常被视为编程错误，应避免。

8.【答案】B

【解析】ModbusRTU是串行通信协议，物理层通常基于EIARS-485标准（二线制，半双工），也可使用RS-232。ModbusTCP则是基于以太网的。

9.【答案】B

【解析】加速时间短意味着电机转速上升极快。根据感应电机原理，启动瞬间转差率大，电流很大。加速过快导致反电动势建立不足，电流会急剧增加，超过变频器或电机的额定电流，触发过流保护（O.C.）跳闸。

10.【答案】B

【解析】安全PLC为了达到高安全等级（如SIL3,PLe），通常采用冗余架构。即拥有两个独立的处理器（双通道），它们运行相同的程序，并通过比较器实时比对结果。如果结果不一致，系统将进入安全状态。

11.【答案】C

【解析】强电线路通断时会产生强烈的电磁干扰（EMI）。如果与弱电信号线混合或平行且无屏蔽，会通过电容耦合或电感耦合干扰信号。因此，必须分开布线，保持距离，或使用接地的金属隔板进行隔离。

12.【答案】B

【解析】增量式编码器的分辨率通常指每转一圈产生的脉冲数。1024线即代表转一圈输出1024个脉冲。若使用4倍频技术，则PLC计数为4096，但传感器本身输出是1024。

13.【答案】B

【解析】SCADA（数据采集与监视控制）系统中，I/OServer（或称驱动、通讯驱动程序）负责底层的协议解析，与PLC等硬件设备建立连接并交换数据。

14.【答案】A

【解析】星形连接时，相电压等于线电压的1/√3。三角形连接时，相电压等于线电压。因此，星接启动时，绕组承受的电压是三角接运行时的1/√3。

15.【答案】B

【解析】EtherCAT（以太网控制自动化技术）以其极快的刷新时间和优秀的同步性能著称，支持多种拓扑，且诊断功能强大。HTTP、TCP/IP、FTP是标准IT协议，实时性差。

16.【答案】C

【解析】电气比例阀或电磁换向阀是电-气转换的关键元件。电磁阀通过电磁线圈控制阀芯动作，从而控制气路的通断或流量。

17.【答案】B

【解析】IEC61131-3标准定义了5种编程语言：梯形图（LAD）、功能块图（FBD）、顺序功能图（SFC）、结构化文本（ST）、指令表（IL）。其中ST和IL属于文本化语言。

18.【答案】C

【解析】4-20mA电流信号具有“活零”特性（4mA代表零点），可以方便地检测断线故障（电流为0mA）。同时，电流信号在传输过程中不受线路电阻产生的电压降影响，适合长距离传输。

19.【答案】A

【解析】系统在阶跃输入下，如果输出震荡多次才稳定，说明系统的阻尼比过小，相对稳定性差，处于欠阻尼状态且接近不稳定边缘。

20.【答案】A

【解析】QS通常指电源隔离开关。QF为断路器，KM为接触器，K或KA为继电器，FU为熔断器。

二、多项选择题

1.【答案】ABCE

【解析】设计原则包括满足工艺、安全可靠、操作维护方便、性价比高。D选项“无需考虑扩展性”是错误的，工业系统必须预留扩展接口。

2.【答案】ABC

【解析】PLC存储器主要包括：系统存储区（存放系统数据、OB块等）、工作存储区（存放执行代码和实时数据）、装载存储区（存放用户程序副本、硬件组态等）。保持存储区通常归属于工作存储区中的特定区域或非易失性存储区，视具体定义，但ABC是核心分类。

3.【答案】ABCE

【解析】保护接地防触电，工作接地保运行，屏蔽接地抑干扰。D选项错误，模拟地和数字地通常应在电源入口处一点汇集，混接容易引起数字噪声干扰模拟信号。

4.【答案】ABC

【解析】变频器对电机的控制模式主要有V/f控制（开环，简单）、矢量控制（闭环或无传感器，高性能，控制转矩和磁通）、直接转矩控制（DTC，响应极快）。PID是控制算法，不是变频器内部电机控制模式。

5.【答案】ABCD

【解析】模拟量波动原因通常为外部干扰（接地、布线）、电源不稳、传感器故障或前端信号源问题。E选项PLC扫描周期主要影响控制滞后，不会直接导致AI读数本身跳变。

6.【答案】ABC

【解析】散热措施有风扇、通风孔、热交换器（用于密封柜体）。D选项加热器用于防潮（除湿），不是散热。E选项无散热措施会导致过热。

7.【答案】ABC

【解析】机器人控制系统包括控制器（大脑）、伺服驱动器（执行）、示教器（交互）。操作机是机械本体，不属于控制系统范畴（虽然受控）。I/O模块是控制器的组成部分或扩展。

8.【答案】ABCD

【解析】PROFIBUS,Modbus,CANopen,DeviceNet均为工业现场总线。Bluetooth是短距无线通信，非典型工业现场总线标准（虽有应用但非主流总线标准）。

9.【答案】ABCD

【解析】通讯失败原因涵盖物理层（线缆）、网络层（IP、站号）、应用层（协议匹配）、设备状态（PLC参数）。E选项PLC在STOP模式下，通常仍支持通讯（可以下载监控），除非通讯程序在循环扫描中且被挂起，但一般不是主要原因。更准确的E描述可能是“PLC通讯接口故障”。ABCD是主要排查点。

10.【答案】ABC

【解析】互锁主要包括：按钮机械互锁（防止同时按）、接触器电气互锁（防止主电路短路）、程序逻辑互锁（防止逻辑冲突）。限位互锁属于位置保护，急停属于紧急保护，不归类于常规正反转互锁。

三、填空题

1.【答案】2

【解析】耐压测试通常为2Un+1000V。

2.【答案】主

【解析】OB1是主循环组织块，PLC循环扫描执行OB1中的程序。

3.【答案】PNP

【解析】检测到物体输出高电平（正电源），未检测到输出低电平（0V），符合PNP型（源型）特征。

4.【答案】微分

【解析】PID即比例、积分、微分。

5.【答案】48

【解析】MAC地址由6个字节组成，即48位二进制。

6.【答案】载流量

【解析】导线截面积选择主要依据计算电流（载流量）和机械强度，有时也考虑电压降。

7.【答案】减压阀

【解析】气动三联件：分水滤气器（过滤）、减压阀（调压）、油雾器（润滑）。

8.【答案】步距角

【解析】步距角越小，每转步数越多，分辨率越高。

9.【答案】压敏电阻

【解析】压敏电阻（VDR）用于吸收浪涌电压。

10.【答案】程序执行时间

【解析】I/O延迟=输入滤波+程序扫描执行时间+输出滤波。

11.【答案】0.96

【解析】P=U^2/R=24^2/600=576/600=0.96W。

12.【答案】32

【解析】标准RS-485驱动器最多可驱动32个单位负载。

13.【答案】大于或等于（或略大于）

【解析】熔体额定电流应大于等于负载额定电流，且小于启动电流/系数。

14.【答案】2

【解析】奈奎斯特采样定理：fs>=2fmax。

15.【答案】PROFIdrive

【解析】西门子G120通过PROFINET通讯时，使用PROFIdate行规配置报文（如PZD,PKW）。

四、判断题

1.【答案】×

【解析】梯形图中的能流是虚拟的概念，用于形象化描述逻辑运算的结果，并非真实的物理电流。

2.【答案】√

【解析】短路环（分磁环）的作用是消除交流铁芯因过零点产生的震动和噪声。

3.【答案】×

【解析】晶体管输出模块通常只输出直流低压（如24VDC），不能直接驱动220VAC负载。需通过继电器或晶闸管隔离驱动。

4.【答案】√

【解析】开环增益增大，系统刚度增加，稳态误差减小，但会导致系统相对稳定性变差，易产生震荡。

5.【答案】√

【解析】二线制传感器利用4-20mA信号环路供电，两根线既是电源线也是信号线。

6.【答案】√

【解析】EtherCAT采用“飞拍”技术，数据帧经过从站时被读写处理，无需像传统以太网那样接收完整帧再处理，效率极高。

7.【答案】√

【解析】热继电器热惯性大，动作慢，适合过载；熔断器或断路器适合短路。

8.【答案】√

【解析】对于TON（接通延时定时器），当计时条件（输入位）变为0时，定时器复位，当前值清零，触点复位。

9.【答案】×

【解析】普通变频器不具备回馈功能，发电能量消耗在制动电阻上。只有具备回馈单元或四象限运行的变频器才能回馈能量。

10.【答案】×

【解析】低频电路中，屏蔽层通常单端接地以避免地环路干扰；高频电路或双绞线有时采用两端接地，但“所有”情况两端接地是错误的，尤其在工业低频模拟信号中。

11.【答案】√

【解析】电气原理图均按“常态”（未通电、未受力）绘制。

12.【答案】×

【解析】历史数据库用于存储历史趋势数据，必须具备长期归档功能，用于报表和事故追忆。

13.【答案】×

【解析】电子齿轮比=(电机转一圈所需脉冲/编码器线数)。若电子齿轮比设置越大（分子大），同样的脉冲输入，电机转的角度变小，移动距离变短。题目描述“电子齿轮比越大”通常指比例值越大，则距离越短。若理解为分子分母关系，需注意。一般电子齿轮比设大，相当于分母变小（即每脉冲距离变小）。题目表述“移动距离越短”是正确的。修正：电子齿轮比（分子/分母）越大，意味着每脉冲对应的机械位移量越小，因此移动距离越短。故判定为√。重新审视：通常定义电子齿轮比=编码器分辨率/每转指令脉冲数。如果这个比值大，说明指令脉冲少，移动距离长？这里容易混淆。通俗理解：如果设置“每转所需脉冲数”变大（即分母变大），则电子齿轮比数值变小。题目说“电子齿轮比设置越大”，通常指“每转所需脉冲数”参数设得越大，这样同样的脉冲走的距离越短。所以判定为√。

14.【答案】×

【解析】安全光幕用于人身保护，其信号必须接入安全继电器或安全PLC的安全输入模块，不能接入普通PLC，因为普通PLC可能失效或扫描慢导致不安全。

15.【答案】√

【解析】冗余设计（热备）是提高系统可靠性的重要手段。

五、简答题

1.【答案】

PLC与继电器控制系统的区别：

(1)控制逻辑：继电器采用硬接线逻辑，功能固定，修改困难；PLC采用存储逻辑（程序），修改灵活方便。

(2)工作方式：继电器是并行工作（通电后所有线圈同时竞争）；PLC是串行循环扫描工作（CPU按顺序执行指令）。

(3)控制速度：继电器依靠机械触点，动作慢（毫秒级）；PLC由微电子电路控制，速度极快（微秒级）。

(4)可靠性与维护：继电器触点多，机械磨损和电弧烧蚀，寿命短，故障率高；PLC无触点，寿命长，且有自诊断功能，维护方便。

(5)功能范围：继电器仅能进行逻辑和定时计数等简单控制；PLC具有强大的数据处理、通讯、运动控制等高级功能。

2.【答案】

(1)死区效应：指在控制系统中，当误差的绝对值小于某个设定的阈值（死区宽度）时，控制器认为误差可以忽略，输出保持不变或保持在上一次的值，不进行调节。

(2)引入死区的原因：

避免频繁动作：在误差极小（在允许范围内）时，如果不设死区，控制器会持续微调输出，导致执行机构（如调节阀、变频器）频繁动作，增加机械磨损和设备疲劳。

消除震荡：对于存在小幅测量噪声或系统固有小幅波动的场合，死区可以滤除这些噪声引起的无效调节，使系统输出更平稳。

3.【答案】

硬件选型基本原则：

(1)满足工艺要求：设备的性能指标（如精度、速度、负载能力）必须满足生产工艺的最大需求。

(2)可靠性：优先选用技术成熟、经过市场验证的品牌和型号，确保系统长期稳定运行。

(3)经济性：在满足性能的前提下，考虑性价比，控制成本。

(4)适应性：设备需适应现场环境（如温度、湿度、粉尘、防护等级IP等级）。

(5)扩展性：考虑未来产能扩大或功能增加，预留I/O点数、通讯接口或内存空间。

(6)兼容性：确保PLC、变频器、HMI、传感器等设备之间的通讯协议和信号类型相互兼容。

4.【答案】

(1)RS-232：

特点：点对点通信，全双工。

距离：一般不超过15米。

速率：较低（通常<20kbps）。

抗干扰：共模电压抑制能力差，使用单端信号，易受干扰。

(2)RS-422：

特点：点对多点（1主10从），全双工，平衡差分传输。

距离：可达1200米。

速率：较高（可达10Mbps以上，距离越远速率越低）。

抗干扰：强，使用差分信号。

(3)RS-485：

特点：多点总线（主从结构），半双工，平衡差分传输。

距离：可达1200米。

速率：高。

抗干扰：强，工业现场最常用，支持多机联网（32节点）。

5.【答案】

(1)后果：三相异步电机运行中缺相，剩余两相电流急剧增大（约为正常电流的1.732倍），且伴有嗡嗡声，电机转速下降。若长时间运行，绕组会因过热而烧毁。

(2)保护措施：

带断相保护的热继电器：选用具有差动结构的热继电器，当三相电流不平衡率达到一定值时动作。

电子式电机保护器：实时监测三相电流，断相时迅速切断电源。

熔断器配合：虽然熔断器主要做短路保护，但在合理选配下对缺相也有一定保护作用（不过响应较慢）。

PLC软件检测：通过电流互感器采集三相电流，在程序中比较三相电流差值，超过阈值则报警停机。

6.【答案】

PROFINETIO与PROFIBUSDP的主要差异：

(1)通信介质与速度：PROFIBUSDP基于RS-485，最高速率12Mbps；PROFINET基于以太网（100Mbps/1Gbps），速度快得多。

(2)拓扑结构：PROFIBUSDP为线型总线结构，两头需终端电阻；PROFINET支持星型、树型、线型及混合拓扑，灵活性高。

(3)诊断能力：PROFINET具有更强大的网络诊断功能，能精确定位到具体的端口或设备故障，支持Web服务器访问；PROFIBUS诊断相对简单。

(4)实时性机制：PROFINET使用RT（实时）和IRT（等时同步）通道，利用交换机技术保证实时性；PROFIBUS依赖令牌轮询。

(5)数据传输：PROFINET数据帧基于标准以太网帧，数据吞吐量大；PROFIBUS报文有严格的字节限制。

六、综合分析与应用题

1.【答案】

(1)I/O分配表：

|符号|地址|功能描述|类型|

|:--|:--|:--|:--|

|SB1|I0.0|启动按钮|Input|

|SB2|I0.1|停止按钮|Input|

|L|I0.2|低液位传感器|Input|

|H|I0.3|高液位传感器|Input|

|Y1|Q0.0|液体A电磁阀|Output|

|Y2|Q0.1|液体B电磁阀|Output|

|Y3|Q0.2|排放电磁阀|Output|

|M|Q0.3|搅拌电机接触器|Output|

|T1|TON|搅拌定时器|Timer|

(2)顺序功能图（SFC）描述：

初始步（S0）：系统复位，所有阀门关闭，电机停止。

步1（S1）：按下SB1且当前为空（非L）->打开Y1。

转换条件1：L信号接通。

步2（S2）：关闭Y1，打开Y2。

转换条件2：H信号接通。

步3（S3）：关闭Y2，启动M，启动定时器T1（设定10s）。

转换条件3：T1计时完成。

步4（S4）：停止M，打开Y3。

转换条件4：L信号断开（液位低于低限）。

步5（S5）：关闭Y3。

转换条件5：检查SB2状态。若SB2未按下->跳转回S1（自动循环）；若SB2按下->跳转回S0（停止）。

2.【答案】

(1)主/控电路框图描述：

主电路：三相电源->断路器QF->接触器KM1/KM2/KM3（分别控制3台电机）->变频器（注意：一控三方案中，变频器输出端通过接触器切换到不同的电机，严禁在变频器运行时切换输出接触器）。或者更常见的是：变频器只负责调速，多台水泵通过工频/变频切换。

控制电路：PLC数字量输出端->接触器线圈（KM1,KM2...）。PLC模拟量输出端（AO）->变频器频率给定端（如AI1）。压力变送器->PLC模拟量输入端（AI）。

(2)信号连接：

压力变送器（4-20mA）串联接入PLC模拟量输入模块通道（如AIW0）。

PLC经过P