工業(yè)控制機(jī)及應(yīng)用習(xí)題解答

工業(yè)控制機(jī)及應(yīng)用習(xí)題解答第一章 工業(yè)控制機(jī)概述問題 1 什么是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)？有哪些部分組成？用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱控制機(jī)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)一大門類，具有重要的計(jì)算機(jī)屬性和特征，如具有計(jì)算機(jī) 、外圍、外設(shè)及接口，具有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，控制網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議，計(jì)算能力，系統(tǒng)軟件，工具軟件，應(yīng)用軟件和人機(jī)界面，采用總線結(jié)構(gòu)等。工控機(jī)系統(tǒng)一般是指對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程及其機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行檢測(cè)與控制的自動(dòng)化技術(shù)工具的總稱?？刂茩C(jī)由計(jì)算機(jī)和過程輸入輸出（ I/O）通過兩大部分組成。工控系統(tǒng)(包括硬件、軟件)，不包括傳感器、檢測(cè)儀表和執(zhí)行器。問題 2 工控機(jī)的特點(diǎn)有哪些？1）實(shí)時(shí)性。工控機(jī)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)與控制，對(duì)工況變化給予快速響應(yīng)，及時(shí)進(jìn)行采集和輸出調(diào)節(jié)（把各種操作分成不同的優(yōu)先級(jí)處理，這與通用機(jī)不同），保證被控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。2） 可靠性。工控機(jī)具有在粉塵、高溫、潮濕、振動(dòng)、（酸、堿）腐蝕和電磁干擾等的工業(yè)環(huán)境、長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)可靠工作的能力。能夠抗工業(yè)電網(wǎng)的浪涌、跌落和尖峰干擾等。并具備良好的故障診斷和可維護(hù)性，以保障及時(shí)發(fā)現(xiàn)和維修。對(duì)可靠性最有效的測(cè)試主要為：沖擊、振動(dòng)、打耐壓、強(qiáng)磁場(chǎng)、高低溫存貯和循環(huán)、瞬時(shí)過壓干擾、板級(jí)更換時(shí)間等。3 ） 輸入/輸出能力。工控機(jī)具有很強(qiáng)的輸入/輸出功能，與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種檢測(cè)儀表和控制裝置，如：傳感器、變送器、執(zhí)行器、報(bào)警器、顯示器等相連接，以完成各種測(cè)量控制任務(wù)。4 ） 各種應(yīng)用軟件大多數(shù)工控機(jī)以 windows 作工作平臺(tái)，支持多種高級(jí)語(yǔ)言編程，支持實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。應(yīng)用軟件極為豐富，特別是組態(tài)軟件更為用戶提供方便。問題 3 控制機(jī)與一般通用計(jì)算機(jī)相比較有何特點(diǎn)？1）具有較完善的過程通道 ，便于將各種形式的信息變換, 并完成檢測(cè)數(shù)據(jù)輸入 和控制信息輸出。 2 ）要有比較完善的中段系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)通道，以使其能迅速響應(yīng)生產(chǎn)過程發(fā)出的中段請(qǐng)求，并能與生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)交換信息。 3 ）具有高可靠性。 工業(yè)生產(chǎn)常常是連續(xù)（晝夜）生產(chǎn)，這就要求控制計(jì)算機(jī)具有高度可靠性。不能中途停機(jī)，不能發(fā)生故障。目前的計(jì)算機(jī)都能作到幾千小時(shí)不出一次故障。就是出了故障由于檢查故障程序比較完善也能在幾分鐘之內(nèi)修復(fù)。 4） 具有人機(jī)聯(lián)系功能，以便實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，及時(shí)地對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行必要的干預(yù)。生產(chǎn)過程常常會(huì)發(fā)生意外事故，或生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)問題，控制失靈等，都需要人工停止計(jì)算機(jī)控制，或發(fā)現(xiàn)控制發(fā)生偏差，人工可修正控制。 5 ） 具有能正確反映生產(chǎn)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，其數(shù)學(xué)模型只能近似反映出生產(chǎn)規(guī)律，其近似誤差愈小，或者說近似程度愈接近，就愈容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程最佳控制，達(dá)到增加產(chǎn)量提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低消耗、降低成本的目的。因此，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制以后，要不斷的改善、修正數(shù)學(xué)模型，提高數(shù)學(xué)模型近似程度是一項(xiàng)不可缺少的工作。 6 ）具有適于控制用的軟件系統(tǒng)。包括操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，用以提高控制質(zhì)量，如適用于生產(chǎn)在線控制的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) ，各種過程輸入/輸出通道的中斷處理程序，過程 I/O 數(shù)據(jù)傳輸過程出現(xiàn)錯(cuò)誤的處理程序和實(shí)現(xiàn)過程控制應(yīng)用程序。 問題 4 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程的各種生產(chǎn)設(shè)備必須什么條件？ 1） 具有能接受控制機(jī)（過程輸入/輸出通道）送來的控制信息，并對(duì)生產(chǎn)設(shè)備行使控制的控制器或稱控制部件。如是直流電機(jī)，常采用可控硅控制器，解接受控制器送來的控制信號(hào)控制電機(jī)的起、停和快慢。有的是用常規(guī)控制儀表（PID 儀表） ，由計(jì)算機(jī)給 PID儀表設(shè)定或修正調(diào)正值，由 PID 儀表按給定的調(diào)正值行使控制。 2 ） 能有檢測(cè)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的一次儀表（部件）或二次轉(zhuǎn)換儀表部件。檢測(cè)儀表輸出信息能被控制機(jī)過程輸入/輸出通道所接受的模擬量和數(shù)字量。 3 ）能有反映生產(chǎn)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。 這是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)的三個(gè)前提條件，只有具備這三個(gè)條件才談得上計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制生產(chǎn)過程。問題 5 工控機(jī)主要應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？工控機(jī)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、提高工業(yè)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要工具。 工控機(jī)主要應(yīng)用于單機(jī)自動(dòng)化、過程控制、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。 1 ）單機(jī)自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、數(shù)顯機(jī)床、電子量具量?jī)x、鍛壓機(jī)械、焊接設(shè)備、智能儀器儀表、工業(yè)機(jī)器人、汽車電子化、電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)、電子化低壓電器、電機(jī)電氣化傳動(dòng)裝置、工程機(jī)械、農(nóng)牧機(jī)械、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、信息控制機(jī)、軍事裝置等。還有電子化家用電器、照相機(jī)、醫(yī)療器械等。2 ）過程控制主要用于連續(xù)化、流程化的生產(chǎn)過程中：化工、冶金、電力等。3 ）制造自動(dòng)化主要用于離散加工控制的生產(chǎn)過程中，如：機(jī)械、電子、汽車等。4 ）樓宇自動(dòng)化主要用于集中空調(diào)、冷凍站、熱交換站、變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)。電梯系統(tǒng)、車庫(kù)管理系統(tǒng)、保安防盜系統(tǒng)、消防廣播系統(tǒng)等。問題 6、談?wù)劰た赜?jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì)。(1) 從人圍著計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)，發(fā)展為計(jì)算機(jī)圍著人轉(zhuǎn)；(2) 從計(jì)算機(jī)具有聯(lián)網(wǎng)功能，發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)具有計(jì)算機(jī)功(3) 從源于符號(hào)獲取信息，發(fā)展為源于信息獲取知識(shí)；(4) 從人應(yīng)用計(jì)算機(jī)增長(zhǎng)了知識(shí)，發(fā)展為計(jì)算機(jī)在被人使用的同時(shí)也優(yōu)化了功能；(5) 多通道控制模式：語(yǔ)言、動(dòng)作；(6) 計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)；(7) 智能體概念（Agent）：它代表擬人的智能實(shí)體，具有類似于人的特性和能力，如自律性、主動(dòng)性、敏感性、反應(yīng)性、機(jī)動(dòng)性、社團(tuán)性。問題 7 綜合自動(dòng)化的內(nèi)容是什么？綜合自動(dòng)化包括 CIMS （ Computer Integrated Manufacturing System ， 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)） 和 CIPS（Computer Integrated Processing System，計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)），是過程工業(yè)中的 CIMS。CIMS 是基于制造技術(shù)（使用數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等加工）、信息技術(shù)、管理技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)的一門發(fā)展中的綜合性技術(shù)。它的最大特點(diǎn)是多種技術(shù)的“綜合”與全企業(yè)信息的“集成”，它是信息時(shí)代企業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的總方向。CIPS 其關(guān)鍵技術(shù)包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、各種接口技術(shù)、過程操作優(yōu)化技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)、軟測(cè)量技術(shù)、生產(chǎn)過程的安全保護(hù)技術(shù)等。管控一體化、工業(yè)企業(yè)信息化、基于網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化、IT 與自動(dòng)化的目標(biāo)即將成為現(xiàn)實(shí)。第二章 工業(yè)控制機(jī)體系結(jié)構(gòu)問題 1 微機(jī)端口就是微機(jī)接口嗎？不是，微機(jī)接口英文是 Interface，是 CPU 和輸入輸出設(shè)備之間進(jìn)行連接、溝通的部件，它包含設(shè)備之間信號(hào)交換和電氣聯(lián)接的一系列標(biāo)準(zhǔn)，如 IDE 接口、SCSI 接口、USB 接口、串行接口。而微機(jī)端口英文是 Port，是指接口電路中能被 CPU 直接訪問的寄存器或某些特定的連接器，如數(shù)據(jù)端口、地址端口、狀態(tài)端口、控制端口等。另外，我們常說的串行端口是指 9 針或 25 針的串行接口連接器。問題 2 微機(jī)接口其實(shí)就是用于 CPU 和外設(shè)之間進(jìn)行信息交換的硬件電路。錯(cuò)，微機(jī)接口是用于 CPU 和外設(shè)之間進(jìn)行信息交換的各種電路及其軟件。微機(jī)系統(tǒng)是硬件和軟件技術(shù)的結(jié)合，硬件是實(shí)現(xiàn)各種計(jì)算機(jī)功能的基礎(chǔ)，軟件則是實(shí)現(xiàn)這些功能的手段和方法，缺一不可。問題 3 微機(jī)系統(tǒng)為什么要用接口？微機(jī)是以 CPU 為核心，通過 CPU 來控制各種外設(shè)進(jìn)行工作的，CPU 的處理能力要通過外設(shè)才能展現(xiàn)出來，這就涉及到 CPU 如何識(shí)別外設(shè)、如何向外設(shè)發(fā)指令以及外設(shè)如何向 CPU 發(fā)送數(shù)據(jù)的問題。由于外設(shè)的多樣性和復(fù)雜性，直接相連根本無法工作，一定要進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號(hào)的必要轉(zhuǎn)換。這種數(shù)據(jù)和信號(hào)的轉(zhuǎn)換又叫“匹配” 。微機(jī)接口就是起到這個(gè)轉(zhuǎn)換的作用。速率匹配：解決 CPU 與外設(shè)之間傳輸速率不一致的問題； 時(shí)序匹配：解決 CPU 與外設(shè)之間時(shí)鐘信號(hào)不一致的問題； 信息匹配：解決 CPU 與外設(shè)之間信息格式不一致的問題；電平匹配：解決 CPU 與外設(shè)之間信號(hào)電平不一致的問題；數(shù)模匹配：解決 CPU 與模擬外設(shè)之間信號(hào)不一致的問題。問題 4 為什么要采用中斷方式？CPU 要與很多外設(shè)進(jìn)行聯(lián)系，但同一時(shí)間只能與其中一種設(shè)備通信。按照我們的工作思維，可以有兩種方法來實(shí)現(xiàn) CPU 與外設(shè)的聯(lián)系。第一種方法：CPU 將外設(shè)進(jìn)行編號(hào)，一個(gè)一個(gè)輪詢，當(dāng)發(fā)現(xiàn)輪詢到的設(shè)備需要 CPU處理一些請(qǐng)求時(shí)，CPU 即時(shí)進(jìn)行處理，處理完后又接著繼續(xù)輪詢，就這樣不斷地重復(fù)工作。這就是所謂的查詢方式。第二種方法：CPU 不是一個(gè)一個(gè)輪詢，而是等待外設(shè)主動(dòng)發(fā)送工作請(qǐng)求。一旦發(fā)現(xiàn)有外設(shè)請(qǐng)求，即響應(yīng)并處理該請(qǐng)求，處理完后又繼續(xù)處在等待狀態(tài)。如果同時(shí)有多個(gè)請(qǐng)求，則按順序或輕重緩急一個(gè)一個(gè)進(jìn)行處理。如果正在處理某一外設(shè)請(qǐng)求過程中，又有更重要的外設(shè)請(qǐng)求處理，那么 CPU 可以先處理此緊急的請(qǐng)求，處理完后再接著處理前一個(gè)未處理完的外設(shè)請(qǐng)求。這就是所謂的中斷方式?？梢韵胂?，當(dāng)外設(shè)比較多的時(shí)候，采用第一種方式一個(gè)一個(gè)輪詢，可能會(huì)比較費(fèi)時(shí)間，如果有設(shè)備要求比較急的時(shí)候便會(huì)得不到及時(shí)的處理。實(shí)時(shí)性差是它的一大缺點(diǎn)。而第二種方式是“有求必應(yīng)” ，正好可以克服這個(gè)缺點(diǎn)，也更符合人類的工作習(xí)慣。問題 5 為什么要采用 DMA 方式？DMA 方式把 I/O 操作過程中外設(shè)與內(nèi)存交換信息的控制權(quán)從 CPU 交給了 DMA 控制器，實(shí)質(zhì)上是在硬件控制下而不是 CPU 軟件的控制下完成數(shù)據(jù)的傳輸，所以可以大大提高傳輸速率，這對(duì)大批量數(shù)據(jù)的高速傳送特別有用。而中斷方式在傳送大批量數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)因?yàn)橐獙?duì)中斷進(jìn)行各種保護(hù)處理而使處理效率效率大大降低。問題 6 CPU 工作電壓為什么越來越低？根本目的是為了提高 CPU 的工作穩(wěn)定性和可靠性。CPU 的集成度越來越大，一個(gè)芯片已經(jīng)可以包含上千萬(wàn)的晶體管，發(fā)熱成了 CPU 繼續(xù)發(fā)展的大問題。工作電壓越小，CPU的耗電就越小，發(fā)熱也就越少，通過散熱風(fēng)扇和散熱片的使用，使 CPU 的溫度保持在一個(gè) CPU 可正常工作的范圍。否則，如果工作電壓高，發(fā)熱就多，則容易造成 CPU 的晶體管不能正常工作，嚴(yán)重的甚至可能燒壞 CPU，CPU 工作電壓已經(jīng)降到最低為 1.3V。問題 7 CPU 外頻、主頻和倍頻有什么聯(lián)系？外頻是指系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，即系統(tǒng)總線頻率。主頻是 CPU 運(yùn)算時(shí)的工作頻率。倍頻是指CPU 外頻與主頻相差的倍數(shù)。主頻、外頻和倍頻三者的關(guān)系是：主頻=外頻倍頻。問題 8 CPU 為什么有三種工作模式？現(xiàn)在的 CPU 有三種工作模式是為了兼容以前的微機(jī)軟件和硬件而形成的。保護(hù)模式是為了發(fā)揮 CPU 的高性能和為了提高系統(tǒng)的安全性而提出的，是目前最常用的工作模式。實(shí)模式是為了兼容 I8086 系列的微機(jī)系統(tǒng)軟件而提出的，使用此模式可以執(zhí)行以前的一些應(yīng)用程序。虛擬實(shí)模式則是 WINDOWS 32 位操作環(huán)境能夠保持向后兼容的關(guān)鍵。Windows 2000以后已不提供實(shí)模式，只有虛擬實(shí)模式，即在 32 位保護(hù)模式中運(yùn)行的虛擬的 16 位環(huán)境。當(dāng)您運(yùn)行 WINDOWS 中的 DOS 程序時(shí)，您就啟動(dòng)了一個(gè)虛擬實(shí)模式過程。因?yàn)楸Ｗo(hù)模式允許真正的多任務(wù)，所以可以啟動(dòng)多個(gè)實(shí)模式過程，每一個(gè)上面運(yùn)行的 16 位軟件都相當(dāng)于運(yùn)行在一臺(tái)虛擬的 PC 上。在運(yùn)行 16 位軟件的同時(shí)，也允許運(yùn)行 32 位的應(yīng)用程序。問題 9 CPU 的工作原理是怎樣的？什么是 CPU 總線？從存儲(chǔ)單元讀取數(shù)據(jù)（程序指令） ，交由控制單元進(jìn)行調(diào)度分配，然后傳送到邏輯運(yùn)算單元處理，再將處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)單元，最后交由應(yīng)用程序使用。CPU 總線，又稱為 FSB（前端總線，F(xiàn)ront Side Bus） ，是 PC 系統(tǒng)中最快的總線，也是芯片組與主板的核心。這條總線主要由 CPU 使用，用來與高速緩存、主存和北橋（或 MCH）之間傳送信息。目前可看到的 PC 系統(tǒng)中使用的 CPU 總線工作頻率為 66、100、133 或 200MHz，寬度為 64 位（8 字節(jié)） 。第三章 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)總線問題 1 總線的概念總線是連接計(jì)算機(jī)有關(guān)部件的一組信號(hào)線，是計(jì)算機(jī)中用來傳送信息代碼的公共通道。面向總線的結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造； 大大減少了連線數(shù)目，便于布線，減小體積，提高系統(tǒng)的可靠性； 便于接口設(shè)計(jì)，所有與總線連接的設(shè)備均采用類似的接口； 便于系統(tǒng)的擴(kuò)充、更新與靈活配置，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化； 便于設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)，所有接口的軟件就是對(duì)不同的口地址進(jìn)行操作； 便于故障診斷和維修，同時(shí)也降低了成本。總線的邏輯電路有些是三態(tài)的，即輸出電平有三種狀態(tài)：邏輯“0” ，邏輯“1”和“高阻”態(tài)。問題 2 什么是 I/O 總線？I/O 總線是用于擴(kuò)展插卡與 CPU 通信的總線，主要有 7 種類型：PC/XT 總線、ISA總線、EISA 總線、MCA 總線、VL 局域總線、PCI 總線、AGP 總線。問題 3 什么是連接器總線？連接器總線指的是通過 I/O 總線連接 CPU 和外設(shè)的那些總線，包括串行總線 RS-232、并行總線 IEEE-1284、USB 總線、IDE 總線、SCSI 總線和 IEEE-1394 總線等。問題 4 什么叫 USB 主機(jī)？什么叫 USB 設(shè)備？在任一 USB 系統(tǒng)中都有且只有一個(gè)主機(jī)（主控制器） 。到主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 USB 接口被稱作主控制器。主控制器可采用硬件、固件或軟件相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)。根 Hub 集成在主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，向上與主總線（如 PCI 總線）相連，向下可提供一或多個(gè)連接點(diǎn)。 USB 設(shè)備分為 HUB（集線器）和 Function（功能）兩大類。Hub 提供到 USB 的附加連接點(diǎn)，功能為主機(jī)系統(tǒng)提供附加的性能，如 ISDN 連接、數(shù)字操縱桿或揚(yáng)聲器等。問題 5 總線的分類總線可以按其功能、性能和級(jí)別分類。1）按傳輸信號(hào)的性質(zhì)分類總線按其信號(hào)線上傳輸?shù)男畔⑿再|(zhì)可分為三組： 數(shù)據(jù)總線，一般情況下是雙向總線； 地址總線，單向