工業(yè)控制機及應用習題解答

工業(yè)控制機及應用習題解答第一章 工業(yè)控制機概述問題 1 什么是工業(yè)控制計算機？有哪些部分組成？用于工業(yè)控制的計算機稱為工業(yè)控制計算機，簡稱控制機。工業(yè)控制計算機是計算機一大門類，具有重要的計算機屬性和特征，如具有計算機 、外圍、外設及接口，具有實時操作系統(tǒng)，控制網(wǎng)絡及協(xié)議，計算能力，系統(tǒng)軟件，工具軟件，應用軟件和人機界面，采用總線結構等。工控機系統(tǒng)一般是指對工業(yè)生產(chǎn)過程及其機電設備、工藝裝備進行檢測與控制的自動化技術工具的總稱。控制機由計算機和過程輸入輸出（ 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、檢測儀表和執(zhí)行器。問題 2 工控機的特點有哪些？1）實時性。工控機對工業(yè)生產(chǎn)過程進行實時在線檢測與控制，對工況變化給予快速響應，及時進行采集和輸出調(diào)節(jié)（把各種操作分成不同的優(yōu)先級處理，這與通用機不同），保證被控系統(tǒng)的正常運行。2） 可靠性。工控機具有在粉塵、高溫、潮濕、振動、（酸、堿）腐蝕和電磁干擾等的工業(yè)環(huán)境、長時間、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性，以保障及時發(fā)現(xiàn)和維修。對可靠性最有效的測試主要為：沖擊、振動、打耐壓、強磁場、高低溫存貯和循環(huán)、瞬時過壓干擾、板級更換時間等。3 ） 輸入/輸出能力。工控機具有很強的輸入/輸出功能，與工業(yè)現(xiàn)場的各種檢測儀表和控制裝置，如：傳感器、變送器、執(zhí)行器、報警器、顯示器等相連接，以完成各種測量控制任務。4 ） 各種應用軟件大多數(shù)工控機以 windows 作工作平臺，支持多種高級語言編程，支持實時多任務操作系統(tǒng)。應用軟件極為豐富，特別是組態(tài)軟件更為用戶提供方便。問題 3 控制機與一般通用計算機相比較有何特點？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，以使其能迅速響應生產(chǎn)過程發(fā)出的中段請求，并能與生產(chǎn)過程實時交換信息。 3 ）具有高可靠性。 工業(yè)生產(chǎn)常常是連續(xù)（晝夜）生產(chǎn)，這就要求控制計算機具有高度可靠性。不能中途停機，不能發(fā)生故障。目前的計算機都能作到幾千小時不出一次故障。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。 4） 具有人機聯(lián)系功能，以便實現(xiàn)人機對話，及時地對生產(chǎn)過程進行必要的干預。生產(chǎn)過程常常會發(fā)生意外事故，或生產(chǎn)設備出現(xiàn)問題，控制失靈等，都需要人工停止計算機控制，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)學模型，其數(shù)學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，就愈容易實現(xiàn)生產(chǎn)過程最佳控制，達到增加產(chǎn)量提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低消耗、降低成本的目的。因此，實現(xiàn)計算機控制以后，要不斷的改善、修正數(shù)學模型，提高數(shù)學模型近似程度是一項不可缺少的工作。 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)在線控制的實時操作系統(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)錯誤的處理程序和實現(xiàn)過程控制應用程序。 問題 4 現(xiàn)場生產(chǎn)過程的各種生產(chǎn)設備必須什么條件？ 1） 具有能接受控制機（過程輸入/輸出通道）送來的控制信息，并對生產(chǎn)設備行使控制的控制器或稱控制部件。如是直流電機，常采用可控硅控制器，解接受控制器送來的控制信號控制電機的起、停和快慢。有的是用常規(guī)控制儀表（PID 儀表） ，由計算機給 PID儀表設定或修正調(diào)正值，由 PID 儀表按給定的調(diào)正值行使控制。 2 ） 能有檢測生產(chǎn)設備的運行狀態(tài)的一次儀表（部件）或二次轉換儀表部件。檢測儀表輸出信息能被控制機過程輸入/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)學模型。 這是實現(xiàn)計算機控制生產(chǎn)的三個前提條件，只有具備這三個條件才談得上計算機自動控制生產(chǎn)過程。問題 5 工控機主要應用在哪些領域？工控機是計算機技術與自動控制技術結合的產(chǎn)物，是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、提高工業(yè)企業(yè)經(jīng)濟效益的重要工具。 工控機主要應用于單機自動化、過程控制、制造自動化、樓宇自動化等領域。 1 ）單機自動化數(shù)控機床、數(shù)顯機床、電子量具量儀、鍛壓機械、焊接設備、智能儀器儀表、工業(yè)機器人、汽車電子化、電站自動化控制系統(tǒng)、電子化低壓電器、電機電氣化傳動裝置、工程機械、農(nóng)牧機械、輕工機械、紡織機械、信息控制機、軍事裝置等。還有電子化家用電器、照相機、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 ）制造自動化主要用于離散加工控制的生產(chǎn)過程中，如：機械、電子、汽車等。4 ）樓宇自動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)、車庫管理系統(tǒng)、保安防盜系統(tǒng)、消防廣播系統(tǒng)等。問題 6、談談工控計算機發(fā)展趨勢。(1) 從人圍著計算機轉，發(fā)展為計算機圍著人轉；(2) 從計算機具有聯(lián)網(wǎng)功能，發(fā)展為網(wǎng)絡具有計算機功(3) 從源于符號獲取信息，發(fā)展為源于信息獲取知識；(4) 從人應用計算機增長了知識，發(fā)展為計算機在被人使用的同時也優(yōu)化了功能；(5) 多通道控制模式：語言、動作；(6) 計算機仿真與虛擬現(xiàn)實；(7) 智能體概念（Agent）：它代表擬人的智能實體，具有類似于人的特性和能力，如自律性、主動性、敏感性、反應性、機動性、社團性。問題 7 綜合自動化的內(nèi)容是什么？綜合自動化包括 CIMS （ Computer Integrated Manufacturing System ， 計算機集成制造系統(tǒng)） 和 CIPS（Computer Integrated Processing System，計算機集成過程系統(tǒng)），是過程工業(yè)中的 CIMS。CIMS 是基于制造技術（使用數(shù)控機床、機器人等加工）、信息技術、管理技術、自動化技術、系統(tǒng)工程技術的一門發(fā)展中的綜合性技術。它的最大特點是多種技術的“綜合”與全企業(yè)信息的“集成”，它是信息時代企業(yè)自動化發(fā)展的總方向。CIPS 其關鍵技術包括計算機網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、各種接口技術、過程操作優(yōu)化技術、先進控制技術、軟測量技術、生產(chǎn)過程的安全保護技術等。管控一體化、工業(yè)企業(yè)信息化、基于網(wǎng)絡的自動化、IT 與自動化的目標即將成為現(xiàn)實。第二章 工業(yè)控制機體系結構問題 1 微機端口就是微機接口嗎？不是，微機接口英文是 Interface，是 CPU 和輸入輸出設備之間進行連接、溝通的部件，它包含設備之間信號交換和電氣聯(lián)接的一系列標準，如 IDE 接口、SCSI 接口、USB 接口、串行接口。而微機端口英文是 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 微機接口其實就是用于 CPU 和外設之間進行信息交換的硬件電路。錯，微機接口是用于 CPU 和外設之間進行信息交換的各種電路及其軟件。微機系統(tǒng)是硬件和軟件技術的結合，硬件是實現(xiàn)各種計算機功能的基礎，軟件則是實現(xiàn)這些功能的手段和方法，缺一不可。問題 3 微機系統(tǒng)為什么要用接口？微機是以 CPU 為核心，通過 CPU 來控制各種外設進行工作的，CPU 的處理能力要通過外設才能展現(xiàn)出來，這就涉及到 CPU 如何識別外設、如何向外設發(fā)指令以及外設如何向 CPU 發(fā)送數(shù)據(jù)的問題。由于外設的多樣性和復雜性，直接相連根本無法工作，一定要進行數(shù)據(jù)和信號的必要轉換。這種數(shù)據(jù)和信號的轉換又叫“匹配” 。微機接口就是起到這個轉換的作用。速率匹配：解決 CPU 與外設之間傳輸速率不一致的問題； 時序匹配：解決 CPU 與外設之間時鐘信號不一致的問題； 信息匹配：解決 CPU 與外設之間信息格式不一致的問題；電平匹配：解決 CPU 與外設之間信號電平不一致的問題；數(shù)模匹配：解決 CPU 與模擬外設之間信號不一致的問題。問題 4 為什么要采用中斷方式？CPU 要與很多外設進行聯(lián)系，但同一時間只能與其中一種設備通信。按照我們的工作思維，可以有兩種方法來實現(xiàn) CPU 與外設的聯(lián)系。第一種方法：CPU 將外設進行編號，一個一個輪詢，當發(fā)現(xiàn)輪詢到的設備需要 CPU處理一些請求時，CPU 即時進行處理，處理完后又接著繼續(xù)輪詢，就這樣不斷地重復工作。這就是所謂的查詢方式。第二種方法：CPU 不是一個一個輪詢，而是等待外設主動發(fā)送工作請求。一旦發(fā)現(xiàn)有外設請求，即響應并處理該請求，處理完后又繼續(xù)處在等待狀態(tài)。如果同時有多個請求，則按順序或輕重緩急一個一個進行處理。如果正在處理某一外設請求過程中，又有更重要的外設請求處理，那么 CPU 可以先處理此緊急的請求，處理完后再接著處理前一個未處理完的外設請求。這就是所謂的中斷方式?？梢韵胂?，當外設比較多的時候，采用第一種方式一個一個輪詢，可能會比較費時間，如果有設備要求比較急的時候便會得不到及時的處理。實時性差是它的一大缺點。而第二種方式是“有求必應” ，正好可以克服這個缺點，也更符合人類的工作習慣。問題 5 為什么要采用 DMA 方式？DMA 方式把 I/O 操作過程中外設與內(nèi)存交換信息的控制權從 CPU 交給了 DMA 控制器，實質(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)的時候，會因為要對中斷進行各種保護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，一個芯片已經(jīng)可以包含上千萬的晶體管，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，通過散熱風扇和散熱片的使用，使 CPU 的溫度保持在一個 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)時鐘頻率，即系統(tǒng)總線頻率。主頻是 CPU 運算時的工作頻率。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軟件和硬件而形成的。保護模式是為了發(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。實模式是為了兼容 I8086 系列的微機系統(tǒng)軟件而提出的，使用此模式可以執(zhí)行以前的一些應用程序。虛擬實模式則是 WINDOWS 32 位操作環(huán)境能夠保持向后兼容的關鍵。Windows 2000以后已不提供實模式，只有虛擬實模式，即在 32 位保護模式中運行的虛擬的 16 位環(huán)境。當您運行 WINDOWS 中的 DOS 程序時，您就啟動了一個虛擬實模式過程。因為保護模式允許真正的多任務，所以可以啟動多個實模式過程，每一個上面運行的 16 位軟件都相當于運行在一臺虛擬的 PC 上。在運行 16 位軟件的同時，也允許運行 32 位的應用程序。問題 9 CPU 的工作原理是怎樣的？什么是 CPU 總線？從存儲單元讀取數(shù)據(jù)（程序指令） ，交由控制單元進行調(diào)度分配，然后傳送到邏輯運算單元處理，再將處理后的結果數(shù)據(jù)寫入存儲單元，最后交由應用程序使用。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)控制計算機總線問題 1 總線的概念總線是連接計算機有關部件的一組信號線，是計算機中用來傳送信息代碼的公共通道。面向總線的結構主要有以下優(yōu)點： 簡化了系統(tǒng)結構，便于系統(tǒng)設計制造； 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； 便于接口設計，所有與總線連接的設備均采用類似的接口； 便于系統(tǒng)的擴充、更新與靈活配置，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化； 便于設備的軟件設計，所有接口的軟件就是對不同的口地址進行操作； 便于故障診斷和維修，同時也降低了成本?？偩€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？什么叫 USB 設備？在任一 USB 系統(tǒng)中都有且只有一個主機（主控制器） 。到主計算機系統(tǒng)的 USB 接口被稱作主控制器。主控制器可采用硬件、固件或軟件相結合的方式來實現(xiàn)。根 Hub 集成在主機系統(tǒng)內(nèi)，向上與主總線（如 PCI 總線）相連，向下可提供一或多個連接點。 USB 設備分為 HUB（集線器）和 Function（功能）兩大類。Hub 提供到 USB 的附加連接點，功能為主機系統(tǒng)提供附加的性能，如 ISDN 連接、數(shù)字操縱桿或揚聲器等。問題 5 總線的分類總線可以按其功能、性能和級別分類。1）按傳輸信號的性質(zhì)分類總線按其信號線上傳輸?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