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：

① 简化了系统结构，便于系统设计制造； ② 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； ③ 便于接口设计，所有与总线连接的设备均采用类似的接口； ④ 便于系统的扩充、更新与灵活配置，易于实现系统的模块化； ⑤ 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；⑥ 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：① 数据总线，一般情况下是双向总线；② 地址总线，单向总线，是微处理器或其他主设备发出的地址信号线；③ 控制总线，微处理器与存储器或接口等之间控制信号。通常这部份线的含义和特性最复杂。 2）按照信号的功能分类

① 基本信息总线，包括地址线、数据线及内存和I/O的读写控制信号线等。 ② 数据握手总线，又称联络总线，是控制启动和停止总线操作、实现数据传送同步的信号线， 是为保证总线上能容纳各种存取速度的设备而设计的信号线。③ 判决总线，包括总线判决（总线请求、总线确认线）和中断判决线（中断请求线、中断响应线）等。④ 定时信号总线，包括时钟信号线、复位信号线等。⑤ 电源信号总线，包括电源线和地线 3）按照层次位置分类

① 片内总线：片内总线位于微处理器或I/O芯片内部。 ② 片总线（元件级总线、芯片总线）：用于单板计算机或一块CPU插件板的电路板内部，用于芯片一级的连接。 ③ 系统总线（内总线、板级总线）：用于微机系统中各插件之间的信息传输。 ④ 设备总线（外总线、通信总线）：用于系统之间的连接，如微机、与外设或仪器之间的连接。如通用串行总线RS-232C、智能仪表总线IEEE-488、并行打印机总线Centronics、并行外部设备总线SCSI和通用串行总线USB等。⑤ 局部总线：这是相对较新的概念，许多文献也把它称为片总线。 一般将插件板内部的总线叫做局部总线以区别于系统总线。 问题6 总线体系结构 1）单总线体系结构

所谓单总线体系结构是指微机中所有模块都连到单一总线上，在整个系统中，只有一条数据通路。

2）并发总线体系结构

并发总线体系结构是把存储器和I/O的数据通路分开，所以CPU对存储器访问和对I/O的控制可同时进行，即“并发”。

3）带Cache的并发总线体系结构

只是在CPU和存储器的数据通路上多了一个Cache控制器。 问题7 ISA总线

ISA总线是PC微机最基本的总线标准，分为XT总线（62线）和AT总线（98线）两种。PC/XT机是最早的8位个人机，它采用XT总线；后来IBM推出16位AT机，采用了在原总线基础上的扩展，将62线延长到98线，叫AT总线。A、B两面是XT总线，再加上C、D两面是AT总线，总称为ISA总线。 问题8 EISA总线

EISA总线是ISA总线的扩展，与ISA总线完全兼容，支持多个总线主控器，增加了突发式传送，是一种高性能的32位标准总线，最高数传率为33M字节/秒，而ISA最高数传率为8M字节/秒。

EISA总线出现在32位微机中，具有32位的数据线，支持8位、16位或32位的数据存取，支持数据突发式传输；地址线支持32位寻址，可寻址4GB存储空间，也支持64KB的I/O端口寻址。

问题9 什么是PCI总线？

PCI(Peripheral Component Interconnect)总线是外部设备互连总线，是一种高性能、32位或64位地址数据线复用的总线。它的用途是在高度集成的外设控制器器件、扩展板和处理器/存储器系统之间提供一种内部连接机制，PCI总线是由Intel公司在1991年首先提出的，是目前广泛使用的接口总线之一。 问题10 PCI总线介绍PCI总线的特点

⑴ 高性能。PCI总线的数据宽度为32位，可扩展到64位。时钟频率为33MHz，与CPU时钟无关。数据传输率可达132MB/S — 264MB/S 。1995年推出的PCI新标准的时钟频率为66MHz，数据宽度为64位，最高数据传输率达528 MB/S 。

⑵ PCI总线还支持突发工作方式，并且后面可跟无限个数据周期。这意味着可以从某一地址起读出或写入大量数据。

⑶ 减少存取延迟

对于支持PCI总线的设备，可以减小存取延迟，能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需的时间，以保证数据传输的畅通。这对以太网接口有非常重要的意义。 ⑷ 采用总线主控和同步操作

PCI总线所具有的总线主控和同步操作功能有利于提高PCI总线性能。这可以使微处理器与PCI上总线主控器同时并行操作。 ⑸ 不受处理器限制

PCI总线以一种独特的中间缓冲方式独立于处理器，并将中央处理器子系统与外围设备分开。这样可保证不会因处理器技术的变化而导致其他互连外设系统的设计变更。 ⑹ 适用于各种机型

PCI总线适用于各种机型，如台式机、便携机和服务器等。 ⑺ 成本低

PCI总线采用多路复用技术，大大减少了引线数和PCI部件，其他系统上的扩展卡也可以在PCI系统上工作。 ⑻ 兼容性好，易于扩展

PCI总线可与ISA、VESA等总线兼容。工作电压可以是+5V，也可以是+3.3V。 ⑼ 自动配置（即插即用，Plug and Play） PCI总线具有即插即用功能，可以自动配置 。 问题11 什么叫串行通信？

串行通信是数据的一种传送方式，在这种方式下数据是一位紧接一位在通信介质中进行传输的。在传输过程中，每一位数据都占据一个固定的时间长度。串行接口的作用就是将外部设备与CPU之间联系起来，使它们能够通过串行传送方式互相传送和接收信息。 问题12 什么是全双工方式？半双工方式？单工方式？

全双工方式是指系统可以同时进行数据发送和接收的串行通信方式。半双工方式是指系统可以进行发送和接收，但同一时间只能进行数据接收或发送的串行通信方式。单工

方式是指系统一端只能进行数据发送而另一端只能进行数据接收的串行通信方式。 问题13 什么叫波特率？

答：为了衡量串行通信的速度，应该有一个测量单位，在串行通信中通常用波特率来表示。所谓波特率就是单位时间内传送的二进制信号数，它与用来表示一个二进制数据位的持续时间有关。即波特率等于二进制位持续时间的倒数。 问题14 Compact PCI的特点？

Compact PCI 总线是PCI 总线的加固和扩展，采用两种尺寸的欧式板结构和传统的机箱式安装（前后水平插拔）方式。Compact PCI 还规范了热切换，即带电插拔。很适合通信、军工、工业控制和嵌入式应用场合。 问题 15 PXI 总线、VXI 总线概念

PXI 总线是测试仪器PCI 总线的扩展，PXI 总线与Compact PCI 总线标准在机械结构、电气方面两者兼容。PXI总线扩展了Compact PCI 的性能，是一种测试仪器总线的开放式平台。在PC 机为基础的应用上，特别适合于工业自动化、测试仪器、数据采集、机械视觉、产品测试、过程监控以及运动控制等应用。

VXI 总线是在VME 总线基础上扩展而成的仪器系统总线。它可以很方便地应用于自动化测试系统、虚拟仪器、数据采集和测控系统。

问题16 工业控制机总线结构 1 ）总线与接口

总线就是一组信号线的集合，它定义了引线的信号、电气、机械特性，使计算机内部各组成部分之间以及个同的计算机之间建立信号联系，进行信号传送即通信。 2 ）内部总线

内部总线就是计算机内部功能模板之间进行通信的总线．它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽。 3）外部总线

外部总线是计算机与计算机之间或计算机与其它智能设备之间进行通信的连线。

第 四 章 工业控制机I/O模板

问题1 什么叫数/模（D/A），模/数（A/D）转换器？

数/模（D/A）转换器是数字量转换为模拟量的电子部件。模/数（A/D）转换器是模拟量转换为数字量的电子部件。 问题2 什么是转换精度？

D/A转换器的转换精度有绝对精度和相对精度之分。绝对精度指的是转换器实际输出电压与理论值之间的误差，该误差是由于D/A转换器的增益误差、零点误差、非线性误差和噪声等因素造成的。相对精度是指满刻度已校准的情况下，对应于任一数码的模拟量与理论值之差相对于满刻度的百分比。 问题3 什么是分辨率？

D/A转换器的分辨率指的是输入一个数码就有一个相应的最小能识别的量化输出电压，称为量化单位或量化步长。 问题4 为什么会有非线性误差？

非线性误差反映了D/A转换器在输入数字量变化时输出模拟量按比例关系变化的程度。理想的D/A转换器是线性的，但实际上有误差，一般要求非线性误差不大于±1/2 LSB。

问题 5 小功率驱动电路与继电器输出技术

问题 6 画出大功率交流驱动电路示意图。 固态继电器内部结构

固态继电器的应用

第五章 工业控制软件系统及组态技术

问题1 组态软件国内外主要产品介绍。

组态软件产品于80年代初出现。①InTouch：Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。早期的InTouch软件采用ＤＤＥ方式与驱动程序通信，性能较差，最新的InTouch7.0版已经完全基于32位的Windows平台，并且提供了OPC支持。 ②Fix：Intellution公司以Fix组态软件起家，1995年被爱默生收购，现在是爱默生集团的全资子公司，Fix6.ｘ软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序（需单独购买）。Intellution将自己最新的产品系列命名为iFiX，在iFiX中，Intellution提供了强大的组态功能，但新版本与以往的6.ｘ版本并不完全兼容。原有的Script语言改为VBA（Visual Basic For Application），并且在内部集成了微软的VBA开发环境。在iFiX中，Intellution的产品与Microsoft的操作系统、网络进行了紧密的集成。

③Citech：CiT公司的Citech也是较早进入中国市场的产品。Citech具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。Citech提供了类似Ｃ语言的脚本语言进行二次开发，但与iFix不同的是，Citech的脚本语言并非是面向对象的，而是类似于Ｃ语言，为用户进行二次开发增加了难度。

④WinCC：Simens的WinCC也是一套完备的组态开发环境，Simens提供类Ｃ语言的脚本，包括一个调试环境。WinCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。但WinCC的结构较复杂，用户最好经过Simens的培训以掌握WinCC的应用。

⑤组态王：组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司（更早的品牌多数已经湮灭）。组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态王也提供多种硬件驱动程序。

⑥Controx（开物）：华富计算机公司的Controx2000是全32位的组态开发平台，为工控

用户提供了强大的实时曲线、历史曲线、报警、数据报表及报告功能。作为国内最早加入OPC组织的软件开发商，Controx内建OPC支持，并提供数十种高性能驱动程序。提供面向对象的脚本语言编译器，支持ActiveX组件和插件的即插即用，并支持通过ODBC连接外部数据库。Controx同时提供网络支持和WevServer功能。

⑦ForceControl（力控）：大庆三维公司的ForceControl（力控）从时间概念上来说，力控也是国内较早就已经出现的组态软件之一。其他常见的组态软件还有GE的Cimplicity，Rockwell的RsView，NI的LookOut，PCSoft的Wizcon以及国内一些组态软件通态软件公司的MCGS。

问题 2 说说组态软件的发展趋势。 (1) 开放性技术

组态软件正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统无论是用户还是硬件供应商都将组态软件作为全厂范围内信息收集和集成的工具这就要求组态软件大量采用标准化技术如OPCDDE ActiveX 控件COM/DCOM 等使组态软件演变成软件平台在软件功能不能满足用户特殊需要时用户可以根据自己的需要进行二次开发组态软件采用标准化技术，还便于将局部的功能进行互连在全厂范围内不同厂家的组态软件也可以实现互连。 (2) 构造全厂信息平台

将生产信息和ERP 系统整合到一起使生产效率和市场效益最大化，在工业现场和ERP 之间存在着鸿沟如何使实时历史数据能够进入企业信息管理系统是现代信息工厂迫在眉睫的需求随着大型数据库技术的日益成熟，组态软件厂商在既了解企业工艺控制及生产制造需求又能完成现场历史数据的记录存储及为ERP提供生产实时数据方面有着得天独厚的优势。

(3) 瘦客户技术

(4) 基于平板电脑和PDA 的人机界面解决方案液晶价格在不断下降平板电脑的制造技术日益成熟预装了WinCE 的平板电脑在价格上功能上可靠性上比传统的工控机都显示出巨大的优势尤其在一些控制要求相对简单且需要人机界面的场合平板电脑大有取代

工控机的趋势这种趋势近几年日益明显将组态软件移植到平板电脑上不失为一个绝佳的选择平板电脑还有很好的扩展 (5) 嵌入式应用软件

目前的嵌入式应用软件主要基于DOS 和各种实时多任务操作系统大多应用在一些特殊场合和特殊设备上随着现代制造业的发展对这些特殊设备的控制也提出了更多的要求尤其是人机界面和复杂控制方面的需求PC 的小型化WinCE 的发展为满足这种需求奠定了基础为嵌入式系统量身定制的微型化的人机界面软件是组态软件厂商的新的 发展方向。

(6) 软硬件整体解决方案

问题3 组态软件与测控设备的通信原理。

组态软件通过I/O驱动程序从现场测控设备获得实时数据，对数据进行加工处理后，

一方面以图形方式显示在计算机屏幕上，来反映现场设备的运行状况；另一方面按照组态要求和操作人员的指令将控制数据送给I/O设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。

一般情况下，I/O驱动程序是与设备相关的，即一种设备的驱动程序只能驱动该类的

设备。设备制造商会提供PC与设备间进行数字通信的接口协议和物理接口标准。物理接口标准规定使用何种通信介质、链路层的接口标准，如RS232、RS485、以太网等；接口协议规定通信双方约定的命令及数据响应格式、数据校验方式等。I/O 驱动程序主要是按照接口协议的规定向设备发送数据请求命令，对返回数据进行拆包，从中分离出所需数据（即组态的数据连接项和设备状态数据）。多数设备的通信接口协议都有若干条读写命令，分别用来读写设备上不同类别的数据，而每一条命令又可以读写同类别的多条数据，具体能读写几条是由接口协议规定的。使用组态软件做I/O数据连接的工程技术人员不必了解这些细节，只需按照I/O 驱动程序的说明书组态数据库变量与设备数据项的对应关系即可。

问题4 组态王软件的结构

“组态王6.0x”是运行于Microsoft Windows 98/2000/NT中文平台的中文界面的

人机界面软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。

“组态王6.0x”软件包由工程浏览器（TouchExplorer）、工程管理器（ProjManager）和画面运行系统（TouchVew）三部分组成。在工程浏览器中您可以查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库的构造、定义外部设备等工作；工程管理器内嵌画面管理系统，用于新工程的创建和已有工程的管理。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统TOUCHMAK和工程运行系统TOUCHVEW来完成的。

TOUCHMAK是应用工程的开发环境。您需要在这个环境中完成画面设计、动画连接等工作。TOUCHMAK具有先进完善的图形生成功能；数据库提供多种数据类型，能合理地提取控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简洁的操作方法。

PROJMANAGER是应用程序的管理系统。PROJMANAGER具有很强的管理功能，可用于新工程的创建及删除，并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现数据词典的导入和导出。

TOUCHVEW是“组态王6.0x”软件的实时运行环境，在应用工程的开发环境中建立的图形画面只有在TOUCHVEW中才能运行。TOUCHVEW从控制设备中采集数据，并存在于实时数据库中。它还负责把数据的变化以动画的方式形象地表示出来，同时可以完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并按实际需求记录在历史数据库中。 问题 5 组态王怎样和下位机通讯

“组态王”把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，为实现组态王和外部设备的

组态王 COM组件 设备驱动1 设备驱动2 设备驱动3 设备驱动4 计算机 模块 PLC 智能仪表 其它工控设备 外部设备 动画显示线程 数据采集线程 历史记录线程 其他线程 通讯，组态王内置了大量设备的驱动作为组态王和外部设备的通讯接口，在开发过程中您只需根据工程浏览器提供的“设备配置向导”一步步完成连接过程即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接。在运行期间，组态王就可通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据/指令。每一个驱动都是一个COM对象，这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统，既保证了运行系统的高效率，也使系统有很强的扩展性。

问题6 怎样产生动画效果

数据库中建立的变量才是与现场状况同步变化，所谓“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。这样，工业现场的数据，比如温度、液面高度等，当它们发生变化时，通过设备驱动，将引起实时数据库中相关联变量的变化，如果画面上有一个图素，如指针，规定了它的偏转角度与这个变量相关，就会看到指针随工业现场数据的变化而同步偏转。

第六章 工控机数据通信与控制网络

问题 1 RS-485/RS-422接口为何在停止通信时接收器仍有数据输出？

RS-485/RS-422在发送数据完成后，要求所有的发送使能控制信号关闭且保持接收使能有效，此时，总线驱动器进入高阻状态且接收器能够监测总线上是否有新的通信数据。但是由于此时总线处于无源驱动状态（若总线有终端匹配电阻时，A和B线的差分电平为0，接收器的输出不确定，且对AB线上的差分信号的变化很敏感；若无终端匹配，则总线处于高阻态，接收器的输出不确定），容易受到外界的噪声干扰。当噪声电压超过输入信号门限时（典型值±200mV），接收器将输出数据，导致对应的UART接收无效的数据，使紧接着的正常通讯出错；另外一种情况可能发生在打开/关闭发送使能控制的瞬间，使接收器输出信号，也会导致UART错误地接收。解决方法：1）在通讯总线上采用同相输入端上拉（A线）、反相输入端下拉（B线）的方法对总线进行钳位，保证接收器输出为固定的“1”电平；2）采用内置防故障模式的MAX308x系列的接口产品替换该接口电路；3）通过软件方式消除，即在通信数据包内增加2-5个起始同步字节，只有在满足同步头后才开始真正的数据通讯。

问题 2 采用RS-485/RS422接口通讯时，在什么条件下需要采用终端匹配？电阻值如何确定？如何配置终端匹配电阻？

在长线信号传输时，一般为了避免信号的反射和回波，需要在接收端接入终端匹配电阻。其终端匹配电阻值取决于电缆的阻抗特性，与电缆的长度无关。RS-485/RS-422一般采用双绞线（屏蔽或非屏蔽）连接，终端电阻一般介于100至140Ω之间，典型值为120Ω。在实际配置时，在电缆的两个终端节点上，即最近端和最远端，各接入一个终端电阻，而处于中间部分的节点则不能接入终端电阻，否则将导致通讯出错。

问题 3为什么在RS-485/RS-422构成的通信网络中,传输数据包时经常出现多出一个数据或少一个数据的现象?

一般在点-多点通信系统中会经常出现这个问题, 归纳出现的原因大致如下: 1) 在半双工通信中,一般可以通过禁止RS-485收发器接收使能或UART内部的接收使能,以保证不出现自发自收，进而减少CPU的开销。当数据发送完成后，RS-485接收器和内部UART将回到允许接收状态而发送器将关闭，在此状态切换过程中，可能出现RS-485接收器输出低电平跳变，而此时UART已经允许接收，从而导致多接收一个字节。 正确处理方法应该为：从接收状态向发送状态转换时，先禁止内部UART的接收使能，再打开接口的发送器使能，然后，允许内部UART的发送使能，开始发送数据；从发送状态向接收状态转换时，先禁止内部UART的发送使能，再关闭接口的发送使能（如果接口的接收使能被禁止，则紧跟着打开接口的接收使能），在延时2至4个NOP指令后，才打开内部UART的接收使能。

2）对于大多数UART来说，内部发送缓冲器\空\会产生中断或置对应的标志位，但此时数据不一定真的发送完成，因为数据有可能还在输出移位寄存器中。如果仅靠发送缓冲的状态来判断一包数据是否发送完成，从而决定是否关闭内部UART的发送使能和接口的发送使能，则这个数据包的最后一个字节将不会发送到总线上，以致对方会少接收一个字节。此类问题会出现在MAX3100、MAX3140和PIC系列单片机等类似情况的UART中，请用户应用中注意此类问题。

问题 4 MAX232/MAX202接口输出的电平为何比计算机输出的RS-232电平低？

答：由于计算机内部的RS-232接口多数采用±12V供电的接口芯片，而MAX232/MAX202及其它多数Maxim的RS-232接口都是采用单电源（+3.3V或+5V）供电，由内部的电荷泵电路（倍压和倍压反相两种方式）产生接口所需的电源，这样就简化了电源设计。由于工作在倍压和倍压反相的电荷泵输出电压最高为±2×Vin（空载时），且带载能力有限，不管怎样，多数Maxim接口驱动器还是能够保证幅值在±5V以上，以满足RS-232接口端±3V的接收门限值

问题 5以太网应用于现场设备间通信的关键技术 ① 实时通信技术

其中采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。 ② 总线供电技术

采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。 ③ 远距离传输技术

采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。 ④ 网络安全技术

采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。 ⑤ 可靠性技术

采用分散结构化设计、EMC设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术等，提高基于以太网技术的现场设备可靠性，经实验室EMC测试，设备可靠性符合工业现场控制要求。 问题 6计算机网络体系之所以采用层次结构的主要原因是： a)层次结构允许每一层只能同相邻的上下层次发生联系 b)层次结构优于模块化结构

c)使各层次的功能相对独立，使得各层次实现技术的进步不影响相临层次，从而保持体系结构的稳定性

d)层次结构的方法可以简化计算机网络的实现 问题 7数据通信对信道的要求和常用信道

由于数据通信中传送的是由“1”或“0”组成的信息码组，只要信息码组中有一位出错，所收到的信息意义就有可能完全不一样，由于所传送的“1”或“0”的数字信息都是直接送入计算机的，如果有错误的信息送入计算机以后就会影响数据的处理或者程序的执

行，所以对传输信道的要求就比传统的通信传输信道要高。

数据通信常用信道有两大类，有线和无线信道，有线信道包括同轴和双绞线电缆，光纤等，无线信道包括无线电、微波、红外线。 问题 8 简述模拟数据的数字信号编码过程。

将模拟数据进行数字信号编码实际上是将模拟数据转换成数字数据，或称为数字化过程。将一个模拟信号转换为二进制数码脉冲序序列的过程称为脉冲调制过程。脉冲调制过程编码过程简述如下：采样：每隔一定的时间对连续模拟信号采样，模拟信号就成为“离散”的模拟信号，这也成为一组序列。量化：这是一个分级过程，把采样所得到的脉冲信号按量级比较，并且“取整”，这样脉冲序列就成为数字信号了。编码：用以表示采样序列量化后的量化幅度，它用一定位数的二进制码表示。 问题 9 简述数据传输方式。

1）基带传输与频带传输

基带是指电信号所固有的频带，直接将这些电脉冲信号进行传输，就称为基带传输，它不适合远距离传输。

先进行调制使其频率变窄，再传输，则称为频带传输。 2）串行传输与并行传输

数据在一个信道上按位依次传输的方式称为串行传输， 数据在多个信道上同时传输的方式称为并行传输。 3）异步传输

发送端仅发送数据位，而不发送同步时钟，接收端根据双方事先约定的时间（波特率）进行接收，即发送时钟与接收时钟不同步 问题 10同步传输的优缺点异步传输的优缺点。 1）同步传输的优缺点

传输效率高，字符传输中不需要加起始位和停止位，其缺点是需增加一根时钟传输线 2）异步传输的优缺点

不需要时钟传输线，但字符传输中需要加起始位和停止位，因而传输效率较低 问题 11 帧传输（必须采用ASCII码传输）及其优缺点。 1）将要传输的信息（数据）组成一个包

首先发送数个同步字符（SYN），随后开始发送帧起始字符（STX），紧接着发送数据 最后发送帧结束字符（ETX） 2）采用帧传输的优缺点

传输速率高，占用CPU时间少，数据可靠；缺点是要将原码转化成ASCII码，效率下降了一半。

问题 12 异步通讯适配器同步通讯适配器

1）异步通讯适配器。由地址译码电路，8250异步通讯器件，EIA接收、发送器件，晶振电路和25针或9针D型插头组成，异步通讯适配器有自己独立的时钟（晶振），发送和接收数据都根据自己的时钟，以及协议进行。可以节省时钟联接线，降低硬件成本。 2）同步通讯适配器。也是完成二进制数据串、并相互转换的设备，同步通讯适配器间的数据流是连续且同步的，两个异步通讯适配器间的数据流是不连续的，而是一个字符一个字符地进行同步的，同步通讯适配器有两类最常用的协议，即SDLC（同步数据链路控制）和BSC（二进制同步通讯）。 问题 13 RS—422电路组成。

发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载、接收器等。

RS-422每个通道要用二条信号线，只能有一个发送器，可以有多个接收器，因此通常采用点对点通讯方式。 TTL电平

RS-422电气连接图 发送器 RS-422电平 － 接收器 + TTL电平

问题 14 RS—485概念。

1）是一种多发送器的电路标准，它是RS-422A性能的扩展，是真正意义上的总线标准(允许挂接32台RS-485负载设备)。

2）但何时控制发送器发送数据或接收机接收数据，则标准未作规定，要由用户自己决定。 问题 15 RS—485与RS-422的主要区别是什么？ 1）硬件线路上

RS-422至少需要4根通讯线，RS-485仅需2根； RS-422不能采用总线方式通讯，但可以采用环路方式通讯，RS-485两者均可。 2）通讯方式上 ?RS-422可以全双工 ?RS-485只能半双工

问题 16 简述网络互连的概念 。

网络互连（Internetworking）是指将分布在不同地理位置的网络、设备相连接，以构成更大规模的互连网络系统，并实现互连网络资源的共享；

互连的网络和设备可以是同种类型的网络、不同类型的网络，以及运行不同网络协议

的设备与系统。

问题 17开放式系统互联（OSI）参考模式七层协议是什么？ ?物理层：主要是为通信各方提供物理信道。

?数据链路层：分为介质访问控制层和逻辑链路控制层，前者主要解决物理信道的使用，后者保证信息正确有序地在有噪信道上传输。

?网络层：在有限个物理信道上建立多条逻辑信道并完成路径选择。

?传输层：为用户建立多条逻辑信道，允许多用户共享一条逻辑信道，并兼有端——端控制功能。

?对话层：用户进程的建立或拆除，对连接传输进行管理。

?表示层：信息格式的转换如文本压缩、加密等。

?应用层：该层要实现的功能取决于用户和系统应用管理进程。

网 络 层 应 用 层 表 示 层 会 话 层 传 输 层

数据链路层 逻辑链路控制层（LLC） 介质存取控制层（MAC） 物 理 层 问题 18 说明不同网络之间的主要差异。

编址方案 ，最大分组尺寸，网络访问机制，超时机制，差错恢复 ，状态报告 路由选择 ，用户访问控制 ，连接和无连接服务。 问题 19 说明网络互连的层次。

互连（Interconnection）是指在两个物理网络之间至少有一条在物理上连接的线路，但不能保证两个网络一定能进行数据交换，这取决于两个网络的通信协议是否相互兼容；互通 （Intercommunication）是指两个网络之间可以交换数据；

互操作（Interoperability）是指网络中不同计算机系统之间具有透明访问对方资源的能力；互连是网络互连的基础，互通是网络互连的手段，互操作是网络互连的目的。 问题 20 网桥的基本特征是什么？ 网桥在数据链路层上实现局域网互连；

网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络； 网桥以接收、存储、地址过滤与转发的方式实现互连的网络之间的通信； 网桥需要互连的网络在数据链路层以上采用相同的协议；

网桥可以分隔两个网络之间的广播通信量，有利于改善互连网络的性能与安全性。 问题 21 路由器

路由器是在网络层上实现多个网络互连的设备；

局域网的数据链路层与物理层可以是不同的，但数据链路层以上的高层要采用相同的协议；

路由器可以有效地隔离多个局域网的广播通信量，每一个局域网都是独立的子网。

问题 22 网关的基本类型与实现协议转换的方法。

网关通过使用适当的硬件与软件实现不同网络协议之间的转换功能； 硬件提供不同网络的接口，软件实现不同互连网协议之间的转换。 网关直接将输入网络的信息包的格式转换成输出网络信息包的格式； 制定一种标准的网间信息包格式，网关在输入端将输入网络信息包格式转换成 标准网间信息包格式，在输出端再将标准网间信息包格式转换成输出网络信息包格式。

第七章 工业控制应用系统设计

问题1 应用程序如何进行分类？ 1）控制程序

根据系统理论设计所得的控制算法编制的应用程序，以实现对控制系统的控制。 2）数据采集及处理程序

A/D转换及采样程序、数字滤波程序、线性化处理程序等。 3）巡回检测程序

越限报警程序、事故预报程序、画面显示程序等。 4）数据管理程序

统计报表程序、产品销售程序、生产调度程序等。 问题2 系统设计的原则是什么？

安全可靠，系统操作性能好，实时性强，通用性好 ，经济效益高。 问题3 数据处理方法有哪些？

查表法，线性化处理，标度变换，越限报警处理。 问题4 干扰（噪声）来源及分类。 （1）干扰来源 1）放电噪声

主要是由雷电，静电，电动机的电刷跳动，大功率开关触点断开等放电产生的干扰。 2）高频震荡噪声

主要是电弧炉，感应电炉，开关电源，直流/交流变换器等设备或器件产生高频震荡时形成的噪声。 3）浪涌噪声

主要是交流系统中电动机的启动电流，电炉合闸电流，开关调节器的导通电流以及晶

闸管变流器等设备或器件产生涌流引起的噪声。 （2）分类

1）按产生噪声的原因可以将噪声分为放电噪声，高频震荡噪声和浪用噪声。 2）按传导方式可以将噪声分为串模噪声和共模噪声。串模噪声又称为线间感应噪声，对称噪声，常模噪声或差动噪声。共模噪声又称为地感应噪声，纵向噪声或不对称噪声。从本质上讲，共模噪声是可以消除的，但是，由于传输线路的不平衡状态，共模噪声往往又可以转化为串模噪声。

3）按噪声信号的波形及性质可以将噪声分为持续正弦波噪声（如振荡噪声），偶发脉冲波噪声（如雷击噪声，静电放电噪声）和脉冲序列噪声（如接点分断电感负载产生的噪声） 问题5 噪声信号的耦合方式有哪些？ 1） 直接耦合方式

干扰信号直接经过线路传导到工作电路中。例如，干扰信号经过电源线进入计算机控制系统是最常见的直接耦合现象。 2） 公共阻抗耦合方式

是噪声源与信号源具有公共阻抗时的传导耦合。例如，电源线和接地线的电阻，电感在一定条件下会成为公共阻抗，一个电源对几个电路供电时，如果不是理想电压源，则其内阻会成为受电电路的公共阻抗。其中一个电路在公共阻抗上产生的压降会影响到另外的电路。

3）电容耦合方式

是电位变化在干扰源与干扰对象之间引起的静电感应，又称为静电耦合或电场耦合。在实际系统中，元件之间，导线之间，导线与元件之间都存在分布电容，从而成为噪声的传导通路。

4）电磁感应耦合方式

电磁感应耦合又称为磁场耦合。任何载流导体周围都会产生磁场，如果电流是交变的，则会对周围的闭合电路产生感应电动势。设备内部的线圈或变压器的漏磁是很强的干扰

源，会以电磁耦合方式干扰工作电路。 5）辐射耦合方式

电磁场辐射会造成干扰耦合。当高频电流流过导体时，在该导体周围便产生高频交变的电力线或磁力线，从而形成电磁波。处在电磁波中的导体便会产生感应电动势，从而成为系统中的干扰信号。 6）漏电耦合方式

漏电耦合是电阻耦合方式。当相邻的元件或导线之间的绝缘阻抗降低时，有些信号便经过绝缘电阻耦合到逻辑元件的输入端形成干扰。 问题 6 共模干扰的抑制措施有哪些？

利用变压器或光耦合器把各种模拟信号与数字信号隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开。测量信号通过变压器耦合或光电耦合获得通路，使共模干扰由于无流通回路而得到有效的抑制。也可利用光电偶合人器的开关特性组成的具有串行接口功能的共模抑制线路。在这种线路中，由于光电耦合器有很高的输入/输出绝缘电阻和较高的输出阻抗，因此能抑制较大的共模干扰电压。共模干扰电压很高或要求共模电流非常小时，常在信号源与计算机的共模传送途径中插入隔离放大器，利用光电耦合器的光隔离技术或者变压器耦合的载波隔离技术把“数字地”和“模拟地”隔离开来，从而消除共模干扰的产生途径，达到将输入数据和系统电平隔离开来的目的。 问题7 电源回路的抗干扰措施

1）过程通道板卡上的每块集成电路芯片的电源与地线引入端之间接一个容量为0.01~0.1uf的电解电容和一个0.01~0.1uf 无极性电容，以防止板与板之间的相互干扰和动态工作时的电流的冲击。

2）大功率器件和逻辑器件可以使用不同的电源。对直流输出驱动器来说，大电流直流信号线应采用外接线，采用独立的直流电源来提供电流，从而使驱动器放大电流输出不通过逻辑电路板的电源线与地线。

3）采用能抑制交流电源干扰的计算机系统电源。隔离变压器的原，副边之间加有屏蔽

层，以减少进入电源的各种干扰。另外通过电抗器来抑制交流电源线上引入的高频干扰，用变阻二极管来抑制进入交流电源线上的瞬时干扰，这样，送入整流器的交流电压预先经过滤波，限幅，隔离等处理，把交流干扰抑制到最小。 4）采用公共接地点，确保参考点之间没有电位差。

5）当现场的强电设备较多时，工控机系统控制柜电源应使用控制变压器。即通过隔离变压器来减轻强电设备对工控机系统的影响。 .

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