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1、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
2、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、
3、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
4、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
5、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
6、（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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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，
