集散控制系统DCS复习题答案.docx
《集散控制系统DCS复习题答案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集散控制系统DCS复习题答案.docx（31页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
集散控制系统DCS复习题答案
集散控制系统（DCS）复习题及答案
一填空
1，集散型控制系统采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，形成“分散控制、集中管理”的结构形式，适应现代化的生产和管理要求。
2，集散型控制系统是计算机（Computer）、通信（Communication）、CRT显示和控制（Control）技术（简称四C技术）发展的产物。
3，集散型控制系统的回路控制功能由现场控制站完成。
4，集散型控制系统中所有的现场控制站、操作员站均通过数字通信网络实现连接。
5，集散型控制系统中PCU指过程控制单元，PIU指过程接口单元，DH指高速数据通路，OS指操作员站，MC指管理计算机。
6，试列举三个典型的DCS系统和利时公司MACSII系统，西门子PCS7系统，霍尼韦尔TDC3000系统。
7，集散型控制系统发展历程的第二代指1980年到1985年。
8，集散型控制系统按功能分层的层次结构从下至上依次分为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层。
其中，数据采集是直接控制层的任务，市场和用户分析是决策管理层的任务。
9，一个最基本的DCS应包括四个大的组成部分：
至少一台现场控制站，至少一台操作员站，一台工程师站（也可利用一台操作员站兼做工程师站），一条系统网络。
10，DCS的软件构成包括控制层软件，监控软件，组态软件。
11，DCS有一系列特点和优点，主要表现在以下六个方面：
分散性和集中性、自治性和协调性、灵活性和扩展性、先进性和继承性、可靠性和适应性、友好性和新颖性。
12，在DCS中，控制算法的编程是在工程师站上完成的，工作人员对现场设备的监视是在操作员站上完成的。
13，DCS的数据库在服务器中。
14，通常，控制系统设计人员是通过控制算法组态工具，将存储在控制器中的各种基本控制算法，按照生产工艺要求的控制方案顺序连接起来，并填进相应的参数后下装给控制器，这种连接起来的控制方案称之为用户控制程序，在IEC61131-3标准中统称为POUS是指程序组织单元（ProgramOrganizationUnits）。
15，把连续取N个采样值看成一个队列。
队列的长度固定为N。
每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据（先进先出原则）。
把队列中的N个数据进行算术平均运算，这种滤波方法被称作：
递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）。
16，列举5种数字滤波方法：
算数平均滤波法，递推平均滤波法，中位值滤波法，限幅滤波法，一阶滞后滤波法。
17，现场的开关量信号存在抖动成分，抖动时间一般为4ms～15ms。
19，DCS系统，PLC生产商所应遵循的国际标准是IEC61131，其中，硬件是在第二部分定义，软件是在第三部分定义。
20，IEC61131-3引入了程序组织单元POU的概念，POU有三类：
函数（functions）、功能块（function-blocks）和程序（program）。
21，DCS数据库管理和处理的数据分为配置数据和动态数据两类。
22，基带传输中可用各种不同的方法来表示二进制数0和1，这被称作数字编码。
23，如图所示数据表示方法，其中平衡、不归零、单极性编码的是C；非平衡、归零、单极性编码的是F。
24，常用的通信传输介质有双绞线，同轴电缆，光缆。
25，列举三种常见的工业现场总线Profibus总线，Modbus总线，CAN总线。
26，系统的可靠性指标通常用概率来定义，常用的有可靠度R（t）、失效率λ（t）、平均故障间隔时间（MTBF）、平均故障修复时间（MTTR）、利用率等。
27，可靠度是一个定量的指标，它是通过抽样统计确定的。
28，串联系统的可靠度用公式表示为：
，并联系统的可靠度用公式表示为：
。
29，失效率λ（t）与时间t的关系图就是著名的浴盆曲线。
该曲线可分为3个部分：
初期失效区、偶然失效区、耗损失效区。
30，集散控制系统提高利用率的措施归纳起来有三个方面：
提高元器件和设备的可靠性；采用抗干扰措施，提高系统对环境的适应能力；采用可靠性技术。
31，集散控制系统的安全性包含三方面的内容：
功能安全、人身安全和信息安全。
32，接地按其作用可分为保护性接地和功能性接地两大类。
33，一个集散控制系统工程设计可分为方案论证、方案设计、工程设计3个阶段。
34，模拟量信号包括模入和模出信号。
此类信号应使用屏蔽双绞线电缆连接，信号电缆芯的截面应大于等于1mm2。
二简答题
1，说明下图中各英文简称所代表的意思。
解答：
2，DCS的层次结构一般分为几层？
并概述每层的功能。
解答：
3，画出典型DCS的体系结构图并说明各组成部分的作用。
解答：
1）操作员站：
操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统，如图形工作站或个人计算机等。
2）现场控制站：
现场控制站是DCS的核心，系统主要的控制功能由它来完成。
3）工程师站：
工程师站是DCS中的一个特殊功能站，其主要作用是对DCS进行应用组态。
4）服务器及其他功能站：
在现代的DCS结构中，除了现场控制站和操作员站以外，还可以有许多执行特定功能的计算机，如专门记录历史数据的历史站；进行高级控制运算功能的高级计算站；进行生产管理的管理站等。
这些站也都通过网络实现与其他各站的连接，形成一个功能完备的复杂的控制系统。
4，DCS的现场控制站软件的功能有哪些？
解答：
（1）现场I/O驱动，主要是完成I/O模块（模板）的驱动，完成过程量的输入/输出。
采集现场数据，输出控制计算后的数据。
（2）对输入的数据进行预处理，如滤波处理、除去不良数据、工程量的转换、统一计量单位等，总之，是要尽量真实地用数字值还原现场值并为下一步的计算做好准备。
（3）实时采集现场数据并存储在现场控制站内的本地数据库中，这些数据可作为原始数据参与控制计算，也可通过计算或处理成为中间变量，并在以后参与控制计算。
所有本地数据库的数据（包括原始数据和中间变量）均可成为人机界面、报警、报表、历史、趋势及综合分析等监控功能的输入数据。
（4）按照组态好的控制程序进行控制计算，根据控制算法和检测数据、相关参数进行计算，得到实施控制的量。
5，工程师站软件要作的组态定义包括哪些方面？
解答：
（1）硬件配置，这是使用组态软件首先应该做的，根据控制要求配置各类站的数量、每个站的网络参数、各个现场I/O站的I/O配置（如各种I/O模块的数量、是否冗余、与主控单元的连接方式等）及各个站的功能定义等。
（2）定义数据库，包括历史数据和实时数据，实时数据库指现场物理I/O点数据和控制计算时中间变量点的数据。
历史数据库是按一定的存储周期存储的实时数据，通常将数据存储在硬盘上或刻录在光盘上，以备查用。
（3）历史数据和实时数据的趋势显示、列表及打印输出等定义。
（4）控制层软件组态，包括确定控制目标、控制方法、控制算法、控制周期以及与控制相关的控制变量、控制参数等。
（5）监控软件的组态，包括各种图形界面（包括背景画面和实时刷新的动态数据）、操作功能定义（操作员可以进行哪些操作、如何进行操作）等。
（6）报警定义，包括报警产生的条件定义、报警方式的定义、报警处理的定义（如对报警信息的保存、报警的确认、报警的清除等操作）及报警列表的种类与尺寸定义等。
（7）系统运行日志的定义，包括各种现场事件的认定、记录方式及各种操作的记录等。
（8）报表定义，包括报表的种类、数量、报表格式、报表的数据来源及在报表中各个数据项的运算处理等。
（9）事件顺序记录和事故追忆等特殊报告的定义。
6，图示为AI模块，画出现场仪表4～20MA的两线制接法和四线制接法。
解答：
7，隔离柵有什么作用？
画出AO，隔离柵，现场仪表的连接线路。
解答：
8，什么是模拟量近零死区处理？
解答：
当一个输入信号x（t）的值应该是0，而由于A/D转换的误差或仪表的误差或现场干扰，导致该值不是0而是接近0点附近的某个值（如流量信号没有流量通过时应该为4mA，但信号实际为4.03mA）。
为防止这种扰动进入计算机系统，预先设置一个近0死区（或称小信号切除限值）ε，当扰动处于近0死区之内（－ε，ε）时，将进入计算机系统变量值y（t）强置为0。
小信号切除限值ε可根据实际现场信号情况设置，如图所示。
小信号切除示意图
9，为什么要做模拟信号→工程单位变换？
解答：
模拟信号经A/D转换后，为2进制（或16进制）代码。
而工程需要显示数据为温度，压力，流量等实际物理量，这就需要将2进制（或16进制）代码转换为工程数值，即就是模拟信号→工程单位变换。
转换方法一般有：
①线性变换。
线性变换按照工程上下限和电量程上下限由系统自动实现。
模拟量线性变换如图所示。
线性变换示意图开方变换示意图
式中，x1为信号下限（电压值）；x2为信号上限（电压值）；y1为测量下限；y2为测量上限；x为采样值；y为转换后的工程值。
②开方变换。
模拟量开方变换如图所示。
其表达式为
③非线性变换。
非线性变换由组态工具中的计算公式来完成，变量的非线性变换公式，一般由用户通过组态来定义。
10，为什么对开关量输入信号要作消抖处理？
解答：
开关量信号是表示设备状态的信号，通常用1位的“0”和“1”表示。
在计算机控制当中，有时也用多位来表示，通过多个数据位排列组合，表示设备不同的工作状态。
现场的开关量信号存在抖动成分，如图所示，在采集时需要通过系统自身的软件进行“消抖”。
抖动时间一般为4ms～15ms，软件通过延时来消除。
11，在IEC软件模型上的括号内填空。
解答：
12，解释下面功能块图的控制作用。
解答：
该实例描述了用功能块控制空气风门的情况。
风门开关控制为信号ReqOpen和ReqClose，该信号被保存在RS双稳态功能块“Position”中，来自RS功能块输出及转换输出用于用于产生DemandOpen和DemandClose信号，这些信号驱动风门转动到合适的位置。
风门上的限位开关OpenLS和CloseLS返回的是风门的实际位置信号。
限位开关信号与要求的风门位置进行与比较，如果任何一个校对失败，比如风门已打开到要求的位置，而限位开关OpenLS处于false，延时计时器将起动。
如果风门未按要求移动到要求的位置并且在限定的有限时间MoveTimeOut内不能确定限位开关的情况，定时器Timer1将产生Discrepancy信号。
13，将下面的梯形图语言程序用指令表语言和功能块图表示出来。
解答：
指令表语言程序：
LDI0.0
ORQ0.0
ANDNOTI0.1
ANDNOTQ0.1
OUTQ0.0
LDI0.1
ORQ0.1
ANDNOTI0.0
ANDNOTQ0.0
OUTQ0.1
END
功能块图:
14，说明下图火灾报警系统的工作原理
（a）火灾报警系统示意图（b）火灾报警梯形图程序
解答：
FD1、FD2和FD3是三个火灾探测器。
MAN1是一个手动实验按钮，可以用来触发火灾报警。
当三个探测器中的任何两个或三个全部探测到有火灾情况发生时，于是Alarm_SR功能块驱动报警线圈报警。
ClearAlarm按钮清除报警。
当有一个探测器处于ON,相应的火灾警告指示灯（FireWarningLED）亮。
如果该指示灯在报警清除后继续保持亮，就表明该探测器或者有错，或者在该探测器的附近有火灾。
15，什么是报警死区？
解答：
报警死区定义模拟量报警恢复的不灵敏范围，避免模拟量的值在报警限值附近摆动时，频繁地出现报警和报警恢复状态的切换，报警恢复只有在恢复到报警死区外时才认定为报警确实已恢复。
如报警死区为ε，对上限报警恢复，必须恢复到上限（上上限）-ε以下；对下限报警恢复，必须恢复到下限（下下限）+ε以上。
报警死区示意图如图所示。
报警死区示意图（有错）
16，DCS的日志记录（也称事件记录）有什么作用？
解答：
事件记录是DCS系统中的流水账，它按时间顺序记录系统发生的所有事件，包括所有开关量状态变化、变量报警、人机界面操作（如参数设定、控制操作等）、设备故障记录及软件异常处理等各种情况。
事件记录的完整性是系统事故后分析的基础。
因此，在考查DCS软件的性能时，事件记录的能力和容量也是重要的内容之一。
17，说明工业控制系统报警的重要性，DCS的报警监视包括哪些内容？
解答：
工业生产要求安全、稳定、持续、高效。
而生产过程中，工艺参数，机器设备随时可能会变化或故障，轻则影响生产，重则发生安全事故，所以在生产各个环节要设置报警警示，将可能产生的故障消灭在萌芽之中。
DCS系统中则要在操作员站上设置报警监视。
报警监视的内容包括工艺报警和DCS设备故障两种类型。
工艺报警是指运行工艺参数或状态的报警，而DCS设备故障是指DCS系统本身的硬件、软件和通信链路发生的故障。
18，什么是多域管理结构？
什么是客户机/服务器结构？
答：
多域结构设计，使得系统的规模可无限扩大，采用“域监控”的概念，可根据对象的位置、范围、功能和操作特点等，把整个大型控制系统用高速实时冗余网络分成若干相对独立的分系统，一个分系统构成一个域，是一个功能完整的DCS系统。
各个域间可以通过标准协议或中间件进行数据交换。
如图所示。
（图可简画）
客户机/服务器结构即C/S结构，是近年来随着网络技术和数据库技术而发展起来的网络软件运行的一种形式。
通常的客户机/服务器模式的系统，有一台或多台服务器及大量的客户机。
服务器配备大容量存储器并安装数据库系统，用于数据的存放和检索；客户端安装专用的软件，负责数据的输入、运算和输出。
如图所示。
多域结构
客户机/服务器结构
19，什么是积分分离PID，画出积分分离PID和常规PID过渡过程。
解答：
一个常规的PI和PID控制器，只要被控变量与设定值之间有偏差，控制器的积分作用使控制器的输出不断变化。
如果阀门已经关闭（或全开），偏差不会被消除，控制器仍然试图消除偏差，如果时间足够长，由于积分作用的存在，控制器的输出停留在比阀门全开所需的信号还要大的多的值，这种情况称为积分饱和（windup）
解决的办法是在e的值小于某一值，即控制输出接近于设定值时，才把积分引入，在其余情况下，把积分去掉，只作微分和比例运算。
从而减低了控制输出的超调，过渡过程时间比只有微分和比例时缩短了。
如图所示。
积分分离PID和常规PID过渡过程
20，讲解下图二维PID控制系统的工作原理。
解答：
为了使控制系统能对设定值变化和扰动变化都有较好的控制品质，在DCS中采用的二维PID控制。
图中G（s）为被控对象的传递函数。
在计算机控制中，PID三项是独立的，图中的二维PID控制系统是在PID功能块中增加两个参数，对偏差和过程变量分别计算，对过程变量进行微分先行的运算，即比例和微分作用，对偏差是比例和积分作用。
当α=β=0时，就是常规的PID，控制输出与偏差成常规的PID关系。
α=β=1时，得到积分和比例微分之和，只要调整α、β的值，可以使系统达到好的控制品质。
21，流量计的量程为0m3/h～100m3/h，输出信号为0～20mA，若输出为12mA，此时管道流量为多少？
若用16位A/D转换器转换，则采集的十六进制代码是多少？
解答：
根据题意可知：
x1=0、x2=20、y1=0、y2=100、x=12，代入式
可得
m3/h
用16位A/D转换器转换，则采集的十六进制代码是
22，名词解释：
1）数据；是指对数字、字母以及组合意义的一种表达。
2）工业数据；一般指与工业过程密切相关的数值、状态、指令等的表达。
3）信息源和信息接收者；信息源和信息接收者是信息的产生者和使用者。
在数据通信系统中传输的信息是数据，是数字化的信息。
这些信息可能是原始数据，也可能是经计算机处理后的结果，还可能是某些指令或标志。
信息源可根据输出信号的性质不同分为模拟信息源和离散信息源。
模拟信息源（如电话机、电视摄像机）输出幅度连续变化的信号；离散信息源（如计算机）输出离散的符号序列或文字。
模拟信息源可通过抽样和量化变换为离散信息源。
随着计算机和数据通信技术的发展，离散信息源的种类和数量越来越多。
4）发送设备；发送设备的基本功能是将信息源和传输媒介匹配起来，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。
对于数据通信系统来说，发送设备的编码常常又可分为信道编码与信源编码两部分。
信源编码是把连续消息变换为数字信号；而信道编码则是使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性、有效性。
信号的变换方式是多种多样的，调制是最常见的变换方式之一。
5）传输介质；传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。
它可以是无线的，也可以是有线的（包括光纤）。
有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。
6）接收设备；接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。
它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。
7）数据编码；是指通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。
分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据的0、1状态的，称为模拟数据编码。
用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态的，称为数字数据编码。
8）模拟数据编码；
9）数字数据编码；
10）基带传输；所谓基带传输，就是直接将数字数据信号通过信道进行传输。
基带传输不适用于远距离的数据传输。
当传输距离较远时，需要进行调制。
11）基带传输；
12）载带传输；用基带信号调制载波后，在信道上传输调制后的载波信号，这就是载带传输。
13）宽带传输；如果要在一条信道上同时传送多路信号，各路信号以不同的载波频率区别，每路信号以载波频率为中心占据一定的频带宽度，整个信道的带宽为各路载波信号共享，实现多路信号同时传输，这就是宽带传输。
14）异步传输；在异步传输中，信息以字符为单位进行传输，每个字符都具有自己的起始位和停止位，一个字符中的各个位是同步的，但字符与字符之间的时间间隔是不确定的。
15）同步传输；在同步传输中，信息不是以字符而是以数据块为单位进行传输的。
通信系统中有专门用来使发送装置和接收装置保持同步的时钟脉冲，使两者以同一频率连续工作，并且保持一定的相位关系。
在这一组数据或一个报文之内不需要启停标志，所以可以获得较高的传输速率。
16）串行传输；串行传输是把构成数据的各个二进制位依次在信道上进行传输的方式，示意如图。
17）并行传输；并行传输是把构成数据的各个二进制位同时在信道上进行传输的方式。
串行传输与并行传输的，示意如图。
18）数字编码；基带传输中可用各种不同的方法来表示二进制数0和1，即数字编码。
19）归零传输；根据对零电平的关系，信息传输可以分为归零传输和不归零传输。
归零传输是指在每一位二进制信息传输之后均让信号返回零电平；不归零传输是指在每一位二进制信息传输之后让信号保持原电平不变。
20）不归零传输；
21）单极性；根据信号的极性，信息传输分为单极性传输和双极性传输。
单极性是指脉冲信号的极性是单方向的；双极性是指脉冲信号有正和负两个方向。
22）双极性；
23）调幅方式；调幅方式（AmplitudeModulation，AM）又称为幅移键控法（Ampli-tude-ShiftKeying，ASK）。
它是用调制信号的振幅变化来表示一个二进制数的，例如，用高振幅表示1，用低振幅表示0，如图所示。
24）调频方式；调频方式（FrequencyModulation，FM）又称为频移键控法（Fre-quency-ShiftKeying，FSK）。
它是用调制信号的频率变化来表示一个二进制数的，例如，用高频率表示1，用低频率表示0。
25）调相方式；调相方式（PhaseModulation，PM）又称为相移键控法（Phase-ShiftKeying，PSK）。
它是用调制信号的相位变化来表示二进制数的，例如用0°相位表示二进制的0，用180°相位表示二进制的1，如图所示。
图5.4调制方式
（a）调幅（b）调频（c）调相
26）线路交换方式；线路交换方式是在需要通信的两个节点之间事先建立起一条实际的物理连接，然后再在这条实际的物理连接上交换数据，数据交换完成之后再拆除物理连接。
因此，线路交换方式将通信过程分为3个阶段：
即线路建立、数据通信和线路拆除阶段。
27）报文交换方式；报文交换方式不需要事先建立实际的物理连接，而是经由中间节点的存储转发功能来实现数据交换。
因此，有时又将其称为存储转发方式。
报文交换方式交换的基本数据单位是一个完整的报文。
这个报文是由要发送的数据加上目的地址、源地址和控制信息所组成的。
报文在传输之前并无确定的传输路径，每当报文传到一个中间节点时，该节点就要根据目的地址来选择下一个传输路径，或者说下一个节点。
28）报文分组交换方式；报文分组交换方式交换的基本数据单位是一个报文分组。
报文分组是一个完整的报文按顺序分割开来的比较短的数据组。
由于报文分组比报文短的多，传输时比较灵活。
特别是当传输出错需要重发时，它只需重发出错的报文分组，而不必像报文交换方式那样重发整个报文。
29）虚电路；虚电路方法在发送报文分组之前，需要先建立一条逻辑信道。
这条逻辑信道并不像线路交换方式那样是一条真正的物理信道。
因此，将这条逻辑信道称为虚电路。
30）数据报；在数据报方法中把一个完整的报文分割成若干个报文分组，并为每个报文分组编好序号，以便确定它们的先后次序。
报文分组又称为数据报。
31）星形结构；在星形结构中，每一个节点都通过一条链路连接到一个中央节点上去。
任何两个节点之间的通信都要经过中央节点。
中央节点有一个开关装置来接通两个节点之间的通信路径。
因此，中央节点的构造是比较复杂的，一旦发生故障，整个通信系统就要瘫痪。
因此，这种系统的可靠性是比较低的，在集散控制系统中应用得较少。
32）环形结构；在环形结构中，所有的节点通过链路组成一个环形。
需要发送信息的节点将信息送到环上，信息在环上只能按某一确定环形方向传输。
当信息到达接收节点时，如果该节点识别信息中的目的地址与自己的地址相同，就将信息取出，并加上确认标记，以便由发送节点清除。
33）总线型结构；与星形和环形结构相比，总线型结构采用的是一种完全不同的方法。
它的通信网络仅仅是一种传输介质，既不像星形网络中的中央节点那样具有信息交换的功能，也不像环形网络中的节点那样具有信息中继的功能。
所有的站都通过相应的硬件接口直接接到总线上。
由于所有的节点都共享一条公用的传输线路，所以每次只能由一个节点发送信息，信息由发送它的节点向两端扩散。
这就如同广播电台发射的信号向空间扩散一样。
所以，这种结构的网络又称为广播式网络。
34）半工方式；信息只能沿单方向传输的通信方式称为单工方式，如图
35）半双工方式；信息可以沿着两个方向传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输的通信方式称为半双工方式，如图
36）全双工方式；信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式称为全双工方式，如图所示。
23，集散控制系统的通信网络系统的作用是互联各种通信设备，完成工业控制。
因此，与一般的办公室用局部网络有所不同，它应具有的特点包括哪几个部分？
解答：
（1）具有快速的实时响应能力。
一般办公室自动化计算机局部网络响应时间为2s～6s，而它要求的时
升级会员 