计算机控制技术及其应用（丁建强 任晓 卢亚萍）课后答案(10)

《计算机控制技术及其应用》 第8章 DCS集散控制系统 思考题与习题 指导信息

第8章 DCS集散控制系统

1. DCS控制系统是在什么控制系统的基础上发展起来的？其构建的原则是什么？

[指导信息]: 参见8.1.1 DCS的产生、8.2.1 DCS的分层结构、1.2.2 计算机控制系统的分类。 DCS是在传统过程控制系统的基础上发展起来的。构建的原则是“分散控制、集中操作、分级管理”。

2. DCS可分为哪几层结构？每层的主要功能是什么？各层通过什么通信网络相互连接？

[指导信息]: 参见8.2.1 DCS的分层结构，8.2.3 DCS的通信网络。

DCS可分为三层结构，分别为分散过程控制层、集中操作监控层、综合信息管理层，并通过通信网络形成一个整体。

在分散过程控制层中，通信网络将控制器与I/O单元，以及与现场仪表、传感器、执行器连接起来，该网络具有实时性、互换性、互操作性和本质安全，现场总线技术能够满足分散过程控制级的数据通信。

集中操作监控层与分散过程控制层之间的大多都采用了实时以太网进行通信，要求具有较好的确定性、实时性和可靠性，较高的数据传输速率，并有一定传输距离。

综合信息管理层内部以及与集中操作监控层之间可采用企业内部网Intranet技术，在安全性保障的前提下，实现最大可能的互连、互换和互可操作性。 3. DCS中的控制站、操作站、工程站所完成哪些主要任务？

[指导信息]: 参见8.2.2 DCS的核心部件。

控制站是DCS系统中非常重要的核心部件，也是整个DCS的基础，其主要任务是完成所有I/O信号的处理、控制算法的运行、上下网络通信、冗余诊断等。一个控制站可以有上千个控制点，它的可靠性和安全性尤为重要。

操作站有时也称操作员站，通常由安装监控软件的PC机或工控机组成，可配置专用的操作键盘和鼠标或触摸屏。操作站的主要作用是实现对系统运行的监视和运行参数的设置。操作站通常提供丰富的人机界面。

工程站也称工程师站、工程工作站，通常由安装组态软件和系统开发环境的高性能PC机或工控机组成。工程站的主要作用是为设计人员提供工程设计、系统扩展或维护修改的操作平台。在工程工作站上，工程设计人员完成系统设计、调试、维护和诊断等工作。 4. 简述WebField JX-300XP中一个控制站和一个控制区域的规模。

[指导信息]: 参见8.4.2 JX -300XP系统的组成。

JX-300XP通过SCnet II过程控制网最多可连接15个控制站、32个操作员站或工程师站，由此形成一个控制区域。控制站以主控制卡为核心部件。一个控制站可以配置一对互为冗余的主控制卡，一对冗余的主控制卡通过SBUS网络可以挂接至多8个I/O单元，每个I/O单元可以挂接16块I/O卡件。一个控制站允许配置的I/O信号点数最多可达1024个(其中模拟量输入AI点数≤384；模拟量输出AO点数≤128；数字量输入DI点数≤1024；数字量输出DO点数≤1024)，一个控制站最多可定义128个控

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《计算机控制技术及其应用》 第8章 DCS集散控制系统 思考题与习题 指导信息

制回路。由此可推出一个控制区域允许配置的I/O信号点数最多达15×1024=15360。 5. 简述WebField JX-300XP电源系统的组成和特点。

[指导信息]: 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。

JX -300XP的电源系统采用双路AC输入和二重/四重冗余设计。每个机柜、每个每个I/O都有冗余的双路电源供电，其中一路采用UPS电源。当某一电源单元或外部线路出现故障时，仍能保证系统的正常供电。JX -300XP电源系统的连接关系可见图 8-3所示。 6. 简述WebField JX-300XP有哪些接地？如何连接？

[指导信息]: 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。

JX-300XP接地保护接地、工作接地、防静电接地等之分，这些接地分类汇总后，最终与总接地板联结接入大地，系统接地桩应与其他大电流或高压设备的接入点保持大于5米的距离，与避雷地桩之间的距离大于20米。JX-300XP的系统接地图可参见图 8-4所示。 7. 简述WebField JX-300XP主控卡的功能和特点。

[指导信息]: 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。

主控制卡(又称主控卡，卡编号为XP243)是控制站软硬件的核心，协调控制站内软硬件关系和各项控制任务。它是一个智能化独立运行的计算机系统，可以自动完成数据采集、信息处理、控制运算等各项功能。

主控制卡采用双微处理器结构，协同处理控制站的任务，具有较好的实时性、可靠性和自诊断功能；支持SCX语言、梯形图、功能图、顺控等组态工具构造的控制方案。 8. 简述WebField JX-300XP数据转发卡的主要作用。

[指导信息]: 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。

数据转发卡(卡编号为XP233)是I/O机笼的核心单元，是主控制卡联接I/O卡件的中间环节，它的主要功能包括通过SBUS联接主控卡，管理本机笼中的I/O卡件，进行数据转发，同时提供本机笼温度采集，用于热电偶的冷端温度补偿。

一块主控制卡(XP243)通过SBUS总线(S2)可连接1～8个数据转发卡(即连接1到8个I/O单元机笼)，每个数据转发卡通过SBUS总线(S1)连接1～16块不同功能的I/O卡件。数据转发卡(XP233)与SBUS总线的连接如图 8-8为所示。

9. 通过查阅资料，进一步了解WebField JX-300XP典型I/O卡件的原理框图和端子接线。

[指导信息]: 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。

结合表 8-2主要I/O卡件一览表的信息，关注典型I/O卡件的原理框图和端子接线。 10. 简述WebField JX-300XP中控制站、操作员站、工程师站的IP地址设置要求和范围。

[指导信息]: 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。

每个控制站包括两块互为冗余主控制卡。同一块主控制卡有两个网络端口，享用相同的主机号和两个不同网络号。操作员站、工程师站也有两块互为冗余的网卡，享用相同的一个主机号和两个不同网络号。IP地址的网络号分别为128.128.1和128.128.2，控制站的主机号为2～31（最多有15个控制站），操作站和工程师站的主机号为129～160（最多有32个操作员站或工程师站）。

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《计算机控制技术及其应用》 第8章 DCS集散控制系统 思考题与习题 指导信息

11. 简述WebField JX-300XP中的通信网络，并画出连接示意图。

[指导信息]: 参见8.4.3 JX -300XP系统的硬件。

JX-300XP控制系统的通信网络分三层：高层信息管理网(Intranet)、过程控制网(SCnet II)和底层I/O控制总线(SBUS)。

高层信息管理网（Intranet）用于大容量文件的高速传输，资源信息的共享，支持采用大型数据库功能，并可将本地控制系统连入企业Intranet。

过程控制网络SCnet II采用双重化冗余结构专用以太网。SCnet II连接了控制站、操作站和工程师站。

底层I/O控制总线(SBUS)包括SBUS(S1)和SBUS(S2)。前者实现数据转发卡与各I/O卡件之间的信息交换，后者实现主控制卡与数据转发卡之间的信息交换。

连接示意图见图 8 14所示。

12. 简述WebField JX-300XP的软件组成及主要功能。

[指导信息]: 参见8.4.4 JX-300XP系统的软件。

JX-300XP系统的软件主要由SCKey系统组态软件、SCLang C语言组态软件、SCControl图形组态软件、SCDraw流程图制作软件、SCForm报表制作软件、AdvanTrol实时监控软件组成。

SCKey组态软件用于控制系统的硬件配置；SCControl图形化组态软件和SCLang C语言组态软件用于设计各种控制算法；SCDraw流程图软件和SCForm报表软件用于图形界面和报表的制作。

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《计算机控制技术及其应用》 第9章 计算机控制系统的解决方案 思考题与习题 指导信息

第9章 计算机控制系统的解决方案

1. 计算机控制系统解决方案的主要任务有哪些？需要考虑哪些因素？

[指导信息]: 参见第9章 计算机控制系统的解决方案引言部分。

制定计算机控制系统解决方案的主要任务有全面了解被控对象的特点和控制目标的要求，还需要考虑诸多因素，如技术的先进性和成熟性、结构的适应性和可靠性、开发和维护人员的应用水平、设备和器件的成本、开发和实施的进度等。

2. 基于嵌入式系统的解决方案有哪些特点和适应场合？

[指导信息]: 参见9.1.1 组成和特点。

基于嵌入式系统的解决方案特点在于系统的控制单元、执行单元、反馈单元与被控对象高度融合，用途专一，结构紧凑，性价比高。

这种解决方案非常适用于批量生产的自动控制产品。作为批量生产的产品，在可靠性、适应性、可维护性、成本、体积、功耗等都会有特殊的要求，需要有经验丰富的嵌入式系统开发人员及其开发环境的支持，需要有一定的开发周期。

3. 结合某个应用系统，提出基于嵌入式系统的解决方案，给出控制系统的结构框图。

[指导信息]: 参见9.1.2 案例1——由嵌入式系统控制的全自动洗衣机。

提示：理解案例1——由嵌入式系统控制的全自动洗衣机。通过收集资料，结合某个应用系统，提出基于嵌入式系统的解决方案，给出控制系统的结构框图。 4. 基于智、能控制仪表的解决方案有哪些特点和适应场合？

[指导信息]: 参见9.2.1 组成和特点。

基于智能控制仪表的解决方案是以智能控制仪表为控制核心，利用其集成的基本输入输出通道和简单的数码显示装置，配置通用的传感器和执行器，通过手动或上位机设置控制参数，提供或通过上位机进行监控。

智能控制仪表结构紧凑、安装方便、配置容易、操作简单、通用性强、技术成熟，广泛应用于工业自动化控制领域的过程控制。

适应场合：以模拟信号控制为主的单一变量或小规模控制系统，也可通过通信网络，形成一定规模的过程控制系统。但不太适用于顺序控制、程序控制的场合。

5. 结合某个应用系统，提出基于智能控制仪表的解决方案，给出控制系统的结构框图。

[指导信息]: 参见9.2.2 案例2 ——基于智能控制仪表的电阻炉温度控制系统。

提示：理解案例2 ——基于智能控制仪表的电阻炉温度控制系统。通过收集资料，结合某个应用系统，提出基于智能控制仪表的解决方案，给出控制系统的结构框图。 6. 基于PLC可编程逻辑控制器的解决方案有哪些特点和适应场合？

[指导信息]: 参见9.3.1 组成和特点。

基于PLC的解决方案中，以PLC可编程逻辑控制器为控制核心，配置通用的传感器和执行器作为

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《计算机控制技术及其应用》 第9章 计算机控制系统的解决方案 思考题与习题 指导信息

检测单元和执行单元，通过通信接口设置控制参数和进行监控。

PLC产品成熟可靠，品种规格丰富，扩展方便灵活，编程简单方便，因此基于PLC解决方案的特点在于控制系统的开发效率高，可靠性好，扩展方便，特别适用于顺序控制、程序控制等机电一体化产品和过程控制系统。但PLC在性价比、结构连接的灵活性以及人机交互方面仍有不足之处。 7. 结合某个应用系统，提出PLC可编程逻辑控制器的解决方案，给出控制系统的结构框图。

[指导信息]: 参见9.3.2 案例3——PLC控制的工业洗衣机。

提示：理解案例3——PLC控制的工业洗衣机。通过收集资料，结合某个应用系统，提出PLC可编程逻辑控制器的解决方案，给出控制系统的结构框图。

8. 基于分布式数据采集与控制模块的解决方案有哪些特点和适应场合？

[指导信息]: 参见9.4.1 组成和特点。

基于分布式数据采集与控制模块的解决方案以分布式I/O模块及控制器为控制核心，配置通用的传感器和执行器，通过通信网络形成一个控制系统，并通过组态软件进行参数设置和监控。

基于分布式数据采集与控制模块的解决方案的主要特点包括分布式数据采集、远程控制、简洁的通信网络、扩展灵活的结构、较强的工业现场适应性，适用于需要分布式采集数据、有一定规模的过程控制系统。由于分布式数据采集模块使用的通信网络在快速性、可靠性以及数据传输速率上还有所不足，有待于先进的现场总线技术来完善。

9. 结合某个应用系统，提出分布式数据采集与控制模块的解决方案，给出控制系统的结构框图。

[指导信息]: 参见9.4.2 案例4——潮流水槽计算机检测与控制系统。

提示：理解案例4——潮流水槽计算机检测与控制系统。通过收集资料，结合某个应用系统，提出分布式数据采集与控制模块的解决方案，给出控制系统的结构框图。 10. 基于PAC可编程自动化控制器的解决方案有哪些特点和适应场合？

[指导信息]: 参见9.5.1 组成和特点。

基于PAC可编程自动化控制器解决方案以PAC可编程自动化控制器为控制核心，配置通用的传感器和执行器，通过PAC提供的软件控制平台和HMI人机接口，开发相应的控制软件和数据库应用软件，利用通用外设进行监控和设置控制参数。

基于PAC可编程自动化控制器解决方案在复杂的控制能力、高速的数据采集、大容量的数据处理、多任务的运行模式、丰富的人机界面、良好的软件开发环境、开放式的通信接口、可扩展的I/O接口等方面具有良好的性能，适用于进行多种信号处理、需要较复杂的数据运算和控制算法的应用系统。 11. 结合某个应用系统，提出PAC可编程自动化控制器的解决方案，给出控制系统的结构框图。

[指导信息]: 参见9.5.2 案例5——PAC在桥梁健康检测系统中的应用。

提示：理解案例5——PAC在桥梁健康检测系统中的应用。通过收集资料，结合某个应用系统，提出PAC可编程自动化控制器的解决方案，给出控制系统的结构框图。 12. 比较多种控制系统的解决方案，找出它们存在的不足之处。

[指导信息]: 参见第9章各节的组成和特点内容。

基于嵌入式系统的解决方案存在的不足之处有：需要有一定的开发周期，不适用于较大规模的控制

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