集散控制系统习题答案doc.docx

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集散控制系统习题答案doc

第1章习题答案

一、填空题

1.DDC系统由控制计算机取代常规的模拟调节仪表而直接对生产过程进行控制的系统

2.DCS采用分散控制，集中操作，分级管理，分而自治和综合协调的设计原则

3.FCS用现场总线和现场设备组成的控制系统

4.一个最基本的DCS应包括四个大的组成部分：

至少一台现场控制站，至少一台工程师站（也可利用一台操作员站兼作工程站），一条系统网络。

5.PLC具有了高速、中断技术、PID调节、数据处理和数据通信等功能

二、名词解释

1.DAS：

数据采集系统（DataAcquisitionSystem）是计算机应用于生产过程控制最早、也是最基本的一种类型。

2.CIPS：

集常规控制、先进控制、在线优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的综合自动化系统。

3.PLC：

（ProgrammableLogicalController）叫做可编程序逻辑控制器。

三、简答题

1、DDC系统的特点？

答：

DDC系统具有如下特点：

（1）进行数据采集、处理、报警，实现生产过程集中监视；

（2）计算机直接参与控制，实现过程闭环控制；

（3）一台计算机可以替代多台PID模拟控制器，实现多回路的控制，并易引入复杂控制算法和方式，由软件编程实现即可，无需增加硬件设备；

（4）显示、控制集中，危险也集中（一旦计算机出现故障，整个系统将瘫痪），对系统的可靠性要求较高。

2、SCC的特点?

答：

SCC的特点如下：

（1）DDC直接与过程相连，实现过程直接数字控制，要求DDC级实时性好、可靠性高、环境适应性强；

（2）SCC级计算机也称上位机，它根据DDC级提供的生产过程状况和已定的数学模型，进行优化分析、计算，输出最优设定值SP,交与DDC级执行。

SCC计算机承担高级控制和管理任务，要求数据处理功能强、存储量大、运行速度快。

（3）SCC为两级控制，系统的可靠性较DDC高。

即一旦SCC计算机出现故障，DDC计算机仍能独立完成任务；而DDC计算机出现故障，则由SCC计算机替代DDC计算机完成控制任务。

3.DCS系统的特点？

答：

DCS系统具有如下特点：

（1）采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，大大提高了系统的可靠性；

（2）采用了4C技术：

Computer,Control,Communication及CRT；

（3）由下而上形成多级控制结构：

过程控制级、集中监控级、生产管理级；

（4）采用网络方式实现各级间的信息传递。

4.DCS的现阶段状况及发展方向？

答：

随着网络技术、数据库技术、软件技术及现场总线技术的发展为开发系统提供了基础；各DCS厂家竞争的加剧，促进了细化分丁与合作，各厂家放弃了原来自己独立开发的丁作模式，变成集成与合作的开发模式所以开发性自动实现了。

第四代DCS全部支持某种程度的开放性。

开放性体现在DCS可以从三个不同层面与第三方产品相互连接：

在企业管理层支持各种管理软件平台连接；在工厂车间层支持第三方先进控制产品，SCADA平台，MES产品，BATCH处理软件，同时支持多种网络协议；在控制层可以支持DCS单兀（系统）、PLC,各种智能控制单元及各种标准的现场总线仪表与执行机构。

开放性的确有很多好处，但是在考虑开放性的同时，首先要充分考虑系统的安全性和可靠性。

在选择设备时，先确定系统的要求，然后根据需求选择必要的设备。

尽量不要装备一些不必要的功能，特别是网络功能和外设的选择一定要慎重。

随着开放系统和平台技术的发展，产品的选择更加灵活,软件的组态功能越来越强大而灵活，但是每一个特定的应用都需要一个独特的解决方案，所以专业化的应用知识和经验是当今自动化厂商或系统集成商成功的关键因素。

各DCS厂家在努力宣传各自DCS技术优势的同时，更是努力宣传自己的行业方案设计与实施能力。

为不同的用户提供专业化的解决方案并实施专业化的服务，将是今后各DCS厂家和系统集成商竞争的焦点，同时也是各厂家盈利的主要来源。

5.DCS和PLC二者关系如何？

答：

A:

DCS和PLC之间有下列区别：

（1）从发展的方面来说：

DCS从传统的仪表盘监控系统发展而来。

因此，DCS从先天性来说较为侧重仪表的控制，PLC从传统的继电器回路发展而来，最初的PLC甚至没有模拟量的处理能力，因此，PLC从开始就强调的是逻辑运算能力。

2）从系统的可扩展性和兼容性的方面来说：

市场上控制类产品繁多，无论DCS还是PLC,均有很多厂商在生产和销售。

对于PLC系统来说，一般没有或很少有扩展的需求，因为PLC系统一般针对于设备来使用。

但大部分的DCS系统，比如横河YOKOGAWA、霍尼维尔、ABB等等，虽说系统内部（过程级）的通讯协议不尽相同，但操作级的网络平台不约而同的选择了以太网络，采用标准或变形的TCP/IP协议。

这样就提供了很方便的可扩展能力。

（3）从数据库来说：

DCS一般都提供统一的数据库。

而PLC系统的数据库通常都不是统一的，组态软件和监控软件甚至归档软件都有自己的数据库。

4）从时间调度上来说：

PLC的程序一般不能按事先设定的循环周期运行，而DCS可以设定任务周期。

（5）从网络结构发面来说：

一般来讲，DCS惯常使用两层网络结构，PLC系统的工作任务相对简单，因此需要传输的数据量一般不会太大，所以常见的PLC系统为一层网络结构。

（6）从应用对象的规模上来说：

PLC一般应用在小型自控场所，而大型的应用一般都是DCSoB:

DCS和PLC之间有下列相似：

（1）从功能来说：

PLC已经具备了模拟量的控制功能，有的PLC系统模拟量处理能力甚至还相当强大，而DCS也具备相当强劲的逻辑处理能力

（2）从系统结构来说：

PLC与DCS的基本结构是一样的。

PLC发展到今天，已经全面移植到计算机系统控制上了，传统的编程器早就被淘汰。

小型应用的PLC一般使用触摸屏，大规模应用的PLC全面使用计算机系统。

和DCS一样，控制器与10站使用现场总线.（3）PLC和DCS的发展方向：

小型化的PLC将向更专业化的使用角度发展，比如功能更加有针对性、对应用的环境更有针对性等等。

大型的PLC与DCS的界线逐步淡化，直至完全融和。

DCS将向FCS的方向继续发展。

第2章习题答案

一、填空题

1、对于集中式计算机控制系统，其两大应用指标就是中央计算机的处理速度和计算机自身的可靠性。

2、目前，层次化已成为DCS的体系特点。

3、综合管理级居于自动化系统的最高层，它的管理范围很广，包括工程技术方面、经济方面、商业事务方面、人事活动方面以及其他方面的功能。

4、DCS的通信网络是DCS系统的重要组成部分，它是连接系统各个站的桥梁，是DCS系统的命脉。

5、在环形拓扑网络结构中,每一个节点都有输入端口和输出端口，节点间通过线路首尾连接，组成一个闭合回路。

二、名词解释

1、并行通信：

并行数据通信是以字节或字为单位的数据传输方式，除了8根或16根数据线、一根公共线外，还需要通信双方联络用的控制线。

2、串行通信：

串行数据通信是以二进制的位（bit）为单位的数据传输方式，每次只传送一位，最少只需要两根线（双绞线）就可以连接多台设备，组成控制网络。

3、单工与双工通信：

单工通信方式只能沿单一方向传输数据，双工通信方式的信息可以沿两个方向传送，每一个站既可以发送数据，也可以接收数据。

双工方式又分为全双工和半双工。

4、拓扑结构：

所谓"拓扑结构"是指网络的节点和站实现互联的方式，局域网常见的拓扑结构有总线型结构，环形结构，星型结构。

三、简答题

1.典型的DCS系统由哪几层构成？

各层功能如何？

答：

典型的DCS系统的体系结构目前一般为四层结构：

过程控制级，集中监控级，生产管理级，综合管理级。

过程控制级是DCS的基础，其主要任务有：

（1）进行过程数据采集

（2）进行直接数字的过程控制，（3）进行设备监测和系统的测试和诊断，（4）实施安全性、冗余化方面的措施；集中监控级主要是应付单元内的整体优化，并对其下层产生确切的命令，在这一层可完成的功能有:

优化过程控制、自适应回路控制、优化单元内各装置、通过获取过程控制层的实时数据以进行单元内的活动监视、故障检测存档、历史数据的存档、状态报告和备用；生产管理级是产品规划和控制级完成一系列的功能；综合管理级居于自动化系统的最高层，它的管理范围很广，包括工程技术方面、经济方面、商业事务方面、人事活动方面以及其他方面的功能。

2.DCS系统通信的拓扑结构有哪几种？

DCS系统中常常用哪几种拓扑结构？

所谓”拓扑结构”是指网络的节点和站实现互联的方式，局域网常见的拓扑结构有总线型结构，环形结构，星型结构。

3.DCS系统网络与一般的计算机网络相比有哪些特点？

答：

1》.具有快速的实时响应能力。

DCS的通信网络是工业计算机局部网络，它应能及时地传输现场过程信息和操作管理信息，因此网络必须具有很好的实时性，一般办公自动化计算机的局域网络响应时间为2秒至6秒，而DCS网络要求的响应时间为0.01秒至0.5秒。

2》.具有极高的可靠性，须连续、准确运行，通信系统的任何中断和故障都可能造成停产，甚至引起设备和人身事故。

数据传送误码率为至10"。

系统利用率在99.999%以上。

3》.适应于恶劣环境下工作。

能抗电源干扰、雷击干扰、电磁干扰、和接地电位差干扰。

为了克服各种干扰，现场通信系统采用了种种措施，比如对通信信号采用调制技术，以减少低频干扰；采用光电隔离技术，以避免雷击或接地电位差干扰对通信设备的损坏。

4》.分层结构。

为适应集散系统的分层结构，其通信网络也必须具分层

4.计算机网络中标准的通信协议有哪几种？

DCS系统中广泛采用的又是哪几种通信协议？

答：

计算机网络中标准的通信协议：

（1）Modus/TCP：

Modus是MODICON公司在20世纪70年代提出的一种用于PLC之间通信协议。

（2）Ethernet/IP：

Ethernet/IP是美国Rockwell公司提出的以太网协议,其原理与Modus/TCP相似,只是将ControlNET和DeviceNET使用的CIP（ControlInformationProtocol）报文封装在TCP数据帧中，通过以太网实现数据通信。

（3）FFHSE：

HSE是IEC61158现场总线标准中的一种，HSE的广4层分别是以太网和TCP/IP,用户层与FFHI相同，现场总线信息规范FMS在H1中定义了服务接口，在HSE中采用相同的接口。

（4）PROFInet：

PROFInet是在PROFIBUS的基础上向纵向发展，形成的一种综合系统解决方案。

PROFInet主要基于Microsoft的DCOM中间件，实现对象的实时通信，自动化对象以DCOM对象的形式在以太网交换数据。

要实现一个统一的、具可操作性的工业以太网，还有相当长的路要走。

从以上的讨论不难看出，大的自动化系统公司都把工业以太网使用在控制级及其以上的各级，为保护投资者利益，现场级仍采用现有现场总线，ModbusTCP/IP使用Modbus总线，Etherent/IP使用DeviceNet和ControlNet现场总线，FFHSE现场级FFH1现场总线，PROFInet则完全保留已有的Profibus现场总线。

这样一来，要使这些系统相互兼容看来需要走相当长的路。

5.请例举几种常见的DCS系统，试述其系统结构和系统特点。

和利时的hollias-mac系统，该系统基于Profibus现场总线技术设计，其分布式数据库，属于C/S的体系结构。

具有集成OPC技术，采用成熟的先进控制算法，对控制系统实现计算机监控，并旦集成了DMS系统、RealMIS系统、EPR系统、SCM和CRM系统等。

可在智能现场仪表设备、控制系统、企业资源管理系统之间进行无痕信息流传输，实现工厂智能化，管控一体化，为工厂自动控制和企业管理提供全面的解决方案。

F0XB0R0公司的I/AS系统：

I/AS系统（IntellegentAutomationSeries,I/A）是原来Spectrum系统的换代产品，是美国FOXBORO公司推出的新•代开放式智能DCS控制系统，是世界上第一种使用开放网络的工业控制系统。

也是目前使用64位工作站和全冗余的高标准DCS控制系统„l/ASeries已经在全世界电力、石化、冶金、建材、轻工、纺织、食品等各个领域都有广泛应用的系统。

现在是Invensys公司的下属公司，与Wonderware公司同属于一^集团公司。

它走向开放也支持前面介绍的OPC标准，但又有AchestrA架构。

现在新推出的系统是A°系统。

Invensys公司提出一个构想，凡是满足ArchestrA架构的计算机都可以与它互连。

一些回路控制器、Contrllogics等都可以成为他的控制器，既可以连接以太网，也可以连在Arcnet上。

浙大中控JX300XP系统：

JX300XP系统网络结构为适应各种过程控制规模和现场要求，其通信系统对于不同结构层次分别采用了信息管理网、SCnetII网络和SBUS总线。

信息管理网（Ethernet）采用以太网用于工厂级的信息传送和管理，是实现全厂综合管理的信息通道。

该网络通过在多功能站MFS上安装双重网络接口（信息管理和过程控制网络）转接的方法，获取集散控制系统中过程参数和系统运行信息，同时向下传送上层管理计算机的调度指令和生产指导信息。

过程控制网络SCnetII是双高速冗余丁业以太网，它是在lOBaseEthernet基础上开发的网络系统。

它直接连接了系统的控制站、操作员站、工程师站、通信接口单元等，是传送过程控制实时信息的通道，具有很高的实时性和可靠性。

通过挂接网桥，SCnetII可以与上层的信息管理网或其它厂家设备连接。

西门子的SIMATICPCS7系统

德国西门子公司的SIMATICPCS7—全集成自动化的过程控制系统，通过全集成自动化®（TIA）,实现了基于单一平台提供用于所有过程自动化应用的统一自动化技术的目标，从输入物流，到生产或主要流程以及辅助流程，直到输出物流。

这种统一的自动化技术还可用于优化一个企业的所有业务流程，从企业资源计划（ERP）级，到管理执行系统（MES）级和过程控制级，直到现场级。

通过将自动化平台连接到IT环境，可以将过程数据在整个公司范围内应用于设备运行、生产流程以及商务流程的评价、规划、协同和优化。

同时，还可满足全球化公司的分布式生产的地域要求。

AdvantOCS是ABB公司的产品。

AC800是原瑞典MASTER系统产品从AC400、AC500发展起来的，它在我国轧制工艺中应用较多。

如钢铁行业连轧、冷轧和造纸行业等，另外在水泥、石化行业也有应用。

ABB公司的工业IT中仍然使用该系统的控制器和I/O卡件。

网络部分变化比较多。

美国韦斯康星州密尔沃基市的罗克韦尔（Rockwell）是一家拥有百年历史的丁业自动化跨国公司，在全球工业自动化动力、控制与信息技术解决方案等领域占据领先地位，提供各种工业领域的专家支持，诸如采矿、水泥、起重机及船舶应用、地铁、半导体、水及污水处理、轮胎、石油及石化、冶金、汽车、食品与饮料、电力及能源等。

罗克韦尔公司的ControlLogix系统网络采用三层结构：

在信息层采用以太网，用于全厂的数据采集和程序维修。

在自动化和控制层采用控制网、DH+、DH485和远程I/O,实现实时I/O控制，控制器互锁和报文传送。

在设备层采用设备网，用于底层设备的低成本，高效率信息集成。

SunyPCC800小型集散控制系统采用二层网络结构，分别是系统网络SNet、控制网络CNetoI/O功能模板通过SmartBus连接智能I/O调理模块；CNet连接各个功能模板；SNet采用工业以太网，可连接多套控制站，或多台操作站/工程师站，并可无缝连接MIS/ERP0

第3章习题答案

一、填空题

1、现场控制站是整个集散控制系统的核心部件,现场信息的采集、各种控制策略的实现都在现场控制站上完成。

2、DCS的固有可靠性是在设计系统时就产生的。

3、智能调节器是一种数字化的过程控制仪表。

4、根据操作站本体的结构，操作站可分为台式和立式两种。

5、光缆的主要缺点是分支、连接比较困难和复杂。

需要专门的连接工具。

二、名词解释

1、现场控制站（FCU）：

又称I/O控制站，它位于系统的最底层，用于实现各种现场物理信号的输入和处理，实现各种实时控制的运算和输出等功能。

2、操作员站：

是运行操作人员与DCS系统之间的一个人机界面，通常由一个大屏幕监视器（CRT）,一个控制计算机以及一个操作员键盘或/和一个鼠标组成。

3、工程师单元：

是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点。

4、系统组态功能：

用来生成和变更操作员站和现场控制站的功能，其内容为填写工作单，由组态工具软件将工作单显示于屏幕上，用会话方式完成功能的生成和变更。

5、光缆：

是一种光导纤维组成的利用内部全反射原理来传导光束的通信介质，数据以光脉冲发送，光纤本身并不导电。

三、简答题

1.集散控制系统的基本组件有哪些？

集散控制系统的基本组件包括现场控制单元、过程控制单元、操作员单元、工程师单兀、通信网络单元、输入输出模件等。

2.请叙述现场控制级的功能及特点。

现场控制站具有采集、控制功能、信号的采集、转换功能、控制策略的实现功能、通信功能。

现场控制站是整个集散控制系统的核心部件，现场信息的采集、各种控制策略的实现都在现场控制站上完成。

为保证现场控制站的可靠运行，除了在硬件上采取一系列的保障措施以外，在软件上也开发了相应的保障功能，如主控制器及I/O通道插件的故障诊断、冗余配置下的板级切换、故障恢复、定时数据保存等。

3.为提高现场控制站可靠性应考虑哪些问题？

答：

应当考虑：

（1）系统元器件。

（2）系统单元级的可靠性设计。

（3）系统的冗余措施。

（4）系统故障隔离措施，（5）系统迅速排除故障措施。

4.简述工程师单元基本的硬件配置和功能

答：

基本配置：

（l）CPUPentium4以上。

（2）内存容量256MB以上。

⑶硬盘容量40GB。

（4）软驱。

（5）显示卡VGA。

（6）显示单元19寸工业监视器，分辨率为1024X768,真彩色（可选触模屏）（7）键盘标淮键盘。

（8）打印机如汉字行式打印机。

功能：

1）系统维护功能；2）系统管理功能；3）系统组态功能；4）系统测试功能。

5.请叙述操作员单元的功能。

1》.显示管理功能2》.操作功能3》.打印功能。

第4章习题答案

一、填空题

1、集散控制系统的控制层软件特指运行于现场控制站的控制器中的软件;

2、DCS的控制功能由现场控制站中的控制器实现;

3、DCS的监督控制层集中了全部工艺过程的实时数据和历史数据；

4、人机界面是DCS系统的信息窗口。

5、在数据通信系统中通常采用三种数据交换方式：

线路交换方式、报文交换方式和报文分组交换方式。

二、名词解释

1、控制层软件：

是运行在现场控制站上的软件，主要完成各种控制功能，包括PID回路控制、逻辑控制、顺序控制，以及这些控制所必须针对现场设备连接的I/O处理；

2、功能块图（FBD）：

是一种图形化的控制编程语言，它通过调用函数和功能块来实现编程。

所调用的函数和功能块可以是IEC标准库当中的，也可以是用户自定义库当中的。

3、梯形图（LD）：

是IEC61131-3三种图形化编程语言的一种，是使用最多的PLC编程语言，来源于美国，最初用于表示的继电器逻辑，简单易懂，很容易被电气人员掌握。

4、DCS通信网络系统：

是传递住处所需的一切技术设备的总和，一般由信息源和信息接收者，发送、接收设备，传输媒介几部分组成。

5、高层协议：

所谓高层协议，是指表示层和应用层协议，它们用来实现低层协议与用户之间接口所需要的一些内部操作。

三、简答题

1、控制系统组态软件应包括的内容？

答：

一套控制系统组态软件应包括以下几方面内容。

（1）系统配置组态（完成DCS各站设备信息的组态）。

⑵数据库组态（包括测点的量程上下限、单位及报警组态等信息）。

（3）控制算法组态。

（4）流程显示及操作画面组态。

（5）报表组态。

（6）编译和下装等。

2、在实时数据库组态时，应注意的问题？

答：

（1）在进行控制采集测点组态之前，先检查一下各点的地址分配是否合理。

这里主要检查《测点清单》中的测点分配是否超出机柜的配置范围。

（2）仔细阅读组态使用说明书，理解《测点清单》中每一项内容的实际含义，特别是物理信号的转换关系中每个系数的具体含义。

（3）充分利用组态软件提供的编辑功能，如复制、修改等。

（4）关于中间计算点（中间量点、中间变量）的组态应注意，中间计算点往往是在进行控制算法组态和图形显示及报表组态时产生的，因此数量不断增加。

在进行组态之前，一定要掌握每个站所支持的中间计算点的最大数目，而且要尽可能地优化中间计算点，适当地分配中间计算点，将中间计算点的数量控制在系统允许的范围内。

3、人机界面设计的原则？

答：

（1）一致性原则。

由于DCS系统通常有多人协作完成，在界面设计保持高度一致性，使其风格、术语都相同，用户不必进行过多的学习就可以掌握其共性，还可以把局部的知识和经验推广使用到其他场合。

（2）提供完整的信息。

对于工艺数据信息，在人机界面上都应该能完整的反映出来。

同时，对用户的操作，在界面上也应该表现出来，如果系统没有反馈，用户就无法判断他的操作是否为计算机所接受、是否正确以及操作的效果是什么。

（3）合理利用空间，保持界面的简洁。

界面总体布局设计应合理，例如，应该把功能相近的按钮放在一起，并在样式上与其他功能的按钮相区别，这样用户使用起来将会更加方便。

在界面的空间使用上，应当形成一种简洁明了的布局。

界面设计最重要的就是遵循美学上的原则一一简洁与明了。

（4）操作流程简单快捷。

调用系统各项功能的操作流程尽可能简单，使用户的工作量减小，工作效率提高。

画面尽量做到一键出图，参数设置可以采用鼠标单击对象和键盘输入数据的方式，也可采用鼠标单击对象弹出计算器窗口的方式。

总之，尽可能简化操作。

（5）工作界面舒适性。

例如，用什么样的界面主色调，才能够让用户在心情愉快的情况下，长时间工作而不感觉疲倦呢？

4、DCS的通信网络系统的特点？

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,而它要求的时间为0.01s〜0.5s。

（2）具有极高的可靠性。

须连续、准确运行，数据传送误码率为10-11〜10-8。

系统利用率在99.999%以上。

（3）适应于恶劣环境下工作。

能抗电源干扰、雷击干扰、电磁干扰和接地电位差干扰。

（4）分层结构。

为适应集散系统的分层结构，其通信网络也必须具有分层结构，例如分为现场总线、车间级网络系统和工厂级网络系统等不同层次。

5、数据通信的工作方式？

答：

（1）线路交换方式，所谓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。

（2）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。

（3）报文分组交换方式，报文分组交换