分散控制系统复习题(解答)工科

第一章自动化功能概述

1、火力发电厂对自动化系统的功能要求包括哪些？

1、机组正常运行时：自动化系统根据对机组运行的要求，自动将运行参数维持在所要求的值（给定值或设定值）上，以取得较高的效率和较低的消耗（如煤耗、电耗等）；

2、机组在异常工况时：在参数超限，辅机跳闸等时，自动化设备能及时报警，并迅速、及时地按预定的规律进行处理，以保证机组设备的安全，减少机组停运的次数；

3、机组在危急情况时：当危及设备或人身安全时，自动采取措施进行及时处理，以保证设备和人身的安全，如MFT、OPC、TSI、ETS；

4、在机组启停过程中：根据设备的受热状态进行相应的控制，以避免机组产生不允许的热应力，而影响机组的使用寿命，如ATC；

5、随电网的发展，对自动发电控制（AGC）的要求日益严格，对单元机组基础自动化的要求越来越高。

2、火力发电机组的自动化功能包括哪些？

连续生产过程参数的监测和监视、报警、控制和保护。单元机组自动化的功能是通过各种自动控制系统和装置来实现的。

锅炉：CCS、MCS、FSSS（BMS）；

汽机：DEH、MEH、BPC、TSI、ETS、ATC；

电气：ECS；

辅机：BSCS、TSCS。

第二章分散控制系统概述

1、计算机控制系统由哪些部分组成？计算机在系统中起什么作用？

典型的控制系统结构：由被控对象、自动化仪表（测量仪表，变送器和执行器）和控制器组成。控制器通过硬件电路实现控制策略。在计算机控制系统中，用过程控制计算机（简称工控机）取代典型控制系统中的控制器。在过程控制计算机中通过软件实现控制策略，具有灵活、稳定、精确、功能强大的特点。

2、过程控制计算机的硬件由哪几部分组成？各起什么作用？

过程控制计算机的硬件由主机、外部设备、过程通道、人机接口设备和通信设备组成。

（1）主机：实现控制系统的控制策略及系统的监控功能；

（2）外部设备：用户与计算机系统交换信息；

（3）过程通道：过程控制计算机与生产过程的接口设备，实现计算机内与外界不同类型的信号之间的转换和隔离；

（4）人机接口设备：用户与计算机控制系统的接口设备；

（5）通信设备：控制系统的计算机之间、设备之间、计算机与设备之间的通信网络；

3、过程控制计算机的软件由哪几部分组成？它们有什么区别？

过程控制计算机的软件包括：系统软件和应用软件。

系统软件是由设备供应商提供给用户的软件。包括:操作系统、数据库管理系统、系统组态工具软件、计算机语言处理程序、标准子程序库（控制功能码库）等，用于扩展计算机系统的功能，方便用户使用计算机；应用软件是由用户在系统软件的支持下，针对具体应用编写的软件。包括：输入程序、控制计算程序、输出程序、显示程序、打印程序、报警程序等。

4、按计算机介入系统的程度分类，计算机控制系统有哪些类型？它们的缩写词是什么？哪

些是开环的？哪些是闭环的？

数据采集和处理系统（DAS）、直接数字控制系统（DDC）、监督计算机控制系统（SCC）、分散控制系统（DCS）。

开环系统：DAS；闭环系统：DDC、SCC、DCS。

5、分散控制系统有哪些主要的特点？

1、可靠性高（1）分散的系统结构;（2）冗余技术;（3）标准化、模块化的控制软件;（4）自诊断功能。

2、易扩展（1）通信分层化；（2）系统构成灵活；（3）高度集成化的硬件；

3、监视操作性能好（1）采用高智能的操作员站，集中监视、操作，（2）信息量大，（3）人机交互界面友好、直观；

4、软件编程容易（1）控制图形界面编程；（2）自动生成执行文件；

5、维护、使用方便（1）模件接插技术；（2）模件功能强大，种类少；（3）完善的自诊断功能；（4）模件允许带电插拔。

第三章分散控制系统的网络体系

1、什么是数据通信？数据通信系统由哪几部分组成？数据通信的过程包括哪几个步骤？

计算机与计算机或设备之间的数据交换称为数据通信。

数据通信系统由以下五部分组成：报文、发送设备、接受设备、传输介质、通信协议。

数据通信的过程：

（1）数据打包：把要传送的数据，加上必要的控制信息，按一定的格式包装起来形成传输的基本单位-报文或数据包；

（2）数据转换与编码：在发送方，对于表示信息的电平进行转换，调制，0、1编码，并-串转换等；

（3）数据传输：数据在通信介质上，按一定的规则传送；

（4）数据转换和译码：在接收方，对接收的信息进行电平转换，解调，解码，串-并转换等，将接收到的信号还原成报文；

（5）数据解包：删除报文中的附加控制信息，留下数据传送给接收方主机。

2、基本的通信方式有哪几种？各有什么特点？按数据传送方向和时间的关系分类，通信有哪几种方式？

（1）并行通信。多位二进制数据同时、同方向传送。传送速度快，连线多，成本高；

（2）串行通信。数据依次逐位在线路上传送。传送速度慢，连线少，成本低。

按通信线路上信号传输的方向与时间的关系分类，可分成单工通信、半双工通信和全双工通信。

1）单工通信。信息只能在线路上单方向传输。通信的一方只有发送设备，另一方只有接收设备，之间用一对线路连接。

2）半双工通信。信息可以双向传送，但不能同时传送。通信双方均有发送和接收设备，但只有一对线路连接，线路在不同方向的传送用户之间分时切换。

3）全双工通信。信息可以同时在线路上双向传送。通信双方均有发送和接收设备，由两对线路分别连接一方的发送设备和另一方的接收设备。

3、数字信息在通信线路中，有哪几种常用的传输方式和编码？什么是归零码？有什么特点？曼彻斯特编码和差动曼彻斯特编码是如何进行编码的？用于什么通讯方式中？

数字信息在通信线路上有两种传输形式：基带传输和频带传输。

（1）基带传输：二进制信息以脉冲的形式，按固定的频率直接在信道上传输称为基带传输。

在基带传输方式中，二进制信息有以下几种表示（编码）方法：

1）不归零码：用零电平或负电平表示逻辑“0”，正电平表示逻辑“1”。每位二进制信息传输之后，保持原电平不变。

2）归零码：每一位二进制信息传输后，后半周期信号返回零电平。

3）曼彻斯特编码：一种归零码。每位二进制信息电平跳变时，从正电平变为负电平表示“1”，从负电平变为正电平表示“0”。

4）差动曼彻斯特编码：根据每位二进制信息的前半周与前一位二进制信息的后半周是否有电平跳变表示“0”或“1”。有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。逻辑“0”和“1”与电平的极性无关。

（2）频带传输：将基带脉冲调制成载波（模拟量）信号在信道上传输称为频带传输。

频带传输中信息常用的表示（编码）方法有以下三种。

1）调幅（移幅键控ASK）：用数字信号控制载波的幅值变化。

2）调频（移频键控FSK）：用数字信号控制载波的频率变化。

3）调相（移相键控PSK）：用数字信号控制载波的相位变化。

4、什么是多路复用技术？常用的多路复用技术有哪几种？

把多路信号在一条线路上进行传输，以实现通信信道的共享的技术称为多路复用技术。常用的多路复用技术有：频分多路复用和时分多路复用两种。

5、什么是通信的同步？在串行通信中，有哪几种通信同步技术？试分别简述这些同步技术的特点。

通信双方的发送端和接收端在时间上取得一致称为通信的同步。

串行传输中，通常有串行异步通信和串行同步通信两种同步方式。

串行异步通信：采用启动同步方式，即每次传送一个字节数据，在数据前有一个起始位（低电平），后面有1-2位停止位（高电平）,表示数据的起、止。若无数据发送，连续发送停止位。

串行同步通信：采用自同步方式，即每次传送n个字符的数据块，前面加1-2个同步字符，若无数据传送，则连续发送同步字符。同步通信采用自带时钟的曼彻斯特编码，发送的信息与发送时钟通过混合编码传送到接收方；在接收方，接收的代码经解码后，将接收的（发送）时钟信号作为接收时钟，用于接收后面的信息，使接收方与发送方保持时间上的严格同步。

6、什么是差错控制技术？它包括哪几类技术？每类中，常用的技术有哪些？

差错控制是保证数据通信正确性的一项技术。它包括检验错误和纠正错误两方面的技术。

（1）检验错误技术。在数据通信中，常用的检错技术有奇偶校验和循环冗余码校验。

（2）纠正错误技术。常用的纠错技术有：重发纠错，自动纠错，混合纠错。

7、什么是网络拓扑结构？在分散控制系统中，常用的拓扑结构有哪几种？分别说明它们的特点。

网络拓扑结构是传输媒体互联各种设备的物理布局。

在散分式微机控制系统中，常用的通信网络结构有星形，树形、环形和总线形。

（1）星形结构：主站与从站是通过专用的通信线路一对一直接通信，故通信效率高，

接口简单。但通信线路不能共享，系统费用高，且网络通信的控制权集中在主站，一旦主站发生故障，整个通信网络将瘫痪下来。星形结构只适用于每次通信量较大的小系统。

（2）树形结构：树形结构通信网络是一种分级通信结构。它把现场工作站分为若干组，每个组中的站间通信由它们上一级的中间站协调，中间站之间的通信则由通信控制站进行协调。这种通信网络能有效地实现系统间的通信，但系统费用高，仅适用于大系统。

（3）环形结构：环形结构通信网络是将网络中的各个站首、尾串接连成一个环形。网络中没有专门的通信控制站，通信控制功能分散到各个站中完成。这种网络结构简单，容易扩展，设备费用低。但在通信环路中，通信线路和各个站的故障都可能是破坏网络通信的因素。为此，需考虑采用提高可靠性的措施，如采用冗余的通信线路；在站设备上加装通信旁路通道，在发生故障时，信息可通过旁路通道传送到下一站，同时故障站自动脱离通信环路，而不影响系统的通信。

（4）总线结构：总线形结构通信网络是一种信息传输的公用通道。总线上的通信是以串行方式进行的，因此，通信线路用线少。系统中的站都通过各自的通信接口直接挂在总线上，系统容易扩展，结构简单，设备费用低。当总线上的某个站发生故障时，不影响其它站的通信。通信网络的可靠性主要取决于总线的可靠性。一般系统中的总线都采用冗余结构来提高网络的可靠性。总线结构适用于工业应用。

（5）混合结构：有的分散控制系统在不同的通信级采用不同的通信网络结构。上层通信采用环形结构，下层采用总线结构。充分发挥各种结构的特点，以提高系统的通信效率和性能。

8、常用的网络控制方式有哪几种？分别适用于什么形式的网络结构？简述工作原理？

（1）集中通信控制方式。在带通信控制器的系统（如星形网络结构）中，站设备被分为优先设备和询问设备。优先设备能主动向通道控制器提出通道申请，获准后可以优先使用数据通道进行通信。而询问设备没有通道申请能力，依靠通信控制器周期性地依次询问这些设备是否有通信要求。若有通信要求，控制器则把数据通道分配给该站设备，该站则可通过数据通道把信息发送给目地站。

（2）分布通信控制方式。在不带通信控制器的系统中，根据系统中各个站所处的逻辑顺序依次传递通道使用权。获得使用权的站，即可使用通道进行通信。根据数据的传送方式不同，分布通信控制方式可分为存储转发式和广播式。存储转发式用于环形结构通信网络。广播方式主要用于环形和总线结构的通信网络。

9、什么是例外报告？产生例外报的基本要素是什么？在什么情况下产生例外报告？

例外报告是在过程控制中一些涉及测量、操作、报警、管理的信息经过一定的技术处理形成的某一信息的专门报告，在这个报告中，只反映某一时间间隔内发生显著变化的信息，而对变化不显著的信息则不报告。

产生例外报的基本要素：例外报告死区、最小例外报告时间Tmin、最大例外报告时间Tmax。

产生例外报告的条件是：

(1)超过了最小例外报告时间，且幅值变化超出了例外报告死区要产生例外报告；

(2)超过了最大例外报告时间，要产生例外报告；

(3)参数值越限报警，要产生例外报告；

(4)参数值从报警状态恢复正常要产生例外报告。

第四章 DCS的现场控制站

1、在计算机闭环控制回路的信号流图中，有哪几种类型的信号？它们的特点各是什么？各

通过什么装置进行转换？

在计算机闭环控制回路的信号流图中有下列几种类型的信号：模拟量、离散模拟量、数字量和量化模拟量。

信号类型时间幅值转换装置

模拟信号连续连续

离散模拟量离散连续采样/保持器

数字量离散离散A/D转换器

量化模拟量连续连续量化D/A+保持器

2、控制器模件中的存储器有哪些类型？各有什么存储特点？分别用于存储什么类型的数据？

控制器模件的存储器类型有：ROM，RAM，NVRAM或E2PROM。在ROM中存有实时操作系统，和功能码库；RAM用作控制器的工作存储器；NVRAM或E2PROM存放控制方案的组态数据库。

3、数字PID控制器的PID算法有哪几种形式？写出它们的差分方程。各有什么特点？对工业执行机构有什么要求？

（1）位置式算式。相应的差分方程：u（n）= Kp {e（n）+ T/Ti ∑ e（j）+ Td/T [e（n）-e（n-1）]}

差分方程是微分方程的近似表达。当采样周期T足够小时，差分方程可以保证足够的精度。该式的输出u（n）与执行机构的位置对应，故称为数字PID的位置式。其控制作用的积分项是在算式中完成的。由于要累加偏差e（j）,要占用较多的存储单元，不便于编程。

（2）增量式算式。相应的差分方程：u（n-1）= Kp {e（n-1）+ T/Ti ∑ e（j）+ Td/T [e （n-1）-e（n-2）]}

u（n）= Kp {e（n）+ T/Ti ∑ e（j）+ Td/T [e（n）-e（n-1）]} 固有相邻两个周期控制输出的增量：

?u（n）= u（n）- u（n-1）= Kp {e（n）- e（n-1）+ T/Ti e（n）+ Td/T [e（n）-2e（n-1）+e（n-2）]}

该算式的输出?u（n）对应于执行机构在t = nT时刻的位置增量，固称为数字PID的增量式。其积分作用外移到执行机构中实现，增量式必须配具有积分功能的执行机构（如步进电机）。其编程简单，历史数据可递推使用，占内存少，运算速度快。

4、试解释下列术语：

1）内给定（就地给定）：内给定（Local-就地给定）：由操作员通过键盘设定的给定值。

2）外给定（远方给定）：给定值来自某一非人为的信号源，如上位机（SCC），主回路或本机其它运算模块（CAS）。

3）变化率限制：为减少给定值突变对系统的扰动，防止比例，微分饱和，实现平稳控制，对给定值的变化率要加以限制，变化率限值SR要选择适当，太小响应变慢，太大不起作用。

4）测量值微分：

5）输出保持：设置开关：FH/NH（信号来自系统安全报警开关）NH：u（n）= u（n-1）

输出控制量保持不变；FH：正常输出方式。

6）安全输出：设置开关：FS/NS（信号来自系统安全报警开关）NS：输出控制量等于预置的安全输出量MS；FS：正常输出方式。

7）控制量限幅：设置参数：MH，ML.ML

8）手动/自动无平衡无扰动切换：在进行手动-自动切换之前，不需由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时对执行机构的现有位置不产生扰动。

5、什么是无平衡无扰动切换？在数字PID，控制器中如何实现无平衡无扰动切换？

无平衡无扰动切换是指在进行手动-自动切换之前，不需由人工进行手动输出控制信号与自动输出控制信号之间的对位平衡操作，就可以保证切换时对执行机构的现有位置不产生扰动。无平衡无扰动切换分以下几种情况处理：

（1）在手动（HM，SM）状态下，控制期内给定值CSV跟踪测量值CPV，将历史数据清零，保证偏差等于零，自动输出u（n-1）跟踪手动输出；

（2）从自动（SA，HA）切向软手动（SM）时，控制器通过软件跟踪程序能自动保证无扰动切换；

（3）从自动（SA，HA）切向硬手动（HM）时，通过控制器外的手动操作器电路来保证无扰切换。

6、在下面“工程应用的数字PID控制器”的功能框图中，填出各信号处理方框的名称。

7、过程通道的作用是什么？有哪些主要类型？其中模拟量输入、输出通道分别由哪些部分组成？数字量输入/输出通道的功能分别是什么？

过程通道的功能是实现模拟量与数字量之间的转换和处理。

主要类型：模拟量输入通道（AI）、模拟量输出通道（AO）、数字量输入通道（DI）、数字量输出通道（DO）。AI一般由多路模拟开关、前置放大器A、采样/保持器S/H、A/D 转换器（ADC），接口和控制电路组成。AO通道由接口电路、D/A转换器（DAC）和电流/电压变换器I/V组成。

DI通道的功能：1）电平转换；2）实现光电隔离；3）按计算机的字长分组输入。

DO通道的功能：1）实现光电隔离；2）输出锁存。

第五章人机接口设备

1、DCS的人机接口设备有哪些？操作员站主要有哪些功能？

DCS中的人机接口设备一般分为操作员站、工程师站、历史数据站和计算站等。

操作员站主要供操作人员监视、操作控制和记录生产过程的运行状况，以保证生产过程的安全经济运行。操作员站为分散控制系统提供了完整的显示、操作、记录和管理功能。

2、工程师站主要有哪些功能？

工程师站是以个人计算机为基础的系统开发和维护的工具性设备，供系统工程师对系统进行配置、组态、调试及控制方案的维护等。同时，也具有操作员站的监视和操作功能。工程师站的主要功能：

（1）对过程控制单元用工具软件进行控制逻辑的在线和离线组态。

（2）对操作员站进行标签数据库、各种流程画面、用户记录、键盘定义等进行离线组态。

（3）把工程师站和所用的设备连接，使工程师站与分散控制系统进行通讯，把组态下装到过程控制单元内，并具有调试、诊断的功能。

（4）在线工作时，作为独立节点，能够从网络中得到信息，同时也能够提供调整信息，使工程师站具有监视调整生产过程的能力。

第六章 DCS的软件系统

1、什么是功能码？什么是功能块？它们有什么区别？

功能码：分散控制系统提供了一系列完成不同基本功能的软件模块，为了便于使用这些软件模块构成具体的控制方案，对每个软件模块都编排了一个唯一的代码，称为功能码（功能码有两个含义：功能模块的程序代码和组态应用时表示功能模块的代码）。

功能块：当选用一个功能码添加到控制方案中时，必需为该功能码指定一个块号（即块地址），即为功能码在内存RAM中分配一个专门的工作存储区域，该区域确定了块地址的功能码称为功能块。

2、什么是软连接？软连接的实质是什么？

上游功能块（先执行）的输出到下游功能块（后执行）的输入之间的连接称为软连接，是通过在下游功能块的输入规格参数S1处填入上游功能块的输出的块号N来实现的。这实质上是在下游功能块的输入S1处建立一个指向主模件内存中上游功能块输出的块地址（N）的地址指针。在控制方案运行时，运行到扫描下游功能块的S1参数时，通过该地址指针到上游功能块的块地址N中，读取它的输出值。这就是功能码组态中所谓软连接的实质。. 3、在控制方案组态中，有哪些具体的步骤？

1）按控制方案的系统图（如SAMA图）选择适当的功能码，指定功能块号；

2）将所选好的功能块进行相互之间的连接（相当于填写地址类的规格参数）；

3）对每个功能块指定其具体功能（相当于填写内部规格参数）；

4）将组态形成的组态数据库下装到控制器模件的NVRAM中。

D C S（实例篇）复习题

3．Industrial IT Symphony分散控制系统的通信网络，分哪几个层次（含HCU），各采用什么结构，通信控制采用什么方式？网络上连接的设备主要有哪些？

（1）操作网络Onet（Operation network）：Onet是符合以太网标准的总线结构网络。执行符合IEEE802.3（CSMA/CD）的以太网TCP/IP协议。操作网络的节点可以是：操作员站，工程师站、历史数据站和打印机服务器等。

（2）控制网络Cnet（Control network）：Cnet是一个高速、单向传输的，串行环形网络。采用存储器插入式的存储转发协议；在复合控制网络结构中，中心环可以支持的设备类型有：网络接口模件（IIL）、现场控制单元（HCU）、人系统接口（Conductor/Power generation Portal）和系统组态和维护工具（Composer）；子环支持的设备类型有现场控制单元（HCU）、人系统接口（Conductor/Power generation Portal）、系统组态和维护工具（Composer）。

（3）控制总线C.W（Control way）：控制总线处在Industrial IT Symphony系统现场控制单元内，主要负责控制器之间的数据交换。控制总线采用无主、从之分，两端不封闭的总线结构。该网络的介质已被制作在模件安装单元背面的印刷电路板上。当插入相应模件后，它们会自动上网参与数据交换。一条控制总线最多可加挂32个控制器模件。在该总

线的冗余介质中，有序的流动着相关控制回路，以及向其它节点通报的数信息。而本地的，与其它节点不相干的数据处理不会占用该总线。采用广播式自由竞争协议。

（4）I/O扩展总线X.B（Expander Bus）：I/O扩展总线为控制器控制I/O子模件提供了通道。这一总线利用并行方式完成通讯。每个控制器控制自己的I/O扩展总线。每一个I/O扩展总线可加挂64 I/O子模件。它的介质也被制作在模件安装单元的印刷电路板上。当插入相应模件后，它们也会自动上网参与数据交换。多点多目标存储转发通讯协议。4．Industrial IT Symphony分散控制系统的软件主要有哪些？都安装在什么设备上？主要

实现什么功能？

分散控制系统的软件系统分为系统软件和应用软件。系统软件是用于管理计算机系统资源便于用户使用计算机，由计算机系统制造商提供给用户的软件。系统软件一般包括操作系统，编程语言处理系统，系统诊断程序，标准程序库等。应用软件是由用户利用系统软件所提供的工具和手段为解决用户的各种实际问题而编写的程序。可以说，应用软件是建立在系统软件的基础上的。为了使应用软件能更好地满足实际工程应用的需要，用户必须充分了解和熟悉系统软件的功能和使用方法，在系统软件的支撑下开发自己的应用软件。

分散控制系统的软件系统除了操作系统以外，为用户提供了功能强大的过程控制软件、组态工具软件和其他管理功能软件。为用户提供了一个高效，方便的应用软件开发环境。系统组态工具软件为分散控制系统提供了一个组态及维护的集成开发环境。

5．PGP有哪些主要功能？

一、显示功能。二、报警管理功能。三、控制操作功能。四、记录、报告功能。五、系统诊断功能。六、闭环参数修改。

综合

说明下列缩写词的中文含义：

MCS ：模拟量控制系统CCS：单元机组协调控制系统FSSS：锅炉炉膛安全监控系统BMS ：燃烧器管理系统DEH：汽轮机数字电液控制系统

MEH：给水泵汽轮机电液控制系统

SCS：顺序控制系统

BPC：汽轮机旁路控制系统ECS ：电气监控系统

TSI ：汽轮机安全监视系统ATC: 汽轮机自动启动AGC: 自动发电控制

DAS ：数据采集与处理系统DDC:直接数字控制系统DCS: 分散控制系统

SCC: 实现监督控制

S/H: 采样/保持器

ADC: A/ D转换器

DAC:D/A转换器

ROM：只读存储器

RAM：随机存储器

AI: 模拟量输入通道

AO :模拟量输出通道

DI: 数字量输入通道

DO: 数字量输出通道

ASK:移幅键控

FSK: 移频键控

PSK: 移相键控

FDM: 频分多路复用

TDM：时分多路复用

SOE：顺序事件记录

NVRAM：非易挥发随机存取

存储器

CSMA/CD：带冲突检测的载

波侦听多路访问技术

Onet：操作网络

Cnet：控制网络

C.W: 控制总线

X.B：I/O扩展总线

HCU: 现场控制单元

HIS：人系统接口

HSR：历史数据站

PGP: 人系统接口

Composer: 系统组态和维护

工具

ETS：汽轮机紧急跳闸系统