2025年電氣自動化控制系統(tǒng)設(shè)計考試押題實戰(zhàn)及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.某PLC掃描周期由三部分組成，正確的順序是（）。A.用戶程序執(zhí)行→輸入采樣→輸出刷新B.輸入采樣→用戶程序執(zhí)行→輸出刷新C.輸出刷新→用戶程序執(zhí)行→輸入采樣D.輸入采樣→輸出刷新→用戶程序執(zhí)行2.工業(yè)現(xiàn)場測量-200℃~500℃的溫度，優(yōu)先選用的傳感器是（）。A.PT100熱電阻B.K型熱電偶C.半導(dǎo)體溫度傳感器D.紅外測溫儀3.步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的核心區(qū)別在于（）。A.步進(jìn)電機(jī)無反饋，伺服電機(jī)有反饋B.步進(jìn)電機(jī)功率更大C.伺服電機(jī)步距角固定D.步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)速度更快4.以下哪種通信協(xié)議適用于長距離、多節(jié)點工業(yè)現(xiàn)場，且支持半雙工通信？（）A.CAN總線B.ModbusRTUC.ProfibusDPD.Ethernet/IP5.在PID控制中，積分環(huán)節(jié)的主要作用是（）。A.減小穩(wěn)態(tài)誤差B.加快響應(yīng)速度C.抑制超調(diào)D.提高抗干擾能力6.某變頻器參數(shù)設(shè)置中，“運(yùn)行模式”選擇“端子控制”，意味著（）。A.通過操作面板啟停B.通過4-20mA信號調(diào)節(jié)頻率C.通過PLC輸出觸點信號控制啟停D.通過通信協(xié)議接收控制指令7.設(shè)計三相異步電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)時，必須設(shè)置的保護(hù)是（）。A.過壓保護(hù)B.互鎖保護(hù)C.欠壓保護(hù)D.溫度保護(hù)8.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中，用于檢測關(guān)節(jié)位置的核心部件是（）。A.編碼器B.壓力傳感器C.視覺攝像頭D.加速度計9.以下關(guān)于DCS（分散控制系統(tǒng)）的描述，錯誤的是（）。A.適合大規(guī)模連續(xù)過程控制B.各控制站獨(dú)立運(yùn)行C.通信網(wǎng)絡(luò)為專用總線D.編程以梯形圖為主10.某200步/圈的步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動細(xì)分設(shè)置為4細(xì)分，其實際步距角為（）。A.1.8°B.0.9°C.0.45°D.0.36°二、填空題（每空1分，共15分）1.電氣自動化控制系統(tǒng)的三大組成部分是______、______和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2.傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)包括______、______和重復(fù)性。3.S7-1200PLC中，輸出繼電器的地址表示為______（示例：輸入繼電器為I0.0）。4.變頻器的基本控制方式包括V/F控制、______和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。5.ModbusRTU協(xié)議中，校驗碼通常采用______。6.三相異步電機(jī)的調(diào)速方法有變頻調(diào)速、______和改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。7.工業(yè)現(xiàn)場總線中，CAN總線的最大傳輸距離為______（速率≤5kbps時）。8.PID控制器的三個參數(shù)是比例系數(shù)Kp、______和微分時間Td。9.步進(jìn)電機(jī)的“失步”現(xiàn)象主要由______或______引起。10.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）中，設(shè)備與云端通信常用的協(xié)議是______（舉1例）。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述PLC程序設(shè)計中“循環(huán)掃描”工作方式的特點及其對控制系統(tǒng)的影響。2.比較熱電阻與熱電偶在溫度測量中的適用場景及信號處理差異。3.說明變頻器“矢量控制”與“V/F控制”的核心區(qū)別及各自適用的負(fù)載類型。4.設(shè)計一個基于光電傳感器的物料計數(shù)系統(tǒng)，需說明傳感器選型要點、信號處理流程及抗干擾措施。5.分析工業(yè)控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源，并列舉3種常用的抗干擾方法。四、系統(tǒng)設(shè)計題（每題15分，共30分）1.某工廠需設(shè)計一套基于S7-1200PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)，要求：（1）系統(tǒng)包含2臺水泵（1用1備）、壓力傳感器（0-1MPa，4-20mA輸出）、變頻器（控制主泵轉(zhuǎn)速）；（2）實現(xiàn)恒壓控制（設(shè)定壓力0.6MPa）、故障切換（主泵故障時備用泵工頻啟動）、手動/自動切換功能。請完成以下設(shè)計：①列出I/O點分配表（包括地址、信號類型、名稱）；②繪制簡化的控制流程圖（包含啟動、壓力檢測、PID調(diào)節(jié)、故障切換邏輯）；③說明PID參數(shù)調(diào)試的關(guān)鍵步驟及注意事項。2.設(shè)計一個基于ModbusRTU協(xié)議的多從站通信系統(tǒng)，主站為S7-1200PLC，從站包括3臺變頻器（地址1-3）和1臺溫度控制器（地址4）。要求：（1）主站讀取變頻器的運(yùn)行頻率（寄存器地址0x0001）和溫度控制器的當(dāng)前溫度（寄存器地址0x0002）；（2）主站向變頻器發(fā)送目標(biāo)頻率（寄存器地址0x0002）。請完成以下設(shè)計：①繪制通信系統(tǒng)拓?fù)鋱D；②編寫主站讀取變頻器1頻率的Modbus指令（使用S7-1200的“MB_COMM_LOAD”和“MB_RTU”功能塊）；③說明ModbusRTU通信中“校驗失敗”的可能原因及排查方法。五、綜合分析題（15分）某污水處理廠曝氣控制系統(tǒng)出現(xiàn)溶解氧（DO）濃度波動大（設(shè)定值2.5mg/L，實際1.2-3.8mg/L）的問題，系統(tǒng)配置如下：-控制核心：S7-1500PLC；-檢測設(shè)備：在線溶解氧傳感器（4-20mA輸出，精度±0.1mg/L）；-執(zhí)行機(jī)構(gòu)：羅茨風(fēng)機(jī)（變頻器控制轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)曝氣量）；-控制算法：PID控制（當(dāng)前參數(shù)：Kp=3，Ti=30s，Td=5s）。請結(jié)合系統(tǒng)配置和現(xiàn)象，分析可能的故障原因（至少4點），并提出對應(yīng)的排查與解決措施。---答案及解析一、單項選擇題1.B【解析】PLC掃描周期嚴(yán)格遵循“輸入采樣→用戶程序執(zhí)行→輸出刷新”的順序，確保輸入信號在一個周期內(nèi)僅讀取一次。2.B【解析】K型熱電偶測量范圍廣（-200℃~1300℃），適合中高溫場景；PT100通常用于-200℃~600℃，但500℃以上精度下降。3.A【解析】步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制（無反饋），伺服電機(jī)閉環(huán)控制（編碼器反饋），這是二者核心區(qū)別。4.B【解析】ModbusRTU采用RS485物理層，支持多節(jié)點（最多32個）、半雙工通信，適合長距離（1200米）。5.A【解析】積分環(huán)節(jié)通過累積誤差消除穩(wěn)態(tài)誤差，比例環(huán)節(jié)加快響應(yīng)，微分環(huán)節(jié)抑制超調(diào)。6.C【解析】“端子控制”指通過PLC輸出觸點（如Q0.0、Q0.1）連接變頻器的啟停端子（如STF、STOP）。7.B【解析】正反轉(zhuǎn)控制必須設(shè)置電氣互鎖（接觸器常閉觸點串聯(lián)）和機(jī)械互鎖，防止兩相短路。8.A【解析】編碼器（絕對式或增量式）用于檢測關(guān)節(jié)位置，是機(jī)器人閉環(huán)控制的核心反饋元件。9.D【解析】DCS編程以圖形化組態(tài)（如流程圖、順控圖）為主，PLC常用梯形圖、STL；DCS更適合連續(xù)過程。10.C【解析】步距角=360°/（步數(shù)×細(xì)分?jǐn)?shù)）=360°/（200×4）=0.45°。二、填空題1.檢測元件（傳感器）、控制裝置（控制器）2.靈敏度、線性度（或遲滯）3.Q0.0（或Qx.y，x為字節(jié)號，y為位號）4.矢量控制（或VC控制）5.CRC16（循環(huán)冗余校驗）6.變極對數(shù)調(diào)速（或改變定子電壓調(diào)速）7.10km8.積分時間Ti（或積分系數(shù)Ki）9.負(fù)載轉(zhuǎn)矩過大、脈沖頻率過高（或驅(qū)動電源不足）10.MQTT（或HTTP、CoAP）三、簡答題1.特點：PLC按順序循環(huán)執(zhí)行“輸入采樣→程序執(zhí)行→輸出刷新”，每個周期僅讀取一次輸入狀態(tài)，輸出狀態(tài)在周期結(jié)束時統(tǒng)一更新。影響：優(yōu)點是抗干擾能力強(qiáng)（輸入信號在短時間內(nèi)的波動不影響程序執(zhí)行）；缺點是存在響應(yīng)滯后（掃描周期越長，滯后越明顯），需合理優(yōu)化程序長度以減小滯后。2.適用場景：熱電阻（如PT100）適用于中低溫（-200℃~600℃）、高精度測量（如實驗室、空調(diào)系統(tǒng)）；熱電偶（如K型）適用于高溫（-200℃~1300℃）、惡劣環(huán)境（如冶金、鍋爐）。信號處理差異：熱電阻輸出電阻信號，需恒流源激勵并通過電橋轉(zhuǎn)換為電壓；熱電偶輸出毫伏級熱電勢，需冷端補(bǔ)償（如溫度傳感器測量參考端溫度）。3.核心區(qū)別：V/F控制通過保持電壓與頻率比值恒定實現(xiàn)近似恒磁通控制，無需電機(jī)參數(shù)，控制簡單但精度低；矢量控制（VC）通過坐標(biāo)變換將三相電流分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，實現(xiàn)類似直流電機(jī)的解耦控制，精度高但需電機(jī)參數(shù)（如電感、電阻）。適用負(fù)載：V/F控制適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（如水泵、風(fēng)機(jī)）；矢量控制適用于高精度、動態(tài)響應(yīng)要求高的負(fù)載（如機(jī)床、電梯）。4.選型要點：選擇對射式或漫反射式光電傳感器（物料為不透明物體時選對射式，透明物體選漫反射式），響應(yīng)時間≤1ms（適應(yīng)高速計數(shù)），工作電壓與PLC輸入模塊匹配（如24VDC）。信號處理流程：傳感器輸出開關(guān)量信號→經(jīng)光電隔離模塊→輸入PLC高速計數(shù)器（如S7-1200的HSC）→程序中累計脈沖數(shù)并顯示?？垢蓴_措施：傳感器電源加濾波電容；信號電纜采用屏蔽線并單端接地；PLC輸入側(cè)加RC濾波電路（抑制高頻干擾）。5.干擾來源：①電磁輻射（如變頻器、電機(jī)的高頻諧波）；②傳導(dǎo)干擾（電源線路中的浪涌、電壓波動）；③地電位差（不同設(shè)備接地電阻不一致）?？垢蓴_方法：①屏蔽（設(shè)備外殼接地，電纜穿金屬管）；②隔離（使用隔離變壓器、光電耦合器）；③濾波（電源側(cè)加EMI濾波器，信號側(cè)加RC濾波器）；④合理接地（系統(tǒng)單點接地，避免環(huán)路）。四、系統(tǒng)設(shè)計題1.①I/O分配表：|地址|類型|名稱|說明||--------|--------|---------------------|-----------------------||I0.0|數(shù)字量輸入|手動/自動切換開關(guān)|ON=自動，OFF=手動||I0.1|數(shù)字量輸入|主泵故障信號|主泵熱繼電器常閉觸點||I0.2|數(shù)字量輸入|備用泵故障信號|備用泵熱繼電器常閉觸點||AIW0|模擬量輸入|壓力傳感器信號|4-20mA→0-1MPa||Q0.0|數(shù)字量輸出|變頻器啟動信號|連接變頻器STF端子||Q0.1|數(shù)字量輸出|主泵工頻接觸器|主泵故障時工頻運(yùn)行||Q0.2|數(shù)字量輸出|備用泵工頻接觸器|主泵故障時啟動備用泵||AQW0|模擬量輸出|變頻器頻率給定|0-10V→0-50Hz|②控制流程圖：啟動→檢測手動/自動模式→自動模式下讀取壓力信號→PID計算輸出（目標(biāo)0.6MPa）→輸出頻率給定至變頻器→主泵變頻運(yùn)行→檢測主泵故障（I0.1=0）→停止變頻器，啟動備用泵工頻（Q0.2=1）→故障報警；手動模式下直接通過按鈕控制水泵啟停。③PID參數(shù)調(diào)試步驟：①先將Ti設(shè)為∞（取消積分）、Td=0（取消微分），調(diào)整Kp至系統(tǒng)穩(wěn)定但有穩(wěn)態(tài)誤差；②逐漸減小Ti（增強(qiáng)積分），直至穩(wěn)態(tài)誤差消除；③加入微分（增大Td），抑制超調(diào)（觀察壓力曲線波動情況）。注意事項：避免Kp過大導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩；Ti過小可能引起積分飽和；調(diào)試時需逐步調(diào)整并觀察實時曲線（如通過HMI監(jiān)控壓力趨勢）。2.①通信系統(tǒng)拓?fù)鋱D：S7-1200PLC（RS485端口）→485中繼器→變頻器1（地址1）→變頻器2（地址2）→變頻器3（地址3）→溫度控制器（地址4）（注：所有從站并聯(lián)，A+、B-線手拉手連接）。②主站讀取變頻器1頻率的Modbus指令（梯形圖示例）：-調(diào)用“MB_COMM_LOAD”初始化通信參數(shù)（波特率9600，數(shù)據(jù)位8，停止位1，校驗位無，使能EN=1）；-調(diào)用“MB_RTU”功能塊，設(shè)置：-REQ=上升沿觸發(fā)（如使用SM0.1）；-MB_ADDR=1（變頻器1地址）；-READ_ADDR=1（寄存器0x0001）；-READ_LEN=1（讀取1個寄存器）；-DATA_PTR指向存儲地址（如DB1.DBW0）；-輸出ERROR=0表示通信成功，DB1.DBW0即為變頻器1的運(yùn)行頻率（單位：0.1Hz，需轉(zhuǎn)換為實際值）。③校驗失敗的可能原因：①通信線接反（A+與B-顛倒）；②波特率、校驗位等參數(shù)與從站不匹配；③電纜過長導(dǎo)致信號衰減（超過1200米未加中繼器）；④電磁干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)位錯誤。排查方法：①用萬用表測量A+、B-電壓（正常差分電壓2-6V）；②對比主從站參數(shù)設(shè)置（如波特率、奇偶校驗）；③縮短電纜或增加中繼器；④檢查屏蔽層接地（單端接地），遠(yuǎn)離動力線。五、綜合分析題可能原因及解決措施：1.傳感器故障：溶解氧傳感器老化或膜片污染，導(dǎo)致信號漂移。排查：用標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定傳感器（如2.5mg/L標(biāo)準(zhǔn)液），觀察輸出是否為12mA（4-20mA對應(yīng)0-5mg/L時，2.5mg/L對應(yīng)12mA）；解決：清洗膜片或更換傳感器。2.PID參數(shù)不合適：Kp過大導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)，Ti過長導(dǎo)致積分作用滯后。排查：觀察DO曲線（若波動周期短、幅值大，可能Kp過大；若穩(wěn)態(tài)誤差大，可能Ti過長）；解決：減小Kp（如降至2），縮