2025年注冊電氣工程師考試押題試卷電氣自動化系統(tǒng)應用案例專項訓練考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______試卷內(nèi)容案例一某化工廠精餾塔自動控制系統(tǒng)，采用集散控制系統(tǒng)（DCS）。塔頂產(chǎn)品溫度（T1）和塔釜液位（L1）是主要控制參數(shù)。T1通過安裝在塔頂附近的溫度傳感器測量，信號經(jīng)變送器送入DCS；L1通過安裝在塔釜下方的液位傳感器測量，信號經(jīng)變送器送入DCS。DCS根據(jù)設定的T1和L1值，分別控制塔底加熱器的加熱功率（Q）和塔頂采出流量（F）。加熱器功率控制采用模擬量調(diào)節(jié)回路，采出流量控制采用現(xiàn)場總線型PLC控制的變頻器（VFD）來實現(xiàn)。請回答以下問題：1.簡述該精餾塔控制系統(tǒng)中，溫度T1和液位L1分別起什么作用？2.分析塔頂溫度T1過高或過低可能對精餾效果產(chǎn)生什么影響？簡要說明加熱器功率Q控制該溫度的調(diào)節(jié)過程。3.分析塔釜液位L1過高或過低可能對系統(tǒng)運行產(chǎn)生什么影響？簡要說明塔頂采出流量F控制該液位的調(diào)節(jié)過程。4.若溫度控制回路響應緩慢，可能導致什么后果？為改善響應，可從控制器參數(shù)整定或增加什么措施入手？5.在該系統(tǒng)中，溫度與液位是否存在耦合關(guān)系？請簡述，并說明若存在耦合，在控制器設計或運行中應注意什么問題。案例二某大型水處理廠預處理階段采用自動加藥系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)進水pH值。系統(tǒng)由pH傳感器、加藥泵（兩臺，一用一備）、PLC控制器和加藥計量罐組成。pH傳感器將測量信號（0-10V）送入PLC的AI輸入點。PLC根據(jù)設定的pH設定值（SP）與實測值（PV）的偏差，通過PID運算輸出控制信號，該信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后驅(qū)動VFD，進而控制加藥泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對加藥量的調(diào)節(jié)。加藥種類為NaOH溶液。系統(tǒng)中還設有液位開關(guān)，用于監(jiān)測計量罐液位，實現(xiàn)加藥泵的啟停和低液位報警。請回答以下問題：1.簡述該加藥系統(tǒng)的控制原理。說明PLC控制器在其中扮演的角色。2.分析加藥量過多或過少可能對水處理工藝產(chǎn)生什么影響？系統(tǒng)是如何防止加藥過量或藥液耗盡的？3.如果PLC的PID輸出恒定不變，分析可能的原因是什么？分別說明可能涉及哪些部件或環(huán)節(jié)，并簡述排查思路。4.系統(tǒng)中采用了“一用一備”的加藥泵設計，這樣做的優(yōu)點是什么？在PLC控制邏輯上應如何實現(xiàn)自動切換？5.pH值是一個具有強非線性、大滯后和時變性的被控參數(shù)，這對PID控制器的參數(shù)整定帶來了哪些挑戰(zhàn)？請?zhí)岢鲋辽賰煞N改善控制效果的方法。案例三某數(shù)控機床的進給軸（X軸）采用伺服電機驅(qū)動。伺服驅(qū)動器型號為XXX，通過脈沖編碼器（PE）進行位置反饋。數(shù)控系統(tǒng)（CNC）產(chǎn)生插補指令，以脈沖的形式發(fā)送給伺服驅(qū)動器。伺服驅(qū)動器根據(jù)指令控制伺服電機運轉(zhuǎn)，帶動進給軸移動。系統(tǒng)中還包括一個限位開關(guān)，用于X軸的正向和反向超程保護。當發(fā)生超程時，限位開關(guān)動作，信號送入PLC，PLC立即向伺服驅(qū)動器發(fā)送使能禁止信號（Enable），停止電機運動，并觸發(fā)報警。請回答以下問題：1.簡述該X軸進給驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理。說明脈沖編碼器（PE）在系統(tǒng)中的作用。2.分析伺服驅(qū)動器使能信號（Enable）的作用。在超程保護邏輯中，為何要在PLC檢測到限位開關(guān)信號后立即禁止驅(qū)動器使能？3.如果X軸在運動過程中出現(xiàn)突然加減速或抖動現(xiàn)象，可能的原因有哪些？請列舉兩種可能性并簡述判斷思路。4.CNC系統(tǒng)發(fā)送的插補指令是連續(xù)的脈沖序列，而伺服驅(qū)動器需要精確的位置反饋。請簡述系統(tǒng)如何實現(xiàn)位置閉環(huán)控制。5.在設計X軸的伺服控制系統(tǒng)時，需要考慮哪些因素以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和定位精度？請至少列舉三項。案例四某消防泵房內(nèi)安裝有兩臺消防主泵（一用一備）和一臺備用泵。消防水泵的啟停控制要求滿足以下邏輯：正常工作時，主泵運行，備用泵停止；主泵故障停運或出口壓力過低時，備用泵自動投入運行；消防信號觸發(fā)時，主泵和備用泵均應立即啟動。系統(tǒng)采用PLC控制，并配有手動啟停按鈕、故障指示燈和運行指示燈。主泵運行時，出口壓力需維持在1.0MPa±0.1MPa范圍內(nèi)，該壓力信號（4-20mA）送入PLC的AI點。PLC根據(jù)壓力信號控制變頻器（VFD），調(diào)節(jié)主泵的運行轉(zhuǎn)速。請回答以下問題：1.簡述該消防泵房水系統(tǒng)正常工作時的控制邏輯。2.分析主泵故障停運或出口壓力過低時，備用泵自動投入運行的檢測條件是如何實現(xiàn)的？請簡述可能的PLC輸入信號來源和控制邏輯。3.消防信號觸發(fā)時，為何要求主、備用泵均需立即啟動？這種控制方式與正常工作時有什么區(qū)別？4.PLC如何根據(jù)壓力信號（4-20mA）判斷主泵是否故障停運或出口壓力是否過低？說明判斷依據(jù)和可能的實現(xiàn)方法。5.采用變頻器（VFD）調(diào)節(jié)主泵轉(zhuǎn)速相比直接啟停，有哪些優(yōu)點？在PLC控制VFD時，需要注意哪些參數(shù)設置或保護功能？---試卷答案案例一1.作用：塔頂溫度T1是產(chǎn)品純度的直接反映，控制其穩(wěn)定是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵；塔釜液位L1反映了塔內(nèi)物料平衡，控制其穩(wěn)定是保證精餾操作連續(xù)性和效率的基礎。2.影響與調(diào)節(jié)過程：T1過高可能降低產(chǎn)品純度，過低則可能增加原料損耗或影響后續(xù)工藝。調(diào)節(jié)過程：DCS檢測T1，與SP比較得偏差，PID運算后輸出模擬信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)（如調(diào)節(jié)閥或加熱器功率輸出），改變加熱量或冷卻量，使T1回到設定值。3.影響與調(diào)節(jié)過程：L1過高可能導致原料溢流至下一工序或損壞設備；過低則可能中斷精餾過程。調(diào)節(jié)過程：DCS檢測L1，與SP比較得偏差，PID運算后輸出信號控制VFD，調(diào)節(jié)加藥泵轉(zhuǎn)速F，改變進料量或出料量，使L1回到設定值。4.后果與措施：可能導致溫度失控、產(chǎn)品不合格、能耗增加。改善措施：可嘗試減小PID積分時間（Ti）或微分時間（Td）以加快響應，或在系統(tǒng)中引入前饋控制補償滯后，或優(yōu)化傳感器安裝位置。5.耦合關(guān)系與注意問題：存在耦合關(guān)系。例如，加熱量變化會同時影響溫度和液位；采出量變化也會影響液位和溫度。注意問題：控制器設計時需考慮解耦，或采用解耦控制器；運行中注意分析擾動對系統(tǒng)的影響，避免交叉耦合導致不穩(wěn)定。案例二1.控制原理與PLC角色：控制原理：根據(jù)pH實測值與設定值的偏差，通過PID算法調(diào)節(jié)加藥泵轉(zhuǎn)速，改變NaOH溶液注入量，從而調(diào)節(jié)進水pH值。PLC角色：接收傳感器信號，執(zhí)行控制算法，輸出控制信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，同時處理報警和連鎖邏輯。2.影響與防止措施：過量影響：可能使出水pH過高，腐蝕管道或設備，影響后續(xù)處理。過少影響：可能使出水pH過低，達不到處理要求。防止措施：利用計量罐低液位開關(guān)實現(xiàn)加藥泵自動停止和報警，防止藥液耗盡；PID控制器可設輸出上限，限制最大加藥量。3.可能原因與排查思路：可能原因：pH傳感器故障或信號線中斷；PLCAI模塊故障；PID參數(shù)整定不當（如飽和）；VFD故障或參數(shù)設置錯誤。排查思路：檢查傳感器輸出和信號通路；檢查PLCAI模塊狀態(tài)和診斷信息；嘗試復位PID參數(shù)或減小輸出；檢查VFD狀態(tài)指示燈和參數(shù)。4.優(yōu)點與切換邏輯：優(yōu)點：平滑調(diào)節(jié)，節(jié)能，減少水錘效應，延長設備壽命。切換邏輯：PLC監(jiān)控主泵運行狀態(tài)（如運行指示信號）和備用泵狀態(tài)，當主泵故障信號或壓力過低信號觸發(fā)時，PLC輸出指令給VFD停止主泵，同時啟動備用泵，并切換控制信號至備用泵。5.挑戰(zhàn)與改善方法：挑戰(zhàn)：非線性導致PID效果不佳，滯后影響控制及時性，時變性使參數(shù)難以穩(wěn)定。改善方法：采用分段PID或模糊PID；增加前饋控制補償進水pH波動；在線自適應調(diào)整PID參數(shù)。案例三1.工作原理與PE作用：工作原理：CNC發(fā)出脈沖指令控制伺服驅(qū)動器，驅(qū)動器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，通過傳動機構(gòu)帶動X軸移動。PE作用：檢測電機軸實際旋轉(zhuǎn)角度或速度，將位置或速度反饋信號送回CNC或驅(qū)動器，形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)精確的位置或速度控制。2.Enable作用與禁止原因：Enable作用：是伺服驅(qū)動器的使能信號，通常由CNC或PLC發(fā)出，用于啟動或停止伺服系統(tǒng)的驅(qū)動功能。禁止原因：為防止超程繼續(xù)，保護設備和工件安全，一旦檢測到超程信號，PLC立即禁止驅(qū)動器Enable信號，強制停止電機，阻止X軸繼續(xù)移動。3.可能原因與判斷思路：可能原因：驅(qū)動器參數(shù)設置不當（如加減速時間過短）；機械部分卡滯或潤滑不良；電機或驅(qū)動器內(nèi)部故障。判斷思路：檢查驅(qū)動器參數(shù)設置和報警代碼；檢查機械部件運動是否順暢；用示波器觀察指令脈沖和反饋信號，或嘗試替換驅(qū)動器/電機進行測試。4.閉環(huán)控制實現(xiàn)：系統(tǒng)通過CNC發(fā)送的指令脈沖作為期望位置（設定值），PE產(chǎn)生的反饋脈沖作為實際位置（測量值）。CNC或驅(qū)動器內(nèi)部的控制器（如比較器）將設定值與測量值進行比較，得到位置偏差，根據(jù)偏差進行運算并輸出控制信號給驅(qū)動器功率部分，驅(qū)動電機運動，減小偏差，直至偏差為零實現(xiàn)定位。5.考慮因素：穩(wěn)定性：合理的PID參數(shù)整定，抗干擾能力；定位精度：高精度的傳感器（PE），低慣量的傳動系統(tǒng)，精確的機械部件；響應速度：合適的加減速設置，快速的指令響應能力；系統(tǒng)集成：可靠的接線，匹配的電機與驅(qū)動器型號，完善的報警與診斷功能。案例四1.正常工作邏輯：PLC檢測到主泵運行信號（如運行指示燈或電機電流）為真，同時備用泵運行信號為假，則維持主泵運行，停止備用泵運行。2.自動投入檢測與邏輯：檢測條件：主泵運行信號為假，或出口壓力信號低于下限（1.0MPa-0.1MPa=0.9MPa）。邏輯：當上述任一條件滿足時，PLC觸發(fā)備用泵啟動指令，并可能聯(lián)動主泵故障指示。3.消防啟動要求與區(qū)別：要求立即啟動是因為消防事故需要快速建立消防用水壓力。區(qū)別在于：消防啟動是無論主泵/備用泵是否在運行，都強制啟動所有可用的泵；正常啟動是基于主備泵的交替工作邏輯。4.判斷依據(jù)與實現(xiàn)方法：判斷依據(jù)：比較AI模塊接收到的4-20mA壓力信號對應的實際壓力值與設定范圍（0.9MPa-1.1MPa）。實現(xiàn)