第12章基礎(chǔ)自動化

12.1概述

12.1.1工業(yè)自動化系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)

工業(yè)自動化是一綜合性應(yīng)用技術(shù)，涉及自動控制、計(jì)算機(jī)、通信及網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科、多技

術(shù)領(lǐng)域，通過對工業(yè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)采集、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，達(dá)到增加產(chǎn)量、

提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低消耗、確保安全的目的，

工業(yè)自動化系統(tǒng)通常分為五級：

生產(chǎn)管理級(L4)

牛.產(chǎn)調(diào)度控制級(L3)

過程優(yōu)化級(L2)

基礎(chǔ)自動化級(L1)

檢測驅(qū)動級(L0)

其結(jié)構(gòu)見圖12?1：A

信息化的發(fā)展給工業(yè)自動化帶來了新的

內(nèi)涵，管控一體化已成為工業(yè)自動化的一個1.4生產(chǎn)管理級

L_____\

新的特點(diǎn)，也使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有麻演變，出現(xiàn)了

所謂三層結(jié)構(gòu)：

(1)企業(yè)管理決策系統(tǒng)層(ERP)

(2)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)層(MES)

(3)生產(chǎn)過程控制層(PCS)o

其中，生產(chǎn)過程控制層，是三層結(jié)構(gòu)的

基礎(chǔ)，也是傳統(tǒng)意義的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，

對應(yīng)于五級結(jié)構(gòu)的L2、LI、EOo

從應(yīng)用的行業(yè)性質(zhì)分，白動控制系統(tǒng)可

分為以流程過程控制為主的過程控制系統(tǒng)［如各種分散控制系統(tǒng)(DCS)、回路調(diào)節(jié)器系統(tǒng)等］

和以運(yùn)動與傳動控制為主的運(yùn)動控制系統(tǒng)(如各種可編程序控制器(PLC)、調(diào)速傳動控制系

統(tǒng)等)：電氣傳動自動化屬于后者范疇，是本章基礎(chǔ)自動化部分的側(cè)重點(diǎn)。

12.1.2基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的特點(diǎn)

基礎(chǔ)自動化級是直接而向生產(chǎn)過程設(shè)備控制的，也稱作直接控制級或設(shè)備控制級。與其

他幾個自動化級相比，基礎(chǔ)自動化級的特點(diǎn)是：

1.高可靠性與可維修性大多數(shù)生產(chǎn)過程是晝夜連續(xù)進(jìn)行的，連續(xù)運(yùn)行周期長，有些大

型設(shè)備幾個月甚至一年檢修一次。因此，對直接控制設(shè)備的基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)提出更高的可靠

第12章基礎(chǔ)自動化787

性要求，要求故障率減少到最低的限度。同時，要求故障發(fā)生后，處理故障及維修設(shè)備的時

間盡量短。在特別要求更高的場合，設(shè)置備用或冗余控制系統(tǒng)，確保生產(chǎn)不間斷地連續(xù)進(jìn)行。

2.實(shí)時性用于基礎(chǔ)白動化級的控制設(shè)備，都是基于微處理器、綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)與自

動控制技術(shù)的新一代控制產(chǎn)品，進(jìn)行直接數(shù)字控制，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、多回路反饋、前饋和順序

控制，并隨時響應(yīng)生產(chǎn)過程對控制的要求。其對實(shí)時性要求最高。

3.集中監(jiān)控智能化人機(jī)接1（HMI）由于生產(chǎn)過程自動化程度的提高，生產(chǎn)操作工人

逐步遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場。他們主要是通過中央控制室，依靠各種自動化設(shè)備對生產(chǎn)過程進(jìn)行自動

操作、調(diào)整及下預(yù)。必要時，還要對設(shè)備直接進(jìn)行人工操作，因此，以CRT屏幕顯示為中心

的、集中監(jiān)控的智能化人機(jī)接口，已成為現(xiàn)代化工業(yè)自動化系統(tǒng)中一個不可缺少的部分，是

對生產(chǎn)過程進(jìn)行有效監(jiān)視的必備手段，?旦出現(xiàn)不正常狀況，能立刻顯示報(bào)警，以便操作人

員采取快速調(diào)整、糾正措施。

12.1.3基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的任務(wù)

基礎(chǔ)白動化是工業(yè)自動化系統(tǒng)多級結(jié)構(gòu)中的一個子層，對不同的應(yīng)用對象，由不同的系

統(tǒng)組成，其控制功能的層次不完全一致。概括起來，基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的主要任務(wù)是：

1.起停控制、順序控制對單機(jī)進(jìn)行起動與停止的控制，對生產(chǎn)機(jī)餓的各個部分或生產(chǎn)

線實(shí)現(xiàn)順序控制，根據(jù)生產(chǎn)工藝流程的要求，按照預(yù)定的程序?qū)崿F(xiàn)自動化。

2.數(shù)值給定及控制對生產(chǎn)過程的參量，如速度、位置、壓力等根據(jù)工藝的要求形成給

定值。給定值可為定值或變化值，用于本級或下一級控制的參考值。控制可以是開環(huán)的，也

可以是閉環(huán)的，如前饋控制、補(bǔ)償控制、PID調(diào)節(jié)、模糊控制等。

3.狀態(tài)檢測與數(shù)據(jù)采集對生產(chǎn)機(jī)械及加工對象的狀態(tài)及物理參量周期地或隨機(jī)地進(jìn)行

檢測、采集、顯示與記錄，作為各種自動控制功能的動作與控制的依據(jù)，以便操作人員監(jiān)視

生產(chǎn)過程，并可作為對生產(chǎn)過程、產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備故障進(jìn)行分析的依據(jù)。

4,故障診斷包括硬件故隙診斷及軟件處理故障診斷：這是提高可靠性和可維修性、盡

量縮短故障查找及停機(jī)時間的有效手段。

5、人機(jī)接口基于個人計(jì)算機(jī)（P。或與PC兼容的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC,簡稱為工控

機(jī)）操作站，是新一代人機(jī)接口：-一方面取代以各種操作電器、信號燈、指示儀表為主的操

作臺的功能，使操作臺非常簡潔，更加便于緊急處理操作。另一方面，基礎(chǔ)自動化級的人機(jī)

接口與上一過程優(yōu)化級共用，方便集中監(jiān)視和操作。

12.2工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

12.2.1工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)分類

在工業(yè)生產(chǎn)中使用的控制計(jì)算機(jī)的分類方法很多，有以其規(guī)模大小分類的，也有以系統(tǒng)

功能分類的。

按規(guī)模大體可分為四類，即大型、中型、小型及微型計(jì)算機(jī)。在工業(yè)工應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制

的初期階段，計(jì)算機(jī)造價高，是一個系統(tǒng)的核心設(shè)備，構(gòu)成所謂集中控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的規(guī)

模大小是十分突出的。所謂大型是指與科學(xué)計(jì)算用的中型計(jì)算機(jī)相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)，例如［BM360、

IBM4381這一檔次的計(jì)算機(jī)。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，它相當(dāng)于用于生產(chǎn)管理的中央控制計(jì)算機(jī)。

788電氣傳動自動化技術(shù)手冊

中型則相當(dāng)于生產(chǎn)調(diào)度控制級或過程優(yōu)化級使用的計(jì)算機(jī)，如TOSBAC-7000、SIC0MP70。小

型則用于一般工業(yè)部門、生產(chǎn)線或變電所等。工業(yè).上使用的小型計(jì)算機(jī)，除DEC公司的PDP-

11，VAX系列機(jī)外，對于生產(chǎn)過程比較復(fù)雜、直接數(shù)字控制要求高的場合，20世紀(jì)60?80年

代，國際上各大公司大多有自己的專用控制計(jì)算機(jī)系列，這類機(jī)器又常常與各公司的機(jī)電產(chǎn)

品配套供應(yīng)，分別用于冶金、電力、石油化工等行業(yè)。

隨著計(jì)算技術(shù)提高和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，計(jì)算機(jī)向小型乃至微型化發(fā)展。

20世紀(jì)90年代，DEC公司推出了由64位處理器(DECchip21064)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該機(jī)種

和相繼推出的Alpha系列機(jī)型，更加開放，支持更多的T.業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有更加現(xiàn)代化的體系及優(yōu)

異的性能價格比，被稱為所謂超級小型機(jī)，在各行各業(yè)及工業(yè)控制領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。

另一方面，現(xiàn)在一臺普通的PC,即微型機(jī)，不論是運(yùn)算速度(CPU主頻達(dá)3cHz),還是

存偌容量(單條內(nèi)存達(dá)256?512MB,硬盤容量為120GB),都不再是應(yīng)用的限制了。隨著計(jì)算

機(jī)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線技術(shù)的進(jìn)步，以微處理器為核心，實(shí)現(xiàn)地理上和功能上分散的分散型控制

系統(tǒng)被普遍采用，微型機(jī)已成為工業(yè)控制的主流機(jī)型。各大電氣公司的DCS、PLC、現(xiàn)場總線

器件等都是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動控制技術(shù)的工業(yè)控制產(chǎn)品，在自動

化控制領(lǐng)域占有顯著位置。

PC的普及，及其半富的軟件資源推動了PC在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用。與PC兼容的、適

十工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)進(jìn)入工控領(lǐng)域，稱為工控機(jī)(TPC),20世紀(jì)90年代以來，基于PC(PC-

Based)的自動化系統(tǒng)及嵌入式PC的應(yīng)用，已成為工業(yè)控制中最活躍的技術(shù)領(lǐng)域。市場上

IPC、嵌入式PC產(chǎn)品很多，本文不……摘錄，請參閱有關(guān)資料。

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)按系統(tǒng)功能可分為以下兒類：

1.數(shù)據(jù)采集和處理生產(chǎn)過程中的各種過程變量，計(jì)算機(jī)可以通過檢測儀器檢測到，即

所謂計(jì)算機(jī)采樣。生產(chǎn)過程中的變量有模擬量、數(shù)字量、開關(guān)量、脈沖列等。在這類系統(tǒng)中，

計(jì)算機(jī)只對過程中的各種參量進(jìn)行巡回檢測、報(bào)警、處理，并在給定的時間間隔，通過顯示、

打印等方式向操作人員提供各種數(shù)據(jù)，而不參加對過程的控制。這種巡回檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，

現(xiàn)已成為各種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分。它的連接刑式見圖12-2。

圖12-2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

2.宜接數(shù)寧控制(DirectDigitalControl——DDC)直接數(shù)字控制系統(tǒng)的構(gòu)成見圖12-3。

計(jì)算機(jī)通過過程輸人通道采集過程變量，按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)過過程

輸出通道作用到控制對象，使被控參數(shù)符合要求的性能指標(biāo)。DDC系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制，

是計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制中最普遍的一種應(yīng)用方式。

山于DDC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)控制任務(wù)，所以要求可靠性高、實(shí)時性好和適應(yīng)性強(qiáng)。

3.監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制(SupervisoryContputerControl-----SCC)監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)

算機(jī)根據(jù)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)利數(shù)學(xué)模型給出工藝參數(shù)最佳值，作為模擬或數(shù)字調(diào)節(jié)器的給定值。

因此，也稱它為過程最優(yōu)化控制。在有的系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)決行監(jiān)督控制的同時，也完成直接

數(shù)字控制。

SCC用計(jì)算機(jī)承擔(dān)高級控制與管理的任務(wù)，它的信息存儲量大，計(jì)算任務(wù)繁重。一般選

用小型或高檔微型機(jī)作為SCC系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)。

第12章基礎(chǔ)自動化

即2-3直接數(shù)學(xué)控制系統(tǒng)框圖

4.生產(chǎn)及綜合管理這是廠一級的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代前的工業(yè)自動化系統(tǒng)

是以生產(chǎn)過程自動化子系統(tǒng)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其主要任務(wù)是：對原料及產(chǎn)品進(jìn)

行管理，統(tǒng)計(jì)原材料用量及能源消耗，記錄生產(chǎn)及事故時間，進(jìn)行作業(yè)率及生產(chǎn)效率等經(jīng)濟(jì)

分析,維修及備品備件管理，用戶合同及編制生產(chǎn)計(jì)劃等。

綜合管理包括：財(cái)務(wù)管理，人事管埋，生產(chǎn)計(jì)劃綜合平衡，原料及能源綜合調(diào)度及分配

企業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等。

12.2.2工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)是和生產(chǎn)過程直接相連接，對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時控制的計(jì)算機(jī)。因此，

與通用計(jì)算機(jī)、辦公室使用的PC相比，在運(yùn)行環(huán)境、硬件構(gòu)成、軟件配置等方面都有不同的

要求<工業(yè)控制計(jì)算機(jī)突出的特點(diǎn)是：

1.耐工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境所謂工業(yè)環(huán)境，它包括溫度、振動、沖擊、塵埃及腐蝕等因素。當(dāng)

今的工業(yè)PC,即與PC兼容的工控機(jī)(IPC),在結(jié)構(gòu)、通風(fēng)、模板安裝加固及元器件選型等方

面，都定位于更高的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。IPC主機(jī)板的平均無故障運(yùn)行時間或平均故障間隔時問

(MTBF)已達(dá)10萬h以上。

2.實(shí)時性實(shí)時性常用“系統(tǒng)響應(yīng)M間”來衡量，即當(dāng)一個外部事件發(fā)生，系統(tǒng)能在多

少時間內(nèi)響應(yīng)事件。生產(chǎn)過程要求控制計(jì)算機(jī)在規(guī)定的時間內(nèi)對被控對象完成所要求的任務(wù)。

生產(chǎn)過程中有些信號變化頻率非常快，要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在幾毫秒甚至若干微秒內(nèi)采集到一個

事件信號或數(shù)據(jù)，并記錄保存它。某些重要的狀態(tài)如發(fā)生突變，表明有事故發(fā)生，也要求計(jì)

算機(jī)系統(tǒng)在兒亳秒內(nèi)發(fā)出相應(yīng)的控制信號，并記錄當(dāng)時時間及相關(guān)量的狀態(tài)或數(shù)值，以便于

事故的分析等。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時性，…方而與CPU的性能與指令有關(guān)，更主要取決于操作系統(tǒng)對程序

運(yùn)行的調(diào)度方法。因此，實(shí)時性強(qiáng)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)多采用實(shí)時操作系統(tǒng)。

3.豐富的過程輸入輸出生產(chǎn)過程的大量信息是通過各種各樣的儀表、傳感器等輸入到

控制計(jì)算桃，由計(jì)算機(jī)作出決策及將控制信息輸出到各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，和一般用于辦公

或管理的計(jì)算機(jī)不同，除人機(jī)接口、常規(guī)的各種外部設(shè)備外，過程輸人輸出設(shè)備是控制計(jì)算

機(jī)必不可少的，是控制系統(tǒng)的重要組成部分。過程輸入輸出設(shè)備包括開關(guān)量、數(shù)字量、模擬

量及脈沖計(jì)數(shù)等特殊功能接口。

在組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時，需要在部件與部件之間進(jìn)行連接與通信，經(jīng)常采用的是總線

方式，所謂“總線”,是指某種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和工藝標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是約定信號名稱、電平等

790電氣傳動自動化技術(shù)手冊

級、負(fù)載能力及連接原則；工藝標(biāo)準(zhǔn)是指結(jié)構(gòu)尺寸，布線次序，印制電路或連接器的使用方

法，引出線數(shù)1、用途及名稱等，以及兼容使用的范圍。標(biāo)準(zhǔn)總線在廣義上講也是接口電路，

使用總線去組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，便于過程輸入輸出通道的添加或更換。

早期的微型機(jī)總線有s-10?？偩€、86總線、多總線(MULTIBUS)和STD(標(biāo)準(zhǔn))總線。

IPC則使用PC的ISA(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu))總線和PCI(周邊組件互連)總線。這是選用過程輸入

輸出模板時要注意的。

12.2.3工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)時操作系統(tǒng)

12.2,3.1操作系統(tǒng)

1.操作系統(tǒng)概念操作系統(tǒng)(OperationSystem一一OS)是一組計(jì)算機(jī)程序的集合，用來有

效地控制和管理計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，即合理地對資源進(jìn)行調(diào)度，并為用戶提供方便的

應(yīng)用接II。它為應(yīng)用支持軟件提供運(yùn)行環(huán)境，即對程序開發(fā)者提供功能強(qiáng)、使用方便的開發(fā)

環(huán)境。它主要包括對用戶編程、調(diào)試的支持和對用戶文件的管理。

操作系統(tǒng)主要功能：

(1)處理器管理對處理器進(jìn)行分配，并對其運(yùn)行進(jìn)行有效的控制和管理。在多任務(wù)環(huán)

境下，合理分配任務(wù)共享的處理器，使CPU能滿足各程序運(yùn)行的需要，提高處理器的利用率，

并能在恰當(dāng)?shù)臅r候收同分配給某任務(wù)的處理器。處理器的分配和運(yùn)行都是以進(jìn)程為基本單位

進(jìn)行的，因而對處理器的管理可以歸結(jié)為對進(jìn)程的管理，包括進(jìn)程控制、進(jìn)程同步、進(jìn)程通

信、作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度等。

(2)存儲器管理存儲器管理的主要任務(wù)是，為多道程序的運(yùn)行提供良好的環(huán)境，包括

內(nèi)存分配、內(nèi)存保護(hù)、地址映射、內(nèi)存擴(kuò)充。如為每道程序分配必要的內(nèi)存空間，使它們各

得其所，H不致因互相重疊而丟失信息，不因某道程序出現(xiàn)異常情況而破壞其他程序的運(yùn)行；

方便用戶使用存儲器；提高存儲器的利用率，并能從邏輯上來擴(kuò)充內(nèi)存等。

(3)設(shè)備管理完成用戶提出的設(shè)備請求，為用戶分配1/()設(shè)備，提高CPU和I/O的利用

率，提高I/O速度，方便用戶使用I/O設(shè)備。設(shè)備管理包括緩沖管理、設(shè)備分配、設(shè)備處理、

形成康擬邏輯設(shè)備等。

(4)文件管理在計(jì)算機(jī)中，大量的程序和數(shù)據(jù)是以文件的形式存放的。文件管理的主

要任務(wù)就是對系統(tǒng)文件和用戶文件進(jìn)行管理，方便用戶的使用，保證文件的安全性。文件管

理包括對文件存儲空間的管理、日錄管理、文件的讀寫管理以及文件的共享與保護(hù)等。

(5)作業(yè)管理作業(yè)管理負(fù)責(zé)給將要執(zhí)行的作業(yè)設(shè)立操作環(huán)境，如建立作業(yè)的數(shù)據(jù)基、

分配資源、設(shè)定狀態(tài)等。作業(yè)環(huán)境一且建立，就為作業(yè)中的任務(wù)所使用。對于多任務(wù)系統(tǒng)，

還必須具有任務(wù)管理.，即任務(wù)調(diào)度功能。

(6)用戶接日用戶與操作系統(tǒng)的接口是用戶能方便地使用操作系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。用戶

通常只需以命令形式、系統(tǒng)調(diào)月即程序接口形式與系統(tǒng)打交道。近代出現(xiàn)的圖形接口，可以

將文字、圖形和圖像集成在一起，用非常容易識別的圖標(biāo)將系統(tǒng)的各種功能、各種應(yīng)用程序

和文件直觀地表示出來，用戶可以通過鼠標(biāo)來取得操作系統(tǒng)的服務(wù)。

2.操作系統(tǒng)分類按程序運(yùn)行調(diào)度的方法可以將計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)分為以下幾種類型：

(1)順序執(zhí)行系統(tǒng)即系統(tǒng)內(nèi)只含一個運(yùn)行程序，它獨(dú)占CPU時間，按語句順序執(zhí)行該

程序，直至執(zhí)行完畢，另程序才能啟動運(yùn)行。DOS操作系統(tǒng)就屬于這種系統(tǒng)。

(2)分時操作系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)同時可有多道程序運(yùn)行。所謂同時，只是從宏觀上說，實(shí)際

第12章基礎(chǔ)自動化791

上，系統(tǒng)把CPU的時間按順序分成巖干片，每個時間片內(nèi)執(zhí)行不同的程序。這類系統(tǒng)支持多

用戶，當(dāng)今廣泛用于商業(yè)、金融領(lǐng)域，如UNIX操作系統(tǒng)。

（3）實(shí)時操作系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)同時有多道程序運(yùn)行，每道程序各有不同的優(yōu)先級。操作系

統(tǒng)按事件觸發(fā)使程序運(yùn)行。多個事件發(fā)生時，系統(tǒng)按優(yōu)先級高低確定哪道程序在此時此刻占

有CPU,以保證優(yōu)先級高的事件實(shí)時信息及時被采集。實(shí)時操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的一個分支，

也是城復(fù)雜的一個分支。

12.2.3.2實(shí)時操作系統(tǒng)及其特點(diǎn)

實(shí)時操作系統(tǒng)主要是用于計(jì)算機(jī)實(shí)時系統(tǒng)巾，實(shí)時操作系統(tǒng)除具有通用操作系統(tǒng)的特性

和功能外，其主要特點(diǎn)是實(shí)時性強(qiáng)。它在任何時刻，總是保證優(yōu)先級最高的任務(wù)占用CPU。

系統(tǒng)對現(xiàn)場不停地監(jiān)測，一旦有事件發(fā)生，系統(tǒng)能即刻做出相應(yīng)的處理。這除了由硬件質(zhì)量

作為基本保證外，主要由實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)部的事件驅(qū)動方式及任務(wù)調(diào)度來決定。

通常實(shí)時操作系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1.多作業(yè)環(huán)境實(shí)時操作系統(tǒng)具有多作業(yè)功能。系統(tǒng)的作業(yè)管理功能為作業(yè)建立數(shù)據(jù)基、

分配資源，即建立作業(yè)環(huán)境。應(yīng)用系統(tǒng)可包含多個作業(yè)，每個作業(yè)環(huán)境如何設(shè)置并非實(shí)時性

的，它是在系統(tǒng)初始化時執(zhí)行的。這些初始化信息由應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)員確定。一個作業(yè)環(huán)境下，

可運(yùn)行多個任務(wù)。系統(tǒng)初始化后，即作業(yè)環(huán)境建立后，任務(wù)的運(yùn)行由任務(wù)調(diào)度程序管理。

在資源分配方面，實(shí)時系統(tǒng)的多作業(yè)、多任務(wù)引起的并發(fā)性、實(shí)時性要求操作系統(tǒng)對資

源分配具有更強(qiáng)的控制能力。通常的工業(yè)控制系統(tǒng)采取設(shè)立前臺與后臺兩個作業(yè)的分配辦法。

前臺作、也中包含實(shí)時采集、控制、處理有關(guān)的任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級較高；后臺作業(yè)包含對數(shù)據(jù)

進(jìn)行分析的任務(wù)和響應(yīng)操作員請求，輸出數(shù)據(jù)的任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級較低。例如在工業(yè)生產(chǎn)控

制中，前臺作業(yè)中的任務(wù)實(shí)時控制著生產(chǎn)過程；后臺作業(yè)對獲得的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、分類，

并將分析結(jié)果報(bào)告操作員。后臺作業(yè)中的任務(wù)只能在前臺任務(wù)運(yùn)行的間隙期間內(nèi)運(yùn)行。

2.任務(wù)的事件驅(qū)動在實(shí)時操作系統(tǒng)中，不同的任務(wù)有不同的驅(qū)動方式。實(shí)時任務(wù)總是

由事件或時間驅(qū)動，見圖12-4,

--內(nèi)部事件：運(yùn)算結(jié)果、設(shè)備請求等

（事件驅(qū)動｛<

實(shí)時任務(wù)，外部事件：開關(guān)量輸入等

K非實(shí)附江務(wù)

圖127任務(wù)及其驅(qū)動方式

最典型的實(shí)時任務(wù)是由外部事件驅(qū)動的。外部事件驅(qū)動常指工業(yè)現(xiàn)場狀態(tài)發(fā)牛.變化或出

現(xiàn)異常，立刻請求CPU處理。CPU將中斷正在執(zhí)行的任務(wù)而優(yōu)先響應(yīng)外部請求，立即執(zhí)行系

統(tǒng)設(shè)計(jì)時設(shè)定的對應(yīng)于該請求的中斷任務(wù)。在實(shí)時系統(tǒng)中，外部事件發(fā)生是不可預(yù)測的，由

外部事件驅(qū)動的任務(wù)是最重要的任務(wù)，它的優(yōu)先級最高。

由時間驅(qū)動的任務(wù)有兩種：一種是按絕對時間驅(qū)動；另一種是按相對時間驅(qū)動。

絕對時間驅(qū)動是指在某指定時刻執(zhí)行的任務(wù)。例如監(jiān)測系統(tǒng)中報(bào)表打印任務(wù)，一般是在

操作員交接班時（班報(bào)告），或夜間零點(diǎn)（日報(bào)告），或每月末（月報(bào)告）執(zhí)行，也就是在自

然時鐘的絕對時間執(zhí)行。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，絕對時間更重要，系統(tǒng)中有些數(shù)據(jù)交換、控制命令

是以絕對時間為基準(zhǔn)執(zhí)行的。

相對時間驅(qū)動是指周期性執(zhí)行的任務(wù)，總是相對」一次執(zhí)行時間計(jì)時，執(zhí)行時間間隔一

定。除了周期性任務(wù)外，還有…?些同步任務(wù)也可能由相對時間驅(qū)動，相對時間可用計(jì)算機(jī)內(nèi)

792電氣傳動自動化技術(shù)F冊

部時鐘或軟時鐘計(jì)時。

3.中斷中斷是計(jì)算機(jī)中軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)共同提供的功能。它包括中斷源、中斷優(yōu)

先級、中斷處理程序及中斷任務(wù)等相關(guān)概念。實(shí)時操作系統(tǒng)充分利用中斷來改變CPU執(zhí)行程

序的順序，達(dá)到實(shí)時處理的目的。

通常在計(jì)算機(jī)主板上有中斷控制器，通

過它與外部信號，即所謂中斷源相連，見圖

12-5。外部信號發(fā)生變化，表示該信號對應(yīng)的

外部事件發(fā)生，請求CPU處理，CPU接到請外部事件

求后.先仲裁該中斷源的優(yōu)先級是否比當(dāng)前

正在執(zhí)行的任務(wù)優(yōu)先級更高，若更高、則中

斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)向執(zhí)行對應(yīng)于該

外部信號的中斷處理程序。這種與中斷級對

圖12-5中斷控制器與CPU

應(yīng)、由外部事件驅(qū)動的任務(wù)又稱為中斷任務(wù)。

中斷源及中斷優(yōu)先級是實(shí)時系統(tǒng)賴以工作的基礎(chǔ)。

4.資源管理程序運(yùn)行時可使用的軟、硬件環(huán)境統(tǒng)稱為資源，主要包括CPU的可利用時

間、系統(tǒng)可提供的中斷源、內(nèi)存空間與數(shù)據(jù)、通用外部設(shè)備等。系統(tǒng)資源由操作系統(tǒng)統(tǒng)一分

配管理。用戶定義的作業(yè)與任務(wù)可向系統(tǒng)申請資源，沒有指派給具體作業(yè)或任務(wù)的資源屬于

系統(tǒng)所有，是共享資源，也是可動態(tài)再分配的資源。實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)應(yīng)保證任何時刻某

一共享資源只有一個任務(wù)在訪問，而且占用該資源的任務(wù)應(yīng)盡快使用并釋放該資源，否則將

引起系統(tǒng)鎖死。因此，對共享資源的管理是實(shí)時操作系統(tǒng)的重要任務(wù)之…。

12.2.3.3常用實(shí)時操作系統(tǒng)

在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上使用的有代表性的實(shí)時操作系統(tǒng)有：

1.VMSVMS是20世紀(jì)70年代末以來，DEC公司推出的VAX系列計(jì)算機(jī)上為使用的

操作系統(tǒng)。VMS(VirtualMemorySystem)即虛擬存儲系統(tǒng)。它是一個具有多用戶、有實(shí)時和分

時管理、批處理等功能的系統(tǒng)。VMS中有1千個程序，其作用可劃分為管理與調(diào)度程序和數(shù)

據(jù)結(jié)構(gòu)兩大部分：

VMS提供給用戶的功能大體1:分為：建立設(shè)備之間通信；為用戶建立工作環(huán)境，合理地

使用整個系統(tǒng)的資源；調(diào)度各種資源使其充分發(fā)揮功能。VMS有很強(qiáng)的信息處理功能，它們

由記錄管理業(yè)務(wù)(RecordMaragementService----RMS)、I/O系統(tǒng)服務(wù)、公共數(shù)據(jù)字典(Commom

DalaDictionary——CDD)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(RelationalDataBase…-RDB)、數(shù)據(jù)庫管理、表格管理

系統(tǒng)FMS(FormManagementSystem)等軟件，構(gòu)成一個完整體系的集合。

2.iRMXiRMX(Intelreal-Limemulti-taskexcutive)操作系統(tǒng)是Intel公司發(fā)行的實(shí)時多任

務(wù)操作系統(tǒng)。自20世紀(jì)80年代以來，隨著CPU硬件技術(shù)的發(fā)展，iRMX操作系統(tǒng)不斷進(jìn)行修

收和完善，先后正式發(fā)行了十多個版木.最新的iRMX已與80386、80486及PentiumCPU相適

應(yīng)，稱為iRMXII。與PC兼容的計(jì)算機(jī)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域后，iRMXII的功能也進(jìn)?步充實(shí)。

(DiRMXIIl系列軟件包括以下二個系統(tǒng)，見圖12-6。

DiRMXIIforMBI/II:這是最早的iRMX系統(tǒng)格式,運(yùn)行于MultiBusI(MBI)和

MultiBus[I(MBII)總線的微機(jī)：

2)iRMXforPC:這種系統(tǒng)可直接安裝并運(yùn)行丁PC平臺上，不需要任何其他系統(tǒng)支持,

加電可直接引導(dǎo)iRMX,

第12章基礎(chǔ)自動化793

3)jRMXforWindows:這種系統(tǒng)與DOS/Windows同時并存于...臺PC系統(tǒng)內(nèi)。加電時引導(dǎo)

DOS系統(tǒng)，可隨時通過熱鍵引導(dǎo)iRMX系統(tǒng)。iRMX引導(dǎo)后，兩個系統(tǒng)可通過熱鍵切換，共享

文件，相互通信。

(2)iRMX是面向目標(biāo)管理的實(shí)時多任務(wù)操作

系統(tǒng)，具有一些獨(dú)到的特征：

1)它采用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度方式，實(shí)

現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度和中斷處理，實(shí)時地監(jiān)測、控制、

處理外部事件，并可預(yù)測到系統(tǒng)響應(yīng)時間，即中

斷晌應(yīng)和任務(wù)轉(zhuǎn)換時間。

2)iRMX具有多道程序功能，可在同-?系統(tǒng)內(nèi)

運(yùn)行甚至毫不相干的多個應(yīng)用。采用多個作業(yè)環(huán)

境，可使這些應(yīng)用的運(yùn)行環(huán)境相對隔離，就像各

自獨(dú)…個系統(tǒng)一樣。圖12-6iRMXII軟件包

3)iRMX面向目標(biāo)的管理方式，簡化了應(yīng)用程

序設(shè)計(jì)和資源控制。作'也、任務(wù)、程序段等都是系統(tǒng)內(nèi)的日標(biāo)之一。一個復(fù)雜的應(yīng)用在iRMX

下可變得簡單明了，設(shè)計(jì)人員可將復(fù)雜的應(yīng)用分解成一個個簡單問題，對應(yīng)每個簡單問題編

寫一段程序，并將它建立為一個任務(wù)?；谀繕?biāo)的編程也可使編程變得十分簡單，此后在系

統(tǒng)中漕加新的功能時，只需增加一個新任務(wù)。只要給任務(wù)安排了合理的優(yōu)先級，系統(tǒng)的任務(wù)

調(diào)度程序會自動地按優(yōu)先級協(xié)調(diào)各任務(wù)運(yùn)行。

4)iRMX而向日標(biāo)管理方式支持多用戶。iRMX通過網(wǎng)絡(luò)，支持系統(tǒng)之間的文件共享與傳

送。

5)iRMXH是32位結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)，可訪問4GB的物理空間，支持4GB的段地址。利用

了32位CPU的硬件保護(hù)模式特點(diǎn)，使系統(tǒng)具有高可靠性。

3.QNXQNX操作系統(tǒng)是一個分布式網(wǎng)絡(luò)實(shí)時操作系統(tǒng)，它是加拿大QuantumSoftwareSys-

tems公司的產(chǎn)品。該公司1982年推出在IBMPC:上使用的多用戶、多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)版本，

1984年將局域網(wǎng)集成到QNX操作系統(tǒng)中。2.15版QNX操作系統(tǒng)集成的網(wǎng)絡(luò)是采用令牌環(huán)網(wǎng)協(xié)

議。4.x版的QNX操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。

QNX操作系統(tǒng)是從UNIX發(fā)展起來的，它的命令有許多與UNIX相同，UNIX有許多概念被

QNX采納，如文件的組織、輸入/輸出重定向、任務(wù)建立等。

QNX與DOS的區(qū)別很大，因?yàn)镼\X是多任務(wù)、分布式操作系統(tǒng)，而DOS不是。QNX對

硬盤的劃分及文件存放格式也與DOS不同。但QNX操作系統(tǒng)提供了兩個服務(wù)：QDOS和DFS。

它們允詐QNX系統(tǒng)存取DOS文件和運(yùn)行DOS程序，既可將DOS下的文件送到QNX中，也可

將QV中文件傳送到DOS下，使傳送字符文件變得非常容易。當(dāng)然傳送巾必須檢查行結(jié)束符

和文件終止符。

QNX操作系統(tǒng)是運(yùn)行在PC上的多任務(wù)、多用戶的實(shí)時操作系統(tǒng)，它可以與MS-DOS.

UNIX和OS/2并存于一臺PC或其兼容機(jī)上。QNX實(shí)時系統(tǒng)突出特點(diǎn)之一是任務(wù)問通信主要依

靠內(nèi)部任務(wù)消息實(shí)現(xiàn)，它的結(jié)構(gòu)靈活、內(nèi)核小、集成網(wǎng)絡(luò)后只有148KB,最多可連接32個終

端，任務(wù)調(diào)度基于優(yōu)先級，對異常事件能實(shí)時響應(yīng)。

隨著QNX的深入使用和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)發(fā)展，QNX生產(chǎn)者又推出了QNXforWindows;許

多軟件應(yīng)用開發(fā)者在此基礎(chǔ)上作了二次開發(fā)，充分利川了QNX的實(shí)時性能和網(wǎng)絡(luò)通信能力，

794電氣傳動自動化技術(shù)手冊

同時增加了圖形界面，使QNX更具有生命力。

4.AMXAMX是基于DOS的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)。AMX在PC上有兩種版本：AMX86和

AMX386、AMX86運(yùn)行于實(shí)時模式，可在8088,80x86及Pentium機(jī)上運(yùn)行：AMX386采用32位

代碼，運(yùn)行于保護(hù)模式，必須在386以上機(jī)種上使用。由于AMX386運(yùn)行在保護(hù)模式下，不受

DOS的640KB傳統(tǒng)內(nèi)存限制，可以方便地使用內(nèi)存資源，極適合編制大、中規(guī)模的系統(tǒng)。

AMX系統(tǒng)的主要部分為實(shí)時多任務(wù)函數(shù)庫，庫中函數(shù)可實(shí)現(xiàn)任務(wù)的掛起、切換、事件同

步、資源五斥等功能。用戶在用C語言或匯編等語言編程時，使用這個庫中的函數(shù)，即可建

立自己的實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)。

AMX采用優(yōu)先級驅(qū)動調(diào)度算法，它的原則是「一痂f)用尸模塊AMX模塊

確保最高優(yōu)先級的任務(wù)占有CPU,以實(shí)現(xiàn)對重要二口

事件的快速響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上輔以時間分片算法，始化=>擦制流

―JT————函數(shù)調(diào)州

允許相同優(yōu)先級的任務(wù)以時間分片的方式共同享」,'—-----^中斷

，-------------|--------------------

有CPU。此外、AMX還提供了中斷服務(wù)程序重新引動過程凹

(ISP)以實(shí)現(xiàn)對事件的即時響應(yīng)。

AMX的基本操作過程見圖12-7。AMX系統(tǒng)啟

動后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，建立AMX的內(nèi)部

變量和結(jié)構(gòu)；然后執(zhí)行用戶定義的重新啟動過程，

進(jìn)行用戶應(yīng)用程序的初始化，如激活任務(wù)、設(shè)置

定時器等。以上工作完成后，AMX的任務(wù)調(diào)度器

將接管系統(tǒng)的控制權(quán)，根據(jù)任務(wù)調(diào)度策略進(jìn)行用

戶任務(wù)的實(shí)時調(diào)度，從而進(jìn)入用戶的實(shí)時多任務(wù)

系統(tǒng)

12.2.4Windows

12.2.4.1Windows和實(shí)時控制

PC的迅猛發(fā)展和普及，為工控機(jī)(IPC)提供圖12-7AMX操作過程

了豐富的資源及開發(fā)壞境。DOS操作系統(tǒng)不適于實(shí)時控制，出現(xiàn)了以Intel公司iRMX為代表的

實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)。Windows的推出為工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展注入了新的活力。Windows有助

丁組織和管理數(shù)據(jù)信息，利用過程描述、歷史趨勢、面板等功能，可將數(shù)據(jù)用圖形方式顯小

在彩色屏幕上，并可同時觀察多幅畫面。Windows中令人注目的動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DynamicData

Exchange-DDE)功能，使同…臺計(jì)算機(jī)中的不同作業(yè)或多臺計(jì)算機(jī)之間能動態(tài)交換數(shù)據(jù)，

為在工業(yè)實(shí)時控制軟件中開發(fā)圖形用戶界面提供了有效的途徑。

Windows雖然具有多任務(wù)功能，但由于它的結(jié)構(gòu)是為辦公自動化而設(shè)計(jì)的，不具備實(shí)時性

和堅(jiān)固性，人們很少將它直接用丁實(shí)時控制，而足尋求一種更佳的實(shí)時操作系統(tǒng)。因此，Intel

公司推出了iRMXforWindows操作系統(tǒng)，Quartum公司推出了QNXforWindows操作系統(tǒng)，以及

Intellution公司推出了FIX組態(tài)軟件，BJ公司推出了RealFlexforWindows工.業(yè)挖制軟件等。這些

系統(tǒng)都沒有拋開Windows,而是通過DDE.將它們原有的實(shí)時控制軟件直接與Windows應(yīng)用程序

鏈接起來，將實(shí)時數(shù)據(jù)送到Windows應(yīng)用程序中去。這樣既保證了應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時性，又充分

利用了Windows的圖形用戶界面。

WindowsNT的推出，使各工業(yè)控制軟件開發(fā)者把注意力投向「WindowsNT?，F(xiàn)在己經(jīng)成

第12章基礎(chǔ)自動化795

熟的WindowsNT在工業(yè)控制領(lǐng)域占有了一席之地。

12.2.4.2WindowsNT的實(shí)時性

WindowsNT的應(yīng)用程序建立在一個32位的應(yīng)用界面(ApplicationInterface——API)Win32

之上。WindowsNT面向的是技術(shù)型用戶，其網(wǎng)絡(luò)管理功能十分強(qiáng)大，系統(tǒng)的可靠性高、安

全性好(具有關(guān)國國防部制定的C2安全級)。WindowsNT可在PowerPC.工作站、Alpha工作站

SGI工作站等多種硬件平臺上運(yùn)行，還可在各種時稱多處理系統(tǒng)上運(yùn)行。為DOS、OS/2和

Windows所編寫的應(yīng)用程序都能在NT中運(yùn)行。此外，WindowsNT支持ISO/IEC10646編碼

(Unicode)便于漢化，其人機(jī)界面也采用了新型圖形界面：

WindowsNT結(jié)構(gòu)見圖12-8,

應(yīng)用程序

保護(hù)子系統(tǒng)

(服務(wù)器)

XT執(zhí)名體

消息傳遞系統(tǒng)捕獲二-------A硬件操作--------

圖12-8WindowsNI結(jié)構(gòu)

WindowsNT采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞健Ｏ到y(tǒng)中的對象都用同一結(jié)構(gòu)，用對象管理器對它

們進(jìn)行管理。WindowsNT管理對象的方式與管理文件的方式相似，使用一個對象，先得用名

稱打開它：

WindowsNT的實(shí)時性是基于處理中斷、異常、調(diào)度線程等對進(jìn)程管理，采用的進(jìn)程內(nèi)多

個線程的切換與傳統(tǒng)的多進(jìn)程間的任務(wù)切換相比較，系統(tǒng)開銷要小得多，是一種先進(jìn)的多任

務(wù)技術(shù)。

WindowsNT的調(diào)度優(yōu)先級分為兩類：實(shí)時的和可變的，見圖12-9。優(yōu)先級以16?31為實(shí)

時程序所用的高優(yōu)先級。如實(shí)時監(jiān)控應(yīng)用程序等要求CPU立即響應(yīng)的程序線程，就使用這些

高優(yōu)先級。大多數(shù)程序的線程擁有0?15之間的某一動態(tài)可變優(yōu)先級。這種動態(tài)優(yōu)先級會隨

著需求而動態(tài)提高或降低，以優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)時間。

796電氣傳動自動化技術(shù)手冊

圖12-9線程調(diào)度優(yōu)先級

WindowsNT的中斷處理程序?qū)⒂布袛嗉売成涑刹僮飨到y(tǒng)所能識別的中斷請求級(Inter-

mptRequestIcvcl-IRQL)JRQL將中斷按優(yōu)先級排列。它與前面的調(diào)度優(yōu)先級不同，調(diào)度優(yōu)

先級是線程的屬性，而IRQL是中斷源的屬性。中斷是按優(yōu)先級服務(wù)的，較高優(yōu)先級的中斷搶

先于低優(yōu)先級的中斷服務(wù)。

12.2.4.3與實(shí)時應(yīng)用有關(guān)的Internet技術(shù)

微軟公司在WindowsNT中集成進(jìn)了一種稱為因特網(wǎng)(Internet)信息服務(wù)(Inlernetlaforma-

tionService——IIS)的軟件，使得WindowsNT在桌面系統(tǒng)和Imemet服務(wù)器市場中成為主流操

作系統(tǒng)。在工業(yè)領(lǐng)域，借助因特網(wǎng)和內(nèi)連網(wǎng)(Intranet)可以很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時信息的共享和管

理。

Intemel使實(shí)時應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫可以在更大的范圍內(nèi)共享，實(shí)現(xiàn)的方法是通過HS的因特網(wǎng)數(shù)

據(jù)庫連接(InternelDatabaseConnector----IDC)。IDC:支持動態(tài)超文本標(biāo)識語言(HypertextMark-

upLanguage-----HTTML)頁的生成。IDC包括各種SQLServer平臺的MicmsoftSQLServer驅(qū)動程

序，并通過WindowsNF的開放式數(shù)據(jù)庫連接(ODBC)驅(qū)動程序支持其他數(shù)據(jù)庫。IDC還支持

用戶用微軟公司的IntemelExplorer或Netscape公司的Navigator瀏覽器來查詢Access數(shù)據(jù)庫，使

實(shí)時應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫可以在更大的范圍內(nèi)共享。

第12章基礎(chǔ)自動化797

12.3可編程序控制器

12.3.1可編程序控制器的構(gòu)成和工作原理

12.3.1.1可編程序控制器的構(gòu)成

可編程序控制器(ProgramableLogicalController-------PLC)是…種專用的工業(yè)控制裝置。它

比一般的計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過程相連接的接口和更直接的適用于控制要求的編程語言。

所以PLC與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相似，也具有電

源模塊、中央處理單元(CPU)、存儲器、輸

人輸出接口模塊、編程器和外部設(shè)備等。小

型PLC多為CPU與f/0接口集成在一起的單

元式結(jié)構(gòu)，功能較少，大中型PLC系統(tǒng)構(gòu)成

通常采用模塊化結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng).設(shè)計(jì)靈活。

其結(jié)構(gòu)框圖見圖12-10。

(1)中央處理單元(CentralProcessing

Unit——CPU)是PLC挖制系統(tǒng)的中樞。它包

圖12To可編程序控制器結(jié)構(gòu)框圖

括微處理器和控制接口電路。它要完成軟硬

件系統(tǒng)的診斷，對電源、系統(tǒng)硬件配置.、編程過程中的語法進(jìn)行檢查，并根據(jù)不同情況進(jìn)行

處理，在運(yùn)行過程中，按系統(tǒng)程序賦予的功能，讀入存儲器內(nèi)的用戶程序，并以掃描方式讀

人所有輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，存入輸入映像區(qū)中，然后逐條解讀用戶程序，執(zhí)行包括邏輯

運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、比較、變換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)，在掃描程序結(jié)束后，更新內(nèi)部標(biāo)志位，將

結(jié)果送入輸出映像區(qū)或寄存器內(nèi)，最后將映像區(qū)內(nèi)的各輸出狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出設(shè)

備中，如此循環(huán)運(yùn)行。CPU還要完成與編程設(shè)備的通信、連接打印機(jī)等功能。

(2)存儲器是用來存放程序和數(shù)據(jù)的存儲器，包括系統(tǒng)程序存儲區(qū)，用戶程序存儲區(qū)和

系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲區(qū)。系統(tǒng)程序存儲區(qū)存放PLC的系統(tǒng)程序，包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解

釋程序、自診斷程序、模塊化功能子程序等，其隨CPU固化在EPROM中。用戶程序存儲區(qū)用

于存放用戶編制的應(yīng)用程序，不同的PLC存儲容量大小不司，有隨機(jī)的，也有擴(kuò)展存儲的，

RAM、EPROM、EEPROM都可用來存放用戶程序。系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲區(qū)包括輸入過程映像區(qū)、輸

出過程映像區(qū)及內(nèi)部繼電器、數(shù)據(jù)寄存器、定時器、計(jì)數(shù)器、累加器等。

(3)電源單元是PLC內(nèi)部電源及總線電源供給部分。其作用是把外部供給電源變換成PLC

內(nèi)部各單元所需電源。它還應(yīng)包括掉電保護(hù)電路和后備電池電源，以保持RAM在外部電源掉

電后存儲的內(nèi)容不丟失。因其應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中，各種電磁干擾較多，且工業(yè)供電電壓波動

范圍較大，應(yīng)采用電壓適應(yīng)范圍寬、輸出穩(wěn)定的專用電源模塊v一般電源模塊供電電壓范圍

為AC85?264VDC18?30V。

(4)1/0接口模塊是PLC的CPU與現(xiàn)場輸入、輸出裝置或其他外部設(shè)備之間的連接接口部

件。PLC系統(tǒng)通過I/O模塊與現(xiàn)場設(shè)備相連，每個模塊都有與之對應(yīng)的編程地址，模塊二具有

I/O狀態(tài)顯示，為滿足不同的需要，有數(shù)字量輸人輸出模塊、模擬量輸人輸出模塊、計(jì)數(shù)器等

特殊功能模塊可供選擇，PLC所有I/O模塊都具有光耦合電路，以提高PLC的抗干擾能力。1/

0接門模塊既可與CPU放置在一起，也可通過遠(yuǎn)程站放置在設(shè)備附近。

798電氣傳動自動化技術(shù)手冊

(5)編程器與外部設(shè)備。編程器通過通信接川與CPU相連，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，用戶可通過編

程器對PLC進(jìn)行程序編制、系統(tǒng)調(diào)試和狀態(tài)監(jiān)控等操作。根據(jù)功能需要，有手持式和臺式編

程器可供選擇，手持式編程器多用于小型PIC上，采用液晶顯示器，信息量少，必須在線編

程。大中型PIC多采用臺式編程器，它由臺式計(jì)算機(jī)或筆記本計(jì)算機(jī)，配以專用的程序開發(fā)

軟件組成，信息量大，功能齊全，既可實(shí)現(xiàn)在線(on-line)和離線(off-line)編程、還可完成

程序的上載及打印輸出等功能，

12.3,1.2PLC的工作原理

繼電器聯(lián)鎖控制采用硬件邏輯并行運(yùn)行的方式，隨著繼電器線圈的得電或失電，不管在

控制線路的哪個位置，該繼電器的觸點(diǎn)同時動作。而PLC是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)的軟件邏輯聯(lián)鎖，

其CPU按順序周期性地逐條掃描用戶程序，每次掃描都有一定的時間，當(dāng)一條語句被執(zhí)行后，

其產(chǎn)生的結(jié)果并不馬上反映到輸出設(shè)備上，必須等本次掃描結(jié)束后才會被統(tǒng)一執(zhí)行。但用戶

程序的掃描順序也不是固定不變的，可以通過定時中斷或外部中斷加以調(diào)整。

1.1/0映像區(qū)在PLC內(nèi)開辟了I/O映像區(qū)。其大小與PLC系統(tǒng)CPU規(guī)模有關(guān)。對于系統(tǒng)

的每?個輸入點(diǎn)，總有輸入映像區(qū)的一個位與其相對應(yīng)。對于系統(tǒng)的每一個輸出點(diǎn)，都有輸

出映像區(qū)的一個位與其相對應(yīng)。系統(tǒng)的輸入、輸出點(diǎn)的編址號與I/O映像區(qū)映像寄存器地址號

相對應(yīng)。PLC工作時將采集到的輸人信號狀態(tài)存人輸入映像區(qū)對應(yīng)位上；將運(yùn)算結(jié)果存放到

輸出映像區(qū)對應(yīng)的位上。PLC在執(zhí)行用戶程序時所需輸入輸出繼電器的數(shù)據(jù)取用于I/O映像

區(qū)，而不直接與外部設(shè)備發(fā)生關(guān)系。

V0映像區(qū)的建立，使PLC工作時只和內(nèi)存有關(guān)地址單元內(nèi)所存信息狀態(tài)發(fā)生關(guān)系，而系

統(tǒng)輸出也只給內(nèi)存某一地址單元設(shè)置一狀態(tài)。這樣不僅加快了程序執(zhí)行速度，而且還使控制

系統(tǒng)與外界隔離。同時對外部設(shè)備更新時間快慢不影響系統(tǒng)掃描時間，提高了系統(tǒng)的抗干擾

能力。

2.循環(huán)掃描的工作方式PIC運(yùn)行時，其循環(huán)掃描過程一般分

為三個階段進(jìn)行，即輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新

階段。期間，CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述過程，見圖12-

HoPLC通電后，系統(tǒng)程序按照一定順序?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)部的各種任務(wù)進(jìn)

行查詢、判斷和執(zhí)行，這個過程實(shí)質(zhì)上是按順序循環(huán)掃描的過程。

執(zhí)行一個循環(huán)掃描過程所需的時間稱為掃描周期，其典型值為

150ms。由于PLC工作是采用循環(huán)掃描的工作方式，所以在編制用

戶程序時要特別注意，盡量不要編制循壞程序或盡量少用循環(huán)語句。

而循環(huán)時間不能超過系統(tǒng)的循環(huán)掃描時間，否則系統(tǒng)不能正常工作。

(1)初始化初始化即系統(tǒng)上電時對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，對一些通圖12-11PLC循環(huán)

信模塊及一些智能模塊進(jìn)行初始化設(shè)定及同步等。初始化工作只在掃描工作過程

PIC上電時執(zhí)行次。如西門了S7PIC自動執(zhí)行組織塊(OBIOO)。

(2)輸入采樣階段PLC以掃描方式讀入所有輸入模塊的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入輸入映像區(qū)

的寄存繇中，輸人采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)人用戶程序執(zhí)行階段，此時即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生了變

化，輸入映像區(qū)中的內(nèi)容也不會改變，只能在下一個循環(huán)周期中才能被刷新。因此，如果輸

人信號是脈沖形式，其脈沖寬度必須大于一個掃描周期才能保證被系統(tǒng)接收到。

(3)程序執(zhí)行階段CPU總是按?定順序依次地掃描用戶程序，如果程序是梯形圖形式，

就按照先左后右、先上后下的順序?qū)刂凭€路進(jìn)行解讀運(yùn)算，如果程序是語句表形式，則按

第12章基礎(chǔ)自動化799

照先上后下的順序?qū)Τ绦蜻M(jìn)行解讀，然后根據(jù)解讀的結(jié)果，刷新系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)寄存

器的狀態(tài)，或者刷新輸出映像區(qū)的狀態(tài)。在用戶程序執(zhí)行過程中，輸入映像區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)

據(jù)不會發(fā)生變化，而輸出映像區(qū)和內(nèi)部繼電器、數(shù)據(jù)寄存器、定時器、計(jì)數(shù)器、累加器等中

間變量的狀態(tài)及數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，其狀態(tài)與在用戶程序中的位置有關(guān)，同一中間變量

在前面改變后將在后面程序應(yīng)用時起作用。

PIC的掃描既可按照固定的順序進(jìn)行，也可按照用戶程序所指定的順序進(jìn)行。比如可采

取硬件中斷方式或時間間隔中斷方式來執(zhí)行程序。這樣可使…些要求響應(yīng)快的任務(wù)得到最快

的響應(yīng)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性，

[4）輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段，在此期間，CPL

按照輸出映像區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出模塊驅(qū)動外部設(shè)備

達(dá)到控制的日的。

3.PLC系統(tǒng)的掃描周期PI.C系統(tǒng)的打描周期為包括系統(tǒng)自診斷、通信、輸人采樣、用

戶程序執(zhí)行和輸出刷新等用時的總和。對掃描時間產(chǎn)生影響的因素較多，不同型號、不同系

列的PLC本身固有的掃描速度是不同的，這與所采用的處理器型號有很大關(guān)系，早期的處理

器多采用單片機(jī)、微處理器，如MCS51、MC68000.Intel8086等，隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)

展，功能強(qiáng)、速度快的高檔微處理器應(yīng)用于PLC系統(tǒng)，如80386、80486,有的PLC還采用了

雙CPL技術(shù)，大大提高了PLC的掃描速度。就同型號的PLC來說，影響掃描時間的因素主要

有：通信所占時間的長短與連接的外部設(shè)備多少、通信距離的遠(yuǎn)近、通信方式、通信介質(zhì)等

（一?殷大型PIC有較大的110映像區(qū)，映像區(qū)內(nèi)110速度快慢不影響PLC掃描時間）。影響系統(tǒng)

循環(huán)掃描時間的主要因素為：

11）輸入采樣和輸出刷新所需的時間取決丁所連接的1/0點(diǎn)數(shù)多少。

'：2）PIC的掃描速度與用戶程序的長短密切相關(guān)，用戶程序的長短則取決于控制對象的復(fù)

雜程度和編程的技巧。同樣一個功能，如果程序編制得巧，程序執(zhí)行得就快，若程序中用了

很多循環(huán)語句，則程序執(zhí)行就慢。

13）除此之外，還必須考慮用戶程序中是否含有大最的運(yùn)算指令和特殊功能指令，因?yàn)閽?/p>

描特殊功能指令的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過三描基本邏輯指令所需的時間，而且不同的特殊功能指令所

需要的時間都不相同，

12.3.2可編程序控制器組態(tài)

為了經(jīng)濟(jì)地實(shí)施在傳動工程和自動化技術(shù)中的眾多任務(wù)，高性能的組態(tài)工具是必不可少

的。各個PLC生產(chǎn)廠廣商都依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131的全部規(guī)定，提供用于系統(tǒng)有效配置的組態(tài)

環(huán)境,利用組態(tài)工具，可為系統(tǒng)提供用于本地和遠(yuǎn)程操作的過程外部設(shè)備。能夠在程序生成

期間或程序生成之后確定硬件部件（如CPU、程序存儲器、1/0模塊地址、通信參數(shù)、遠(yuǎn)程1/

0等）這一組態(tài)任務(wù)能夠在線（連接PLC）以及離線（僅在PC上）完成.在在線操作中，下

載組態(tài)立即檢查硬件的真實(shí)性，以排除錯誤的輸入。

組態(tài)及編程軟件方面，每個廠家都有自己的系統(tǒng)，如SIEMENS公司的STEP7、Schneider公

司的MOD1CO、CONCEPT.GEFanuc公司的CONTROL等。

12.3.3編程語言

各個PIC廠商都對各自PLC有一套組態(tài)及編程軟件，但它們都有一個共同點(diǎn)，即符合國

800電氣傳動自動化技術(shù)手冊

際標(biāo)準(zhǔn)IFC61131-32002《可編程序控制器第3部分：編程語言》。在我國也相應(yīng)制定了國家標(biāo)

準(zhǔn)GB/T15969.31995《可編程序控制器第3部分：編程語言》。在這些標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了可編程

序控制器(PIC)編程語言的整套語法和定義，它包括圖形化編程語言［如功能塊圖(FBD)

語言、順序功能圖(SEC)語言、梯形圖(LD)語言］和文本化編程語言［如指令表(N)語

言、結(jié)構(gòu)文本(sr)語］。

12.3.3.1功能塊圖(FBD)語言

功能塊圖(FunctionBlockDiagam——FBD)用來描述功能、功能塊和程序的行為特征，是

對預(yù)先封裝在功能塊巾的功能單元進(jìn)行分級處理的1.具。

功能塊概念是標(biāo)準(zhǔn)編程系統(tǒng)的一個重要的特征，任何功能塊可以用共他更小的、更易管

理的功能塊來編程，這樣就可以由許多功能塊構(gòu)造一個有層次的結(jié)構(gòu)合理的程序。

功能塊用矩形塊來表示，每一功能塊的左側(cè)有不少于一個的輸入端，在右側(cè)有不少于…

個的輸出端，功能塊的類型名稱通常寫在塊內(nèi)，但功能塊實(shí)例的名稱通常寫在塊的上部，功

能塊的輸入輸出名稱寫在塊內(nèi)的輸入輸出點(diǎn)的相應(yīng)地方。各個功能塊通過實(shí)際參數(shù)或鏈接使

之連接在一起。要連接的輸人、輸出參數(shù)要有相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。

在…個功能塊圖程序區(qū)段中，

每個功能塊的處理順序是由區(qū)段中

問的數(shù)據(jù)流來決定的。…個簡堂的

算術(shù)運(yùn)算功能塊圖的處理順序見圖

12-12,即先處理(1)加法運(yùn)算,

再處理(2)減法運(yùn)算，最后是

(3)做乘法運(yùn)算，輸出結(jié)果。

圖12-12功能塊圖處理順序

12.3.3.2順序功能圖(SFC)語言

順序功能圖(SequentialFunctionChar——SFC)是一種描述控制程序的順序行為特征的圖

形化語言，可對復(fù)雜的過程或操作由頂?shù)降椎剡M(jìn)行輔助開發(fā)。SFC允許一個復(fù)雜的問題逐層地

分解為步和較小的能夠被詳細(xì)分析的順序。

順序功能圖可以由步、有向連接和轉(zhuǎn)移等集合描述。

步用矩形框表示，描述了被控系統(tǒng)的每一特殊狀態(tài)。個步可以是激活的，也可以是休

止的，只有當(dāng)步處于激活狀態(tài)時，與之相應(yīng)的動作才會被執(zhí)行，至于一個步是否處于激活狀

態(tài)，則取決于上…步及轉(zhuǎn)移。

有向連線表示功能圖的狀態(tài)轉(zhuǎn)化路線，每一步是通過有向連線連接的。

轉(zhuǎn)移表示從一個步到另一個步的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換并非任意的，只有當(dāng)滿足一定的轉(zhuǎn)換條

件時，轉(zhuǎn)移才能發(fā)生。

每一步是用一個或多個動作(action)來描述的。動作包含了在步被執(zhí)行時應(yīng)當(dāng)發(fā)生的…

些行為的描述，動作用一個附加在步上的矩形框來表示。

在順序功能圖語言中，每一個步中需要完成什么任務(wù)，在轉(zhuǎn)移中有什么邏輯條件，可使用

其他任何一種編程語聲(如語句表、梯形圖語言等)來編寫。

功能圖來源于佩特利(Peli)網(wǎng)，由于它具有圖形表達(dá)方式，能較簡單和清楚地描述復(fù)雜

系統(tǒng)的所有現(xiàn)象，并能對系統(tǒng)中存在的一些故障、不安全因素等反?，F(xiàn)象進(jìn)行分析和建模，

在模型的基礎(chǔ)上能直接編程，因此該語言也得到了廣泛應(yīng)用。在Schneider公司的MODICON

CONCEPT,西門子公司S7-SFC等都提供了順序功能圖編程語言。

第12章基砒自動化801

順序功能圖語言不僅僅是一種語言，也是一種組織控制程序的圖形化方式。圖1273是一

段順序功能圖語言程序，

在圖中，50、SI、S2、S3為步，其中SO為起始步，Tl、T2、T3、T4、TS為轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移的

謖輯條件為1時轉(zhuǎn)換，進(jìn)入下…步，而為0時不轉(zhuǎn)換，停留在原步。圖中，SO步轉(zhuǎn)換到St、

S2是一分支結(jié)構(gòu)。當(dāng)T1為1時，轉(zhuǎn)換到S1步，而當(dāng)T4為1時，轉(zhuǎn)換到S2步。而SI、S2轉(zhuǎn)

換到S3是邏輯或，執(zhí)行完S1HT2為1,則轉(zhuǎn)換到S3;或

執(zhí)行完S2IIT5為1,轉(zhuǎn)換到S3。當(dāng)S3執(zhí)行完成且T3為

1,繼續(xù)往下轉(zhuǎn)換。

順序功能圖語言有以下特點(diǎn)：

(1)以功能為主線，條理清楚，便于對程序的理解及

對功能修改，

(2)對于大型及復(fù)雜的程序，可分工設(shè)計(jì)，采用較靈

活的程序結(jié)構(gòu)，可節(jié)省編程時間及調(diào)試時間。

(3)程序執(zhí)行中，只有激活的步中指令，CPU才對它

進(jìn)行掃描，而未激活的步則不正行掃描，因此程序運(yùn)行

時，其循環(huán)掃描時間比其他編程語言編制的程序短得多。

12.3.3.3梯形圖(LD)