第8章典型計算機控制系統簡介

＞基于PC總線的板卡與工控機組成的計算機控

制系統；

＞基于數字調節器的計算機控制系統；

＞基于PLC的計算機控制系統；

＞基于嵌入式系統的計算機控制系統；

＞分散控制系統；

＞現場總線控制系統；

＞計算機集成制造系統。

2012-10-9計算機控制技術1

8J基于PC總線的板卡與工控機組成

的計算機控制系統

?該類系統是一種非常典型的DDC控制系統，工

控機通過基于PC總線的板卡進行實時數據采集,

并按照一定的控制規律實時決策，產生控制指

令，并通過板卡輸出，對生產過程直接進行控

制。

?該類系統具有組成靈活，成本低等特點，廣泛

應用于工業生產的各個領域。是目前在工業上

用得比較多的一類系統。

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8.1.1PC總線的工業控制機簡介

■工業個人計算機IndustriaIPersonaIComputer

（簡稱IPC）是一種加固的增強型個人計算機，是指

對工業生產過程及其機電設備、工藝裝備進行測量

與控制用的計算機，簡稱工控機，它可以作為一個

工業控制器在工業環境中可靠運行。

■20世紀80年代初期，美國AD公司就推出了類似IPC的

MAC-150工控機，隨后美國IBM公司正式推出工業個

人計算機IBM7532。

■由于IPC的性能可靠、軟件豐富、價格低廉，而在工

控機中異軍突起，后來居上，應用日趨廣泛。

2012-10-9計算機控制技術3

工校機示意圖

2012-10-9計算機控制技術4

1.工業PC的結構

?工業控制機的典型結構如圖8.1所示，主要有以下幾

部分組成。

/①全鋼機箱

/②無源底板

/③工業電源

/④CPU卡

/⑤其他配件

圖8.1工控機典型結構圖

下?頁

2012-10-9計算機控制技術5

CPU板返回

2012-10-9計算機控制技術6

無源底板

返回

2U12-1U-9巾舁機拴制及不

2.工業PC的特點⑴

?專門為工業工程控制現場設計的工業PC機有以下特點：

?①支持各種模塊化CPU卡和所有的IBM-PC/XT/AT總線接口板。

?②所有卡采用高度集成芯片，以減少故障率，并均為模塊化

、插板式，以便安裝、更換和升級換代。所有的卡使用專用

的固定架將插板壓緊，防止震動引起的接觸不良。

?③開放性好，兼容性好，吸收了PC機的全部功能，可直接運

行PC機的各種應用軟件。

2012-10-9計算機控制技術8

2.工業PC的特點(2)

?④采用和PC/AT總線兼容的無源底板。它使用帶有電源層

和地的4層電路板，有效地提高了系統地抗干擾能力。

?無源底板帶有4,6,8,12,14或20槽。

?⑤機箱采用全鋼機構，可防止電磁干擾；采用150W-350W

帶除塵過濾器的工業開關電源，具有足夠地負載驅動能力。

?機箱內裝有雙風扇，正壓對流排風，并裝有濾塵網用以防

塵。

?軟盤、硬盤驅動器安裝采用橡皮緩沖防震，并有防塵門。

?⑥可內裝電子盤以取代機械磁盤，使PC機在工業環境下的

操作具有高速、高可靠性。

2012-10-9計算機控制技術9

3,常用的工業控制機簡介

口工控機的生產廠家很多，國外有美國IBM、ICS、德

國西門子、日本康泰克等，這些產品可靠性好、市場

定位高。

口我國臺灣地區是工控機的主要生產區，其品牌主要有

研華、威達、艾訊、磐儀、大眾、博文等廠家，其中,

研華是世界三大工控廠商之一，在中國大陸及臺灣市

場均有較高的市場占有率。

□國內也有很多工控機品牌，如研祥、華控、康拓、艾

雷斯、北京華北等。

2012-10-9計算機控制技術10

8.1.2基于PC總線的板卡簡介

■基于PC總線的板卡是指計算機廠商為了滿足用戶需要,

利用總線模板化結構設計的通用功能模板。

■基于PC總線的板卡種類多，其分類方法也有很多種。

■按照板卡處理信號的不同可以分為模擬量輸入板卡

（A/D卡）、模擬量輸出板卡（D/A卡）、開關量輸入

板卡、開關量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板

卡等，其中多功能板卡可以集成多個功能，。

■以研華PCI系列測控板卡為例介紹不同種類的典型板

卡的性能和特點。

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1.模擬量輸入板卡（A/D卡）

?基于PC總線的A/D板卡是基于PC系列總線，如ISA、PCI等總線

標準設計的。

?板卡通常有單端輸入和差分輸入以及兩種方式組合輸入三種o

?板卡內部通常設置一定的采樣緩沖器，對采樣數據進行緩沖

處理，緩沖器的大小也是板卡的性能指標之一。

?在抗干擾方面，A/D板卡通常采取光電隔離技術，實現信號的

隔離。

?板卡的模擬信號采集精度和速度指標通常由板卡所采用的A/D

轉換芯片決定。

2012-10-9計算機控制技術12

＞研華PCIT710數據采集卡。

＞具有32路單端或16路差分模

擬量輸入或組合方式輸入等

三種輸入方式。

＞它帶有2500VDC隔離保護;

?采用12位A/D轉換器，采樣

數率可達100kHZ；板載4K采

樣FIFO緩沖器。

＞每個輸入通道的增益可編程。

圖8.2研華PCM713數據采集卡

2012-10-9計算機控制技術13

2.模擬量輸出板卡（D/A卡）

■模擬量輸出板卡完成數字量到模擬量的轉換。

■D/A轉換板卡同樣依據其采用的D/A轉換芯片的

不同，其轉換性能指標有很大的差別。

■D/A轉換除了具有分辨率、轉換精度等性能指

標外，還有建立時間、溫度系數等指標約束。

■模擬量輸出板卡通常還要考慮輸出形式以及負

載能力。

2012-10-9計算機控制技術14

＞研華PCIT720模擬量輸出卡。

＞PC1-1720提供了四個用于

PCI總線的12位隔離數字

量到模擬量輸出。

＞過程控制、伺服控制和可編

程電壓源最好的解決方案。

＞提供2500VDC的隔離保護。

＞非常適合需要高電壓保護的

工業場合，該板卡具有4路

圖8.3研華PCI-1720模擬量輸出卡

輸出通道。

2012-10-9計算機控制技術15

3.數字量輸入/輸出板卡（I/O板卡）

?數字量輸入輸出接口相對簡單。

?一般都需要緩沖電路和光電隔離部分，輸入

通道需要輸入緩沖器和輸入調理電路，輸出

通道需要有輸出鎖存器和輸出驅動器。

2012-10-9計算機控制技術16

＞研華PCIT760光隔開關量輸

入輸出卡提供了8路數字量輸

入通道和8路繼電器輸出通道。

＞與傳統卡比較，PC1-1760為

每個數字量輸入通道增加了可

編程的數字濾波器。

＞此功能使相應輸入通道的狀態

不會更新，直到高/低信號保

持了用戶設定的一段時間后才

改變。這樣有助于保持系統*圖8.4PCI-1760數字量輸入輸出卡

可靠性。

2012-10-9計算機控制技術17

4.脈沖量輸入板卡

■工業控制現場有許多高速的脈沖信號，如旋轉編碼

器、流量檢測信號等。

■這些都要脈沖量輸入板卡或一些專用測量模塊進行

測量。

■脈沖量輸入板卡可以實現脈沖數字量的輸出和采集,

并可以通過跳線器選擇計數、定時、測頻等不同工

作方式。

■考慮到現場強電的干擾，該類型板卡多采用光電隔

離技術，使計算機與現場信號之間全部隔離，來提

高板卡測量的抗干擾能力。

2012-10-9計算機控制技術18

＞研華PCIT780計數/定時卡。

A基于PCI總線設計的接口卡，該

卡使用了AM9513芯片，能夠通過

CPLD實現計數器/定時器功能。

＞該卡還提供8個16位計數器通道，＜

該卡具有8通道可編程時鐘資源，

8路TTL數字量輸出/8路TTL數字

量輸入，最高輸入頻率達20MHz。

＞多種時鐘可以選擇，可編程計數圖8.5PCI-17808通道定時/計數卡

器輸出，計數器門選通功能。

2012-10-9計算機控制技術19

8.1.3基于PC總線的板卡與工控機組成的計算

機控制系統的組成和特點

?工業現場生產過程中的各種工況參數（溫度、壓力、

流量、成分、位置、轉速等）由傳感器或一次測量儀

表進行檢測，然后經變送器把它們統一變換成4?

20mA的電信號，經過模數轉換器轉換成數字量送入計

算機。

?計算機則對被測信號按一定的控制規律（如PID規律）

進行計算，計算出送給控制執行機構的控制量?？刂?/p>

量由計算機輸出，經I/O接口送往輸出通道，形成閉

環控制。

2012-10-9計算機控制技術20

1.組成(1)

基于工控機和板卡組成的計算機控制系統由硬件

和軟件兩部分組成。

(1)硬件部分

①控制計算機

■控制計算機是控制系統的核心，可以對輸入的現場信

息和操作人員的操作信息進行分析、處理，根據預先

確定的控制規律，實時發出控制指令，控制和管理其

他的設備。考慮到工業控制領域較惡劣的環境，一般

選用工業控制計算機。

2012-10-9計算機控制技術21

1.組成(2)

②i/o通道

■輸入輸出（i/o）通道在計算機控制系統中，

完成傳感器輸出信號和工業控制計算機之間，

或工業控制計算機和驅動元件之間信號的轉換

和匹配的功能，稱接口電路。

■它使工業控制計算機能正確地接受被控對象工

作狀態的檢測信號，而且能實時地準確地對驅

動元件進行控制。

2012-10-9計算機控制技術22

1.組成(3)

■③參數檢測

■被控對象需要檢測的參數分為模擬量參數和開關量

參數兩類。

■對于模擬量參數的檢測，主要選用合適的傳感器，

通過傳感器將這類參數轉換為成正比例的模擬量電

信號。

■開關量參數檢測常用的元件有行程開關、光電開關、

接近開關、繼電器或接觸器的吸合釋放等開關型元

件來完成，通過這些元件向計算機輸入開關量電信

2012-10-9計算機控制技術23

1.組成(4)

■④輸出驅動

■被控對象的輸出驅動，按輸出信號形式不同，

也可分為模擬量信號輸出驅動和開關量輸出驅

動兩種。

■模擬量信號輸出驅動主要用于伺服系統控制、

變頻控制和調節閥等，開關量輸出驅動主要用

于控制只有兩種工作狀態的驅動元件的運行。

2012-10-9計算機控制技術24

1.組成(5)

■⑤人機接口

■人機接口是操作人員和計算機控制系統之間信

息交換的設備，是計算機控制系統中必不可少

的部分，主要由鍵盤、鼠標和顯示器等組成。

■直接使用鍵盤和鼠標等輸入控制命令和指令數

據，使用顯示器顯示運行狀態和故障并幫助查

找和診斷故障，以及運行中間數據的檢查、運

行過程的統計等。

2012-10-9計算機控制技術25

（2）軟件部分

?計算機控制系統的軟件由系統軟件和用戶程序兩部

分組成。

?系統軟件有計算機操作系統、監控程序、用戶程序

開發支撐軟件，如開發語言、編譯軟件、調試工具

等。

?用戶程序是指控制系統中與控制對象或控制任務相

應的控制程序。

?應用程序一般都由用戶自己根據控制系統的目標、

資源配備情況開發完成。

2012-10-9計算機控制技術26

2.特點

?基于PC總線的計算機控制系統是一個典型的DDC系統,

因此它具有以下特點：

?(1)時間上具有離散性

?計算機DDC系統對生產過程的有關參量進行控制時，

是以定時采樣和階段控制來代替常規儀表的連續測

量和連續控制的。

?因此，確定合適的采樣周期和A/D、D/A轉換器的字

長是提高系統控制精度、減少轉換誤差的關鍵。

2012-10-9計算機控制技術27

（2）采用分時控制方式

?DDC系統中的一臺計算機要控制多個回路。

?為此，該類系統采用“分時”控制的方法。

?即將某一回路的采樣和A/D轉換、運算、輸出

控制三部分的時間與其前后回路錯開，放在不

同的控制時間里。

?這樣，既保證了控制過程的正常進行，又能充

分利用系統中的各種設備，提高了控制效率。

2012-10-9計算機控制技術28

（3）具有人機對話功能

?計算機控制系統的人機對話是一種計算機控制

系統必須具備的操作者和計算機系統互相聯系

的功能。

?操作者通過輸入設備向計算機送入控制命令，

計算機系統則通過輸出設備送出有關信息。

?一般的計算機DDC系統除了普通的各種指示外,

還都通過相應接口連接顯示屏、打印機、控制

鍵盤、越限報警裝置等O

2012-10-9計算機控制技術29

（4）控制方案靈活

?對于一個模擬系統，控制算法是由硬件實現的,

硬件確定后控制算法也就確定了，而計算機

DDC控制系統的控制算法是由軟件實現的。

?通過改變程序即可達到改變控制算法的目的，

不僅方便靈活，并且還可實現復雜的控制規律。

?對于多回路控制系統，計算機DDC系統具有價

格優勢，路數越多，這種優勢越明顯。

2012-10-9計算機控制技術30

(5)危險集中

?一臺計算機控制幾十個回路，所以一旦計算機

的軟件或硬件出現故障將會使整個系統癱瘓。

?DDC系統的計算機直接與生產過程連接，而工

業現場的環境惡劣，干擾頻繁，直接威脅著計

算機的可靠運行。

?不僅需要計算機本身具有較高的可靠性，必須

采取抗干擾措施來提高系統的可靠性，使之能

適應各種工業現場。

2012-10-9計算機控制技術31

8.2基于數字調節器的計算機控制系統

2012-10-9計算機控制技術32

8.2.1數字調節器簡介

?數字調節器是一種數字化的過程控制儀表。

?外表類似于一般的盤裝儀表，內部由微處

理器、RAM、ROM、模擬量和數字量I/O通道、電

源等部分構成的一個微型計算機系統。

?一般有單回路、2回路、4回路或8回路的調

節器，控制方式除一般PID之外，還可組成串級

控制、前饋控制等。

2012-10-9計算機控制技術33

L數字調節器的分類（1）

>數字調節器根據用途和性能的差異可以分為以下幾種類型：

（D定程序控制器

制造廠把編好的程序固化在控制器的ROM中，用戶只需要通

過組態，不必編寫程序，它適合于典型的對象和通用的生產過程。

（2）可編程調節器

用戶可以從調節器內部提供的諸多功能模塊中選擇所需要

的功能模塊，用編程方式組合成用戶程序，使調節器按照要求工

作。這種調節器優點是使用靈活，編程方便，缺點是需要編程器,

而且需要編程序才能使用，對使用者要求較高。

2012-10-9計算機控制技術34

1.數字調節器的分類(2)

(3)混合控制器

這是一種專為控制混合物成分用的控制器,

雖然前兩種控制器也能用在混合工藝中，但不

如這種經濟方便。

(4)批量控制器

這是一種常用于液體或粉粒體包裝和定量

裝載用的控制器，特別為周期性工作設計。

2012-10-9計算機控制技術35

2.數字調節器的結構

■模擬調節器只是由硬件（模擬元器件）構成。

功能完全由硬件決定，因此控制功能比較單

*_"O

■數字調節器由微處理器為核心構成的硬件電

路和有系統程序、用戶程序構成的軟件兩大

部分組成。其功能主要是由軟件所決定，可

以實現不同的控制功能。

2012-10-9計算機控制技術36

⑴數字調節器的硬件部分

圖8.6數字調節器的硬件電路

2012-10-9計算機控制技術37

(2)數字調節器的軟件

■數字調節器軟件分系統程序和用戶程序兩大部分。

■①系統程序

■系統程序是控制器軟件的主體部分，通常由監控程

序和功能模塊兩部分組成。

■監控程序使控制器各硬件電路能正常工作并實現所

規定的功能，同時完成各組成部分之間的管理。

■功能模塊提供了各種功能，用戶可以選擇所需要的

功能模塊以構成用戶程序，使控制器實現用戶所規

定的功能。

2012-10-9計算機控制技術38

@用戶程序

■用戶程序是用戶根據控制系統要求，在系統

程序中選擇所需要的功能模塊，并將它們按

一定的規則連接起來，其作用是使控制器完

成預定的控制與運算功能。

■使用者編制程序實際上是完成功能模塊的連

接，也即組態工作。

2012-10-9計算機控制技術39

3.數字調節器的特點

(D運算控制功能強

(2)通過軟件實現所需功能

(3)帶有自診斷功能

(4)帶有數字通訊功能

(5)具有較有好的人機界面

2012-10-9計算機控制技術40

8.2.2基于數字調節器的計算機控制系統簡介

?使用數字調節器不但可以實現單回路控制，還可以

實現諸如串級控制、前饋控制、變增益控制等復雜

控制方案。

?由數字調節器組成的控制回路往往被認為是一個典

型的直接數字控制（DDC）回路。

?另外，由于數字調節器具有較強的通信功能，上位

機可以讀取回路數據，也可以設置回路參數。

?這樣多臺數字調節器與上位機一起就可以構成一個

中小型的DCS控制系統。

2012-10-9計算機控制技術41

?數字調節器可以與上位計算機

計算機一起組成中小型

DCS控制系統。通槨協議

?數字調節器實現回路控

制，構成獨立的DDC控

制，多個數字調節器控

制的許多回路都與上位

機進行通訊。

?這種類型的控制系統可

如圖8.7所不。

圖8.7系統的基本構成

2012-10-9計算機控制技術42

13基于可編程控制器的計算機控制系統

?可編程控制器（PLC）是近十幾年發展起來的一種新

型的工業控制器。

?它把計算機的編程靈活、功能齊全、應用面廣等優

點與繼電器系統的控制簡單、使用方便、抗干擾能

力強、價格便宜等優點結合起來。

?本身又具有體積小、重量輕、耗電省等特點。

?在工業生產過程控制中得到了廣泛的應用。

2012-10-9計算機控制技術43

8.3.1PLC簡介

1.PLC的特點

PLC是專為工業環境而設計制造的計算機，

它具有豐富的輸入/輸出接口，并具有較強的驅

動能力，能夠較好地解決工業控制領域中普遍

關心的可靠、安全、靈活、方便、經濟等問題。

2012-10-9計算機控制技術45

(1)高可靠性

■PLC采取了很多有效措施以提高其可靠性：

■所有輸入輸出接口電路均采用光電隔離。

■各模塊均采取屏蔽措施，以防止輻射干擾。

■采用優良的開關電源。

■對采用的器件進行嚴格的篩選。

■具有完整的監視和診斷功能，一旦電源或其它軟、硬件發生

異常情況，CPU立即采取有效措施，防止故障擴大。

■大型PLC采用由雙CPU構成的冗余系統，使可靠性進一步提高。

2012-10-9計算機控制技術46

(2)功能齊全

■PLC的基本功能包括：開關量輸入輸出，模擬量輸入輸出，輔

助繼電器，狀態繼電器，延時繼電器，鎖存繼電器，主控繼

電器，定時器，計數器，移位寄存器，凸輪控制器，跳轉和

強制I/O等。

■PLC的擴展功能有聯網通信、成組數據傳送、PLD閉環回路控

制，排序查表功能，中斷控制及特殊功能函數運算等功能。

■PLC有豐富的I/O接口模塊，PLC針對工業現場信號(如交流或

直流、開關量或模擬量、電壓或電流、脈沖或電位、強電或

弱電等)都有相應的I/O模塊與工業現場的器件或設備直接相

連。

2012-10-9計算機控制技術47

?除—出）應用靈活

絕大多數PLC采用標

準的積木硬件結構和

模塊化的軟件設計。

＞使其不僅可以適應大SSF

小不同、功能繁復的M

控制要求，而且可以

適應各種工藝流程變聞

更較多的場合。，

2012-10-9計算機控制技術48

(4)系統設計、調試周期短

■PLC的安裝和現場接線簡單，可以按積木方式

擴充和刪減其系統規模。

■由于它的邏輯、控制功能是通過軟件完成的,

因此允許設計人員在沒有購買硬件設備之前,

就進行“軟接線”工作。

■縮短整個設計、生產、調試周期。

2012-10-9計算機控制技術49

(5)操作維修方便

■PLC采用電氣操作人員習慣的梯形圖形式編程與功能

助記符編程，使用戶能十分方便讀懂程序和編寫、

修改程序。

■操作人員經短期培訓，就可以使用PLC。

■其內部工作狀態、通信狀態、I/O點狀態和異常狀態

等均有醒目的顯示。

■操作人員、維修人員可以及時準確地了解機器故障

點，利用替代模塊或插件的辦法迅速排除故障。

2012-10-9計算機控制技術50

2.PLC的分類⑴

?按地域范圍PLC一般可分成三個流派：美國流派、歐洲流派

和日本流派。

?這種劃分方法雖然不很科學，但具有實用參考價值。一方面,

美國PLC技術與歐洲IPLC技術基本上是各自獨立開發而成的,

二者表現出明顯的差異性。

?日本的PLC技術是由美國引進的，它對美國的PLC技術既有

繼承，也有發展，日本產品主要定位在小型PLC上；另一方

面，同一地域的產品面臨的市場相同，用戶的要求接近，相

互借鑒就比較多，技術滲透得比較深，這都使得同一地域的

PLC產品表現出較多的相似性，而不同地域的PLC產品表現

出明顯的差異性。

2012-10-9計算機控制技術51

2.PLC的分類⑵

?按結構形式可以把PLC分為兩類：一類是CPU、電源、I/O接口、

通信接口等都集成在一個機殼內的一體化結構，如OMRON公司

的C20P,C20H,三菱公司的FX系列產品,西門子公司的S7-

200系列產品。

?另一類是電源模塊、CPU模塊、I/O模塊、通信模塊等在結構

上是相互獨立的，用戶可根據具體的應用要求，選擇合適的

模塊，安裝固定在機架或導軌上，構成一個完整的PLC應用系

統，如OMRON公司的C1000H,三菱公司的Q系列，SIEMENS公司

的S7-300等。

2012-10-9計算機控制技術52

2.PLC的分類（3）

?按I/O點數的多少又可將PLC劃分為超小型PLC（I/O點

數小于64點）、小型型C（I/O點數在65?128點）、

中型PLC（I/O點數范圍在129?512點）和大型PLC

（I/O點數范圍在512點以上）等幾種。

?小型及超小型PLC在結構上一般是一體化形式，主要

用于單機自動化及簡單的控制對象；大、中型PLC除

具有小型、超小型PLC的功能外，還增強了數據處理

能力和網絡通信能力，可構成大規模的綜合控制系統,

主要用于復雜程度較高的自動化控制，并在相當程度

上替代DCS以實現更廣泛的自動化功能。

2012-10-9計算機控制技術53

3.PLC的發展趨勢

■隨著計算機綜合技術的發展和工業自動化內涵的不

斷延伸，PLC的結構和功能也在進行不斷地完善和擴

充，實現控制功能和管理功能的結合，以不同生產

廠家的產品構成開放型的控制系統是主要的發展理

念之一。

■長期以來PLC走的是專有化的道路，目前絕大多數

PLC不屬于開放系統，尋求開放型的硬件或軟件平臺

成了當今PLC的主要發展目標。

■就PLC系統而言，現代PLC主要有以下兩種發展趨勢。

2012-10-9計算機控制技術54

(1)向大型網絡化、綜合化方向發展

■由于現代工業自動化的內涵已不再局限于某些生產

過程的自動化，而是實現信息管理和工業生產相結

合的綜合自動化。

■強化通信能力和網絡化功能是PLC發展的一個重要方

面，它主要表現在：向下將多個PLC、遠程I/O站點

相連；向上與工業控制計算機、管理計算機等相連

構成整個工廠的自動化控制系統。

■例如：A-B,SIEMENS,MODICON等多數生產廠家的

PLC產品都已具備類似的功能。

2012-10-9計算機控制技術55

(2)向體積小、速度快、功能強、

價格低的小型化方向發展

■隨著應用范圍的擴大，體積小、速度快、功

能強、價格低的PLC廣泛滲透到工業控制領域

的各個層面。

■小型化發展具體表現為：結構上的更新、物

理尺寸的縮小、運算速度的提高、網絡功能

的加強、價格的降低，當前小型化PLC在工業

控制領域具有不可替代的地位。

2012-10-9計算機控制技術56

8.3.2PLC的基本結構和工作原理

地址總線控制總線

中

輸

輸

各種開關—數照明

央

存據

出

入

繼電器接點一處

存電磁裝置

接

接

理儲

儲

行程開關——E單

口

口執行機構

器

元器

模擬量輸入......

數據總線

2012-10-9計算機控制技術57

1.PLC的基本結構

?PLC的基本組成與一般的微機系統相類似，

主要包括：中央處理單元、存儲單元、通信接

口、外設接口、I/O接口等。

2012-10-9計算機控制技術58

(1)中央處理單元

■中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。在20

世紀70年代中期到80年代末，大、中、小型

PLC型的CPU所采用的微處理器芯片的檔次差別

很大，因此，不同類型的PLC的CPU所采用的微

處理器芯片的檔次相差很大。

■隨著超大規模集成電路技術的進步和發展，微

處理器價格的下跌，中小型PLC也能使用功能

強、速度快的高檔微處理器作為其CPU。

2012-10-9計算機控制技術59

(2)存儲器

■PLC常用的存儲器類型：

-RAM(RandomAccessMemory)

-EPROM(ErasabIeProgrammabIeReadOnIy

Memory)

-EEPROM(EIectricaIErasabIe

ProgrammabIeReadOnIyMemory)

-FLASHROM

2012-10-9計算機控制技術60

(3)電源

■PLC的電源在整個系統中起著十分重要的作用。

■如果沒有一個良好的可靠的電源，系統還是無法正

常工作，因此PLC的制造商對電源的設計可和制造也

十分重視。

■不論是小型PLC還是中、大型PLC所采用的電源，其

性能都一樣，均能對PLC內部的所有器件提供一個穩

定可靠的直流電源。

2012-10-9計算機控制技術61

(4)I/O模塊

■PLC的I/O模塊式工業現場種種設備與PLC之間傳輸

信息的接口，包括數字I/O模塊、模擬I/O模塊和智能

I/O模塊。

■數字I/O模塊包括數字量輸入和輸出兩種模塊。

■模擬量I/O模塊包括模擬量輸入和輸出兩種模塊。

智能I/O模塊是完成某些獨立的特定功能的I/O模塊，

常用的智能I/O模塊有PID模塊、定位模塊、高速計數

模塊等。

2012-10-9計算機控制技術62

(5)通信接口模塊

■通信模塊為PLC之間以及PLC與計算機等智能

設備間提供通信接口。

2012-10-9計算機控制技術63

2.PLC的基本工作原理

PLC的工作方式是一個不斷循環

的順序掃描過程。在輸入采樣階段，

PLC以掃描方式依次讀入所有狀態和

數據，并將它們存入I/O映象區中的

相應單元內。

輸入采樣結束后，轉入用戶執行

程序階段，PLC的CPU按由上而下的順

序一次掃描用戶程序，并根據程序執

行結果刷新I/O映象寄存器。

用戶程序執行結束后進入輸出刷

。計算機控制技術

新階展為刷新所有的軸出64

■屆序掃描工作方式簡單直觀，便于程序設計和PLC自

身的檢查。

■具體體現在：PLC掃描到的功能經解算后，其結果馬

上就可被后面將要掃描到的功能所利用；可以在PLC

內設定一個監視定時器，用來監視每次掃描的時間

是否超過規定值，避免由于PLC內部CPU故障使程序

執行進入死循環。

■掃描順序可以是固定的，也可以是可變的。一般小

型PLC采用固定的掃描順序,大中型PLC采用可變的

掃描順序。

2012-10-9計算機控制技術65

8.3.3基于PLC的計算機控制系統簡介

■由于PLC具有諸多優點，使得PLC應用十分

廣泛。現在，PLC已經廣泛應用在鋼鐵、采礦、

水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車裝

卸等各行各業。

2012-10-9計算機控制技術66

1.基于PLC的計算機控制系統的應用范圍

(1)用于開關邏輯控制

(2)用于機械加工的數字控制

(3)用于機器人控制

(4)用于閉環過程控制

(5)用于實現工廠的無人化管理

2012-10-9計算機控制技術67

2.PLC的控制系統的設計原則及內容

(1)PLC系統的設計原則

關于PLC系統的設計原則往往涉及很多方面，其中最基

本的設計原則可以歸納為四點：

①最大限度滿足工業生產過程或設備的控制要求。

②確保計算機控制系統的可靠性。

③力求控制系統簡單、實用、合理。

④適當考慮生產發展和工藝改進的需要，在I/O接口、

通信能力等方面要留有余地。

2012-10-9計算機控制技術68

(2)PLC系統設計包含的內容

?PLC的種類很多，不同類型的PLC在性能、適

用領域等方面是有差異的，它們在設計內容和

設計方法上也會有所不同，通常還與設計人員

習慣的設計規范及實踐經驗有關。

?但是，所有設計方法要解決的基本問題是相同

的，下面是PLC系統設計所要完成的一般性內

容：

2012-10-9計算機控制技術69

①分析被控對象的工藝特點和要求，擬定PLC系統的

控制功能和設計目標；

②細化PLC系統的技術要求，如I/O接口數量、結構形

式、安裝位置等；

③PLC系統選型，包括CPU、I/O模塊、接口模塊等；

④編制I/O分配表和PLC系統及其與現場儀表接線圖；

⑤根據系統要求編制軟件規格說明書，開發PLC應用

軟件；

⑥編寫設計說明書和使用說明書；

⑦系統安裝、調試和投運。

2012-10-9計算機控制技術70

3.PLC系統的硬件設計

?設計一個良好的控制系統，第一步就是需要對被控

生產對象的工藝過程和特點做深入的了解，這也是

現場儀表選型與安裝、控制目標確定、系統配置的

前提。

?一個復雜的生產工藝過程，通?？梢苑纸鉃槿舾蓚€

工序，而每個工序往往又可分解為若干個具體步驟,

這樣做可以把復雜的控制任務明確化、簡單化、清

晰化，有助于明確系統中各PLC及PLC中I/O的配置，

合理分配系統的軟硬件資源。

2012-10-9計算機控制技術71

■第二步需要創建設計任務書，設計任務書實際

上就是對技術要求的細化，把各部分必須具備

的功能和實現方法以書面形式描述出來。

■設計任務書是進行設備選型、硬件配置、軟件

設計、系統調試的重要技術依據，若在PLC系

統的開發過程中發現不合理的方面，需要及時

進行修正。

■通常，設計任務書要包括以下各項內容:

2012-10-9計算機控制技術72

①數字量輸入總點數及端口分配；

②數字量輸出總點數及端口分配；

③模擬量輸入通道總數及端口分配；

④模擬量輸出通道總數及端口分配；

⑤特殊功能總數及類型；

⑥PLC功能的劃分以及各PLC的分布與距離;

⑦對通信能力的要求及通信距離。

2012-10-9計算機控制技術73

■第三步需要在滿足控制要求的前提下，對系

統所涉及的硬件設備進行選型。

■PLC硬件設備的選型應該追求最佳的性能價格

比。

■硬件設備的選型主要包括CPU、I/O配置、通

訊、電源等方面進行考慮。

2012-10-9計算機控制技術74

■第四步需要設計安全回路。

■安全回路是能夠獨立于PLC系統運行的應急控制回路

或后備手操系統。

■安全回路一般以確保人身安全為第一目標、保證設

備運行安全為第二目標進行設計，這在很多國家和

國際組織發表的技術標準中均有明確的規定。

■一般來說，安全回路在以下幾種情況下將發揮安全

保護作用：設備發生緊急異常狀態時；PLC失控時；

操作人員需要緊急干預時。

2012-10-9計算機控制技術75

4.PLC的控制系統的軟件設計

?PLC用戶程序的設計過程可分為兩個階段，即

前期工作和應用軟件的開發和調試。

?在軟件設計過程中，前期工作內容往往會被

設計人員所忽視，事實上這些工作對提高軟件

的開發效率、保證應用軟件的可維護性、縮短

調試周期都是非常必要的，特別是對較大規模

的PLC系統更是如此。

2012-10-9計算機控制技術76

(1)前期工作

主要包括制定控制方案、制定抗干擾措施、編制I/O分配

表、確定程序結構和數據結構、定義軟件模塊的功能。

(2)應用軟件的開發和調試

根據功能的不同，PLC應用軟件可以分為基本控制程序、

中斷處理程序和通信服務程序三個部分。其中基本控制程序

是整個應用軟件的主體，它包括信號采集、信號濾波、控制

運算、結果輸出等內容。

對于整個應用軟件來說，程序結構設計和數據結構設計是

程序設計的主要內容。合理的程序結構不僅決定著應用程序

的編程質量，而且還對編程周期、調試周期、可維護性都有

很大的影響。

2012-10-9計算機控制技術77

(2)應用軟件的開發和調試

?根據功能的不同，PLC應用軟件可以分為基本控制程

序、中斷處理程序和通信服務程序三個部分。其中

基本控制程序是整個應用軟件的主體，它包括信號

采集、信號濾波、控制運算、結果輸出等內容。

?對于整個應用軟件來說，程序結構設計和數據結構

設計是程序設計的主要內容。合理的程序結構不僅

決定著應用程序的編程質量，而且還對編程周期、

調試周期、可維護性都有很大的影響。

2012-10-9計算機控制技術78

.4基于嵌入式系統的計算機控制系統

一般來講，嵌入式系統是以應用為中心，以計算機

技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功

能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算

機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌

入式操作系統以及用戶的應用程序等四個部分組成，用

于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。

隨著信息化、智能化、網絡化的發展，嵌入式系統

的應用得到了廣泛的發展，嵌入式系統已經應用到了信

息家電、手持機、環境監測、工業控制等各個領域，本

節對嵌入式系統的概念、軟硬件技術以及由其組成的控

制系統進行簡要介紹。

2012-10-9計算機控制技術79

8.4.1嵌入式系統概述

1.嵌人式系統概念的由來

1976年，Intel公司推出了8048,稱為單片機

(SCC,SingleChipComputer)。這個只有1KBROM

和64BRAM的簡單芯片成為世界上第一個單片機，開創

了將微處理機系統的各種CPU外的資源,如：ROM、RAM、

定時器、I/O端口、串行通信接口及其他各種外圍功能

模塊集成到單個芯片的時代。

現在單片機已經成為一個十分龐大的家族，許多

新出現的單片機也稱為嵌入式微處理器，專門面向嵌

入式應用。

2012-10-9計算機控制技術80

?針對特定應用、特定功能開發的嵌入式系統,

要求該系統與所嵌入的應用環境成為一個統

一的整體，并且往往有緊湊、高可靠性、實

時性好、低功耗等技術要求。

?這樣一種應用目標使得這一應用領域要去研

究它的獨特的設計方法和開發技術，這就是

今天嵌入式系統這一名稱的含義，也是嵌入

式系統成為一個相對獨立的計算機研究領域

的原因。

2012-10-9計算機控制技術81

2.嵌入式系統的特點(1)

(D專用性強

嵌入式系統的個性化很強，其中的軟件系統和

硬件的結合非常緊密，一般要針對硬件進行系統的

移植，即使在同一品牌、同一系列的產品中也需要

根據系統硬件的變化和增減不斷進行修改。

(2)精簡設計

嵌入式系統的硬件和軟件都必須高效率地設計,

量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實

現更高的性能，這樣才能在具體應用中對處理器的

選擇更具有競爭力。

2012-10-9計算機控制技術82

2.嵌入式系統的特點(2)

(3)系統內核小

嵌入式系統一般是應用于小型電子裝置，系統資源相對

有限，內核較之傳統的操作系統要小。如ENEA公司的OSE分布

式系統，內核只有5KB,而Windows的內核則要大得多。

(4)嵌入式軟件開發走向標準化，必須使用多任務操作系統。

嵌入式系統的應用程序可以沒有操作系統而直接在芯片

上運行，但為了合理地調度多任務，合理利用系統資源、系

統函數以及專家庫函數接口，用戶必須自行選配RTOS(Real-

TimeOperatingSystem)開發平臺，這樣才能保證程序執行

的實時性、可靠性，并減少開發時間，保障軟件質量。

2012-10-9計算機控制技術83

(5)為了提高執行速度和系統可靠性，嵌入式

系統中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單

片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。

(6)嵌入式系統開發需要專門的開發工具和環

境。由于嵌入式系統本身不具備自主開發能

力，即使設計完成以后用戶通常也不能對其

中的程序功能進行修改，必須有一套開發工

具和環境才能進行開發。

2012-10-9計算機控制技術84

3.嵌入式系統的應用領域(1)

(D工業控制

基于嵌入式芯片的工業自動化設備具有很大的

發展空間，目前己有大量的8、16、32位嵌入式微控

制器應用在工業過程控制、數控機床、電力系統、

電網安全、電網設備監測、石油化工系統等領域。

(2)交通管理

在車輛導航、流量控制、信息監測與汽車服務方

面，嵌入式系統技術己經獲得了廣泛的應用，內嵌

GPS模塊、GSM模塊的移動定位終端已經在各種運輸

行業獲得了成功的使用。

2012-10-9計算機控制技術85

3.嵌入式系統的應用領域(2)

(3)信息家電

成為嵌入式系統最大的應用領域，冰箱、空

調等的網絡化、智能化將引領人們的生活步入一個

嶄新的空間。即使不在家里，也可以通過電話線、

網絡進行遠程控制。在這些設備中，嵌入式系統將

大有用武之地。

(4)家庭智能管理系統

水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、

防盜系統，其中嵌有專用控制芯片的智能儀表將代

替傳統的人工檢查，并實現更高、更準確和更安全

的性能。

2012-10-9計算機控制技術86

3.嵌入式系統的應用領域(3)

(5)POS網絡及電子商務

公共交通非接觸式智能卡發行系統、公共電話卡

發行系統、自動售貨機、各種智能ATM終端將全面走

入人們的生活，到時手持一卡就可行遍天下。

(6)環境監測

環境監測包括水文資料實時監測、防洪體系及水

土質量監測、堤壩安全、地震監測網、實時氣象信息

網、水源和空氣污染監測。

2012-10-9計算機控制技術87

（7）機器人

嵌入式芯片的發展將使機器人在微型化、高智

能方面優勢更加明顯，同時會大幅度降低機器人價

格，使其在工業領域和服務領域獲得更廣泛應用。

除了以上這些應用領域，嵌入式系統還有其他

方面的應用?？梢哉f，嵌入式系統已經進入到現代

社會人們生活的方方面面，尤其在控制方面的應用。

所以，開發和探討嵌入式系統有著十分重要的意義。

2012-10-9計算機控制技術88

8.4.2嵌入式系統的硬件

■從硬件方面來講，各式各樣的嵌入式處理器是嵌入

式系統硬件中的最核心的部分。

■目前，世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經超

過1000種，流行體系結構包括MCU,MPU等30多個系

歹限鑒于嵌入式系統廣闊的發展前景，很多半導體

制造商都開始大規模生產嵌入式處理器，并且公司

自主設計處理器也已經成了未來嵌入式領域的一大

趨勢，其中從單片機、DSP到FPGA,品種越來越多，

速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。

■根據其現狀，嵌入式處理器可以分成下面幾類：

2012-10-9計算機控制技術89

1.嵌入式微控制器(Micro-ControllerUnit,MCll)

■嵌入式微控制器芯片內部集成了ROM/EPROM,RAM,總線、總

線邏輯、定時/計數器、看門狗、I/O、串口、脈寬調制輸出、

A/D,D/A,Flash,EEPROM等各種必要功能接口和外設。

■與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體

積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制

器是目前嵌入式系統工業的主流。

■由于MCU低廉的價格、優良的功能，所以擁有的品種和數量最

多，比較有代表性的包括8051,MCS-251,MCS-96/196/296,

P51XA以及MCU8XC930/931,C540,C541,并且有支持IC,

CAN-BUS,LCD及眾多專用MCU和兼容系列。

■目前MCU占嵌入式系統約70%的市場份額。

2012-10-9計算機控制技術90

2.嵌入式DSP處理器(DigitalSignaIProcessor,

DSP)

?DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在

系統結構和指令算法方面進行了特殊設計，具有很高

的編譯效率和指令執行速度。在數字濾波、FFT、頻

譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規模的應用。

?DSP的理論算法在20世紀70年代就已經出現，但是專

門的DSP處理器還未出現，隨著大規模集成電路技術

的發展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片，其運算

速度比MPU快了幾十倍，在語音合成和編碼解碼器中

得到了廣泛應用。

2012-10-9計算機控制技術91

3、嵌入式微處理器(MicroProcessorUnit,MPU)

?嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的。它的特

征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當然其價格

也相應較高。但與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應

用中，只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其他

的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現嵌入式應

用的特殊要求。和工業控制計算機相比，嵌入式微處理器具

有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點。

?目前流行的嵌入式處理器很多，主要類型有Am186/88,386EX,

SC-400,PowerPC,68000,MIPS,ARM/StrongARM系列等。其

中ARM/StrongARM是專為手持設備開發的嵌入式微處理器，屬

于中檔價位。

2012-10-9計算機控制技術92

4.嵌入式片上系統(SystemOnChip,SoC)

?片上系統SOC是單一芯片上集成諸如MCU、RAM、DMA、

I/O等多個部件，嵌入式應用領域熱門話題之一。

?用戶不需要再像傳統的系統設計一樣，繪制龐大復雜

的電路板，只需要使用精確的硬件描述語言，直接生

成可以交付芯片生產廠家生產的網表文件。

?由于SOC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知,

現在許多專用芯片，如手持機、語音、加密等芯片多

為SOC芯片。比較典型的SOC產品是型iIips的Smart

XAo

2012-10-9計算機控制技術93

8.4.3嵌入式系統的軟件

?嵌入式系統是一個應用系統，它應該是一個

硬件和軟件的統一體。

?而軟件在嵌入式系統中將占有更為重要的位

"o嵌入式系統的軟件可以分為系統軟件和

應用軟件兩個層次。

?當應用問題較為簡單時，也許不必有很清晰

的軟件分層。

2012-10-9計算機控制技術94

1.主要流行的嵌入式操作系統

■對于嵌入式系統，它比通用計算機具有更簡單的結構。它很

可能不配置CRT顯示器，不需要文件系統，由于內存空間較小

也沒有存儲器管理功能。

■同時，嵌入式系統總是希望加載的操作系統軟件不能占據過

大的內存空間，不能消耗過多的系統軟硬件資源。

■嵌入式系統的操作系統，除了對于縮減PC系統目前仍采用DOS

等PC上的流行操作航以外，基本上有兩大趨勢：一類是面向

高級單片的，另一類是針對8位、16位單片機。以下是幾個目

前流行的嵌入式操作系統。

2012-10-9計算機控制技術95

(1)Linux

Linux已經成為Windows系統問世以來最熱門的操作系統

之一。它的開放性使眾多的情開發者為它打造了非常

堅實的基礎。同時，它也派生出眾多的類似系統。

(2)JLICLinux

"CLinux是一個縮減的Linux系統，特別適合于用在不

需要內存管理的高級單片嵌入式系統上。類似于

gCIinux的Linux操作系統的縮減版本，現在越柔越多。

相信經過一段時廚的實踐檢驗，會優選出理想的嵌入

式Linux操作系統。

(3)eCOS

eCOS是一個代碼開放的嵌入式操作系統，具有良好的系

統功能和應用支持，可以在許多高級單片上運行。

2012-10-9計算機控制技術96

(4)WindowsCE

WindowsCE是Windows的嵌入式系統版本，具有

類似Windows風格的用戶界面，可以與Windows環境下

的軟件很方便地接口。但是，它的代碼是不開放的。

(5)VxWorks

VxWorks是一個功能完善的嵌入式操作系統，但

是它的代碼也是不開放的。

(6)RTX5I

RTX51是專門針對8051設計的操作系統，代碼緊

湊、體積小巧。已經在很多應用中證明這是一個成功

的8位單片機的操作系統，代碼完全開放。

2012-10-9計算機控制技術97

(7)gC/OS

“/os是一個特殊風格的嵌入式操作系統，它有多種版

本，可以適應從X86到8051的各種不同類型不同規模

的嵌入式系統，代碼開放。但是，它的一些改進版

本，開始放棄代碼開放的原則。

?如果只是針對8051系列構成的嵌入式系統，顯然可

以選擇的合適的操作系統只有RTX51和質/OS等少數

幾種。這幾種操作系統主要是由于受到8051本身資

源的限制，功能都相對較為簡單。但是，它們開放

的源代碼和較小的代碼量，也給嵌入式系統設計者

提供了徹底掌握這一操作系統的條件。

2012-10-9計算機控制技術98

2.嵌入式操作系統的功能

?在操作系統的支持下，應用軟件可以通過操作

系統來與硬件打交道。這為嵌入式系統脫離特

定的硬件環境提供了條件，也使得軟件的可靠

性、安全性增加了。利用操作系統軟件的特權

性，可以保證嵌入式系統始終工作在有效控制

之下。

?操作系統的功能主要體現在以下幾個方面。

2012-10-9計算機控制技術99

(1)進程管理

■進程是一個運行中的程序。

■在操作系統中，進程具有獨立性。

■多個進程在操作系統的調度下，分時、并發地運行。

■這樣的結構，使得軟件的開發可以按相對簡捷的功能

模塊分別進行；

■可以利用一種所謂的信號燈機制，實現各個進程之間

的通信，分配進程對各種資源的占用；

■可以利用進程調度，避免系統陷入死循環或崩潰；

■可以將進程設置為不同的優先級別，例如系統級或用

戶級，來保證系統的安全性。

2012-10-9計算機控制技術100

(2)內存管理

■內存管理是將計算機的內存分成若干頁面，對

各個頁面賦予不同的特性和訪問邏輯地址。

■利用內存頁的不同特性，可以實現不同的訪問

特性。如，可為特殊的任務分配特定的內存頁,

同時也避免了其他任務侵入這一內存頁。

■由于內存訪問的實時性，這種頁面的分配是由

硬件實現的。

■一般來說，是依賴于CPU的支持來實現的。

2012-10-9計算機控制技術101

（3）文件系統管理

■文件系統是計算機系統的一個特殊組成部分。

■文件系統將計算機管理的大量數據以特定的結

構保存在存儲系統中，這個特殊的數據結構就

是文件。

■文件系統一般建立在外存儲器中，如磁盤、磁

帶、光盤等等，以滿足數據容量的要求。但是,

在特殊的情況下，文件系統也可以建立在計算

機的內存中。

2012-10-9計算機控制技術102

(4)設備驅動程序

■在操作系統的管理下，應用程序不必要也不應

該與底層的各種設備直接打交道。

■應用程序可以經過操作系統提供的設備管理手

段，即設備驅動程序，來使用系統的設備。

■設備驅動程序一般包括對設備的初始化，檢查

設備狀態，控制設備動作，對設備進行讀寫操

作等功能。

2012-10-9計算機控制技術103

(5)系統調用

■一個操作系統的各項功能，往往通過一系列應

用軟件可引用的程序模塊來實現，稱為系統調

用函數或應用編程接口。

■這些系統調用模塊經過比較嚴格的測試和實用

考驗，用它們作為整個應用系統的基礎可以保

障系統的穩定性和可靠性。

2012-10-9計算機控制技術104

814.4基于嵌入式系統的計算機控制系統的設計

1.嵌入式系統的主要設計方法

（1）仿真器

從微處理機誕生至今，開發方式一直沿用的是仿

真器技術，即利用一臺仿真器，模擬取代應用系統的部

分電路，可能是CPU,可能是程序存儲器，也可能是某

幾個部分電路的組合。

通過調試主機對取代電路的控制，可以獲得程序

運行過程的狀態，可以控制程序運行的走向，從而達到

調試的目的。

這種開發方式，也較為適用于可以插拔的單片機

芯片，對于表面貼裝的芯片往往難以實現仿真器與調試

樣機的方便連接。

2012-10-9計算機控制技術105

(2)BOOTROM

?這種方式是在嵌入式系統中事先駐留一個ROM引導程

序，一般稱為BOOT。開機后首先運行BOOT程序