技术文章

一. Quantum 简介

施耐德电气公司不仅是*得可编程逻辑控制器（PLC）的，同时也是PLC热备系统技术的和多项工业自动化技术的拥有者。在1969年，Modicon公司推出了世界上*台实用的可编程逻辑控制器－084控制器，应用在美国通用汽车公司的喷漆生产线上，从而开创了工业自动化领域中PLC应用的崭新的时代。在随后的30多年的时间里，Modicon公司作为工业自动化领域里面的专业厂商，不断地推动和领导着自动化技术的发展方向和潮流，致力于为的用户提供进和可靠的产品以及完整的系统解决方案。

1980年Modicon公司推出了*开放的Modbus通讯协议，Modbus协议得到了世界上上千家设备厂商的支持，使得Modbus协议成为当今自动化领域里面事实的通讯标准。1984年Modicon公司推出了世界上*台可以热备的PLC－584控制器，因此Modicon公司在热备系统技术上有着超过15年的*的技术和经验。

Quantum通用自动化系统是施耐德自动化公司于1996年向推出，并且经过不断的完善和发展的工业自动化领域里面新型*的的新一代的自动化系统平台。

图1：Quantum自动化平台

Quantum通用自动化系统是专门面向过程控制而设计的通用的自动化系统平台,适用于冶金，电力，化工，建材等各行各业的工业控制和自动化领域中,具有强大的对离散量、模拟量及过程回路控制方面的处理能力。Quantum继承和发展了施耐德自动化（Modicon）产品一贯的特点和优点，并且融入了当今新的IT技术和网络技术，具有结构灵活、功能强劲、使用简便、性价比高、集成度高、兼容性好,广泛的开放性等众多特点。

Quantum系统具有整个工业自动化领域里面*可靠的热备系统功能，以满足用户对系统热备功能的要求，为用户提供高可靠性的产品和系统方案。Quantum的热备系统继承和发扬了电气公司在PLC技术和热备技术上的的优势，使之成为工业自动化领域里用户的热备系统方案的佳选择。

Quantum系统已在国内外诸多行业中得到了非常广泛和成熟的应用，并在工业现场经过了长期、稳定运行，受到了广大用户的信任和称赞。Quantum系统所有的部件的设计都符合得真正的工业等级的要求，满足并通过了国内、的多种行业安全标准和认证。     Quantum系统具有配置简单、接线方便、易于维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀强，适应极其恶劣的工业环境。并且Quantum所有部件均可带电热插拔，并且平均*时间均大于200000小时。

图2：Quantum带电热插拔

        Quantum 自动化平台以其性能、全系列、兼容的控制产品为控制需求提供恰当的解决方案。由于它提供的是按系统要求配置的模块化结构，因此能为中至大型控制系统配置Quantum 自动化平台，以满足高性能的应用要求。

        Quantum 系统集体积小巧和坚固设计于一体，因而，即使在恶劣的现场环境下使用，也能确保其高性价比及可靠的安装运行。系统安装配置简单，适用于各种应用场合。

        Quantum 自动化平台在背板尺寸设计上有重大进展。模块进深仅有104mm（4英寸），其中包括现场接线。它安装在156mm （6 英寸）的电子机箱内，比传统控制器节省50% 的成本。可以简便地安装在工业标准机箱的底板上或安装在500mm （19 英寸）的机架中。虽然体积小巧， 

图3：Quantum自动化平台背板

       Quantum 自动化平台的特点是：

• 基于486、586及Pentium 型处理器，处理器主频达到了266 MHz，极大地提高扫描速度和系统的应用处理的性能。

• 紧密地将各种应用控制系统集成在一起，其中包括运动控制、通讯和过程控制。

• 为关键应用场合提供冗余电源、I/O 缆接选件及热备能力，使系统的可靠性高。
• 关键应用场合，通过配置输出“故障”状态以获取更多的预置性能。

• 隔离级别高，恶劣电气环境下的抗噪声*力强。

• 高精度模拟量I/O，适用于过程的密切监视和控制。

• 高速开关电路和中断处理能力使系统性能更好。

• 所有的模板（包括CPU，电源，网络通讯，I/O模板）均支持带电插拔功能（带电插拔模块时不影响其它单元的运行），简化系统维护，提高系统的可用性。
• 一些CPU型号带有2 个PCMCIA内存扩展插槽，用于增加用户应用程序和数据存储空间。
• 一些CPU有内置式Ethernet 端口及独立通讯协处理器，提供强大的通讯性能。

图4：Unity Quantum CPU模板

        Quantum 自动化平台提供多种形式的解决方案。单机架控制系统大448个I/O 点，多站点（RIO或者DIO）控制系统可配置网络服务功能，大64000 个I/O 点。在通讯选件的支持下具有至工厂级和现场总线网络的连接性能，支持超过8个工业标准的网络，从Ethernet到各种现场总线－Modbus ，Modbus Plus，Profibus-Dp，Interbus等。

图5：支持的现场总线

       Quantum自动化系统平台使用了*的In 处理器。 Quantum 的逻辑解算时间和I/O 吞吐速率非常之大，足以满足各种行业用户的不同的应用处理需求。Quantum应用程序的存储容量可以从2Mb到4Mb, 而一些型号的CPU，其程序和数据存储能力通过PCMCIA 内存扩展卡可扩展到7.2Mb和8M。

        Quantum 所有型号的CPU 都配有浮点数学协处理器芯片，能够在佳速度下完成过程运算和数学计算工作，因此增强了过程控制的完整性和质量性，提高了Quantum在处理复杂过程控制应用的速度和能力。

    全新的Unity Pro编程软件的特点：

• Unity Pro XL编程软件提供对Quantum全系列平台的支持。
• 可提供Unity Studio软件套件，方便用户设计分布式系统应用。
• 可运行在Windows 2000 Professional或Windows XP环境下。

• 5种IEC61131标准编程语言：结构化文本(ST)，指令表(IL)，梯形图(LD)，功能块图(FBD) 和顺序功能图(SFC)。
• 具有灵活处理的多任务软件结构：主要任务（MAST），快速任务（FAST），事件中断处理（EVENT）。
• 执行期间的程序修改（在线修改）。

图6：Unity Pro编程软件

      对大批安装我们产品的用户电气公司一直郑重承诺对他们的支持。Quantum自动化平台为已经使用Quantum， 984的用户提供一个简单易懂且性价比高的集成途径。Unity Enhanced指令集允许将任何Concept的程序转换成Unity程序，并能在Quantum CPU上运行。

        我们对简易集成途径的承诺使得我们可以在保护用户对于软硬件及培训方面投资的同时，降低开发周期成本。对于Quantum控制器均可获得已被现场验证的Ethernet、Modbus和Modbus Plus 通讯网络的集成。

        当今自动化市场上没有一款单一控制结构能够满足所有的命令要求。某些解决方案提供带本地I/O 的*型控制系统；另外一些系统采用装有远程I/O 站点的*控制器；还有一些系统使用许多更小型的分布式I/O 站点，采用对等通讯方式和现场数据集成方式进行工作。现在使用Quantum单一I/O 系列产品就能配置所有这些结构。因此适用于过程控制、批处理或分布式控制场合。具有强大功能的Quantum 是*能满足用户各种需求的自动化平台。

二. Quantum 硬件特点

       Unity Quantum CPU全部基于486、586 和Pentium处理器，是一个具有品质和*性能的可编程控制器系列产品。本系列产品已应用于各种不同的应用场合，从简单离散控制系统到复杂过程控制应用。这些CPU 拥有很多特点，其中包括：

• 出众的扫描时间和I/O 吞吐量
• 基于时控和I/O 的中断处理能力（软中断和硬件中断）
• 快速任务和主要任务的处理能力（MAST和FAST）
• 通过PCMCIA 卡扩展数据和程序的存储能力（可扩展到8M和7M）
• 内置于CPU 内的多种通讯接口（Modbus，USB，MB＋，以太网）
• 有些型号的CPU具有用户友好诊断和运行LCD显示

        根据不同的存储能力，处理速度和通讯选件的需求，可提供不同型号的处理器使用电池将CPU 中的应用程序存储到RAM 中，电池位于模块的前面板处，与CPU一起工作。运行期间，为了保护应用程序不被偶然因素改动，140 CPU 311 10处理器提供一个存储器保护滑动开关。其它Quantum CPU使用钥匙进行保护，还可以使用该钥匙启动和停止CPU的运行。

在配置方式中可以设置一个存储器保护位，用此方法也可以锁住对程序的任何修改。（通过PC 编程或下载完成）。

    某些型号的处理器有2 个用于PCMCIA 内存扩展卡的插槽：

• 上部插槽用于接收存储器扩展卡（存储程序、符号、常量和/ 或数据文件）
• 下部插槽用于接收于存储数据文件的存储器扩展卡

    所有型号的CPU 都支持：

• Modbus RS232口（在某些型号的CPU中可设置成Modbus RS485）
• Modbus Plus 网络端口

根据不同的型号，Quantum 处理器可附加下列功能：

• 1个10BASE-T/100BASE-TX Ethernet TCP/IP 端口（RJ45 连接）
• 1个USB 型TER 端口（用于连接1个编程端口）

        某些型号的CPU 具有LCD 显示功能（2行16个字符的LCD）, 其背景和对比度可调。通过键区和显示可对CPU 进行诊断，并可配置某些参数，并监视参数数值及执行对CPU 的启动和停止。

      Quantum CPU140 CPU 671 60 将会有一个协处理器，并带有1个100Mb/s 的光纤链路，用于管理热备功能。通过LCD 显示可以诊断所有热备的参数，也可以执行系统操作。

三. Unity Pro软件简介

多任务软件结构：

主(MAST) 任务

主任务可以周期或循环地执行主程序。它由系统激活。

组成主(MAST) 任务的每个程序段和子例程可以采用梯形图(LD)，功能块图 (FBD)， 结构化文本(ST)，或指令列表(IL) 语言编写。主(MAST) 任务的某些程序段可采用顺序功能图(SFC) 或Grafcet 语言编写。

快速(FAST) 任务

快速任务的优先级高于主(MAST) 任务，它周期性执行，目的是为低优先级任务的执行保留时间。当离散输入中的快速周期性变化需要被监视和确认时，应使用这一任务。

当快速任务执行时主(MAST) 任务（优先级低）的执行被挂起。前者的处理操作应尽可能短小以确保不会对主(MAST) 任务的处理操作产生不利影响。

组成快速任务的每个程序段和子例程可以采用指令列表(IL)，结构化文本(ST)，梯形图( LD) 或功能块图语言( FBD) 编写。

辅助任务（AUX）

辅助任务可在系列140 CPU 651 p0/67160处理器中执行。它们主要用于较慢类型的处理操作，例如测量，过程控制， HMI，应用诊断操作等。

周期性辅助任务的优先级低，只有在更高优先级的周期性任务(MAST 和FAST) 完成它们的周期之后才可以执行。

组成辅助任务的每个程序段和子例程可以采用指令列表(IL)，结构化文本(ST)，梯形图(LD) 或功能块图(FBD) 语言编写。

事件（EVENT）触发任务

与上面描述的任务不同，这些任务不与周期相关联。这些任务的执行由以下事件异步触发：

• 来自某个模块的事件（例如：计数器阈值超限，离散输入的状态改变）。
• 来自事件计时器的事件。

这些任务拥有比其它所有任务更高的优先级，因此适用于那些需对发生事件迅速做出反应的处理操作。

Quantum 平台有3 个优先级（按从高到低的顺序分别为模块事件EVT0、模块事件EVTi 和定时器事件Timeri）。

每个事件触发任务都由一个单独的程序段组成，它们可采用指令列表(IL) 、结构化文本(ST) 、梯形图(LD) 、或功能块图(FBD) 语言编写。

图1：MAST、FAST和EVENT任务

为任务分配I/O 通道

每个主(MAST)，快速(FAST) 或事件触发任务读（在循环开始时）和写（循环结束时）分配给它的输入/ 输出。缺省情况下，这些I/O 分配给主(MAST) 任务。

对于Quantum 平台，远程输入/ 输出(RIO) 只分配给主(MAST) 任务（可为每个站点分配对应的程序段），而分布式输入/输出(DIO) 都分配给主(MAST) 任务（不分配到这个MAST 任务的单个程序段）。

对于事件触发任务，除了与事件相关的I/O, 还可以为它们分配其它I/O 通道。之后就可以在处理开始时为输入和在处理结束时为输出隐含执行数据交换。

五种IEC 语言

在Unity Pro 中可以采用5 种IEC61131标准文本或图形语言为Quantum 自动化平台编程。

3 种图形语言为：

• 梯形图语言(LD)。
• 功能块图语言(FBD)。
• 顺序功能图(SFC) 或Grafcet。

2 种文本语言为：

• 结构化文本语言(ST)。
• 指令列表语言(IL)。

对于这5 种语言，如果用户采用与IEC 标准61131-3 兼容的基本指令集，则其创建的应用可跨平台传送。Unity Pro 还为这些指令集提供了扩展指令。这些指令为Quantum PLC所专有，可用来开发更复杂的应用，因此可大

程度地发挥这些平台特性的潜能。

四. 双机热备冗余系统介绍

        双机热备系统与Unity Pro 软件相兼容，并通过Quantum CPU提供关键过程应用所需要的高度可用性。

        系统结构的中心部分是两个Quantum PLC 机架，即通常意义下的“主机”和“备机”。它们的硬件配置必须相同( 每个本地机架上安装的模块必须一致)。每个机架配置的核心部件是140 CPU 67160 处理器，专门设计用于Unity Pro 软件下的双机热备架构。该处理器是一个双槽模块，同时包含*处理单元和一个冗余协处理器。

“主” PLC 执行应用程序并且控制输入输出(I/O)。“备” PLC驻留在后台，必要的时候取代“主”PLC。“备机”和“主机”之间通过一个集成在CPU 当中的高速光纤链路(100Mbps)相连接。

图1：Quantum热备系统结构示意

        此光纤链路(62.5/125 多模光纤) 可以扩展2公里远，中间无需任何附件设备。“备用” PLC 当中的用户应用程序数据正是通过此光纤链路被周期性地更新。

       在“主” PLC 意外发生故障时，备用系统自动切换，由“备用” PLC使用新的数据内容执行应用程序并更新I/O。一旦系统发生切换，“备用”PLC 就将变为 “主” PLC。在发生故障的PLC 修复并重新连接到系统当中时，它将承担“备用” PLC 的角色。

        使用Unity Pro软件的双机热备系统能够实现主备机之间平稳、无缝的切换。切换对于过程而言是透明的，系统对过程的监控不会中断，并且不会因为发生硬件故障而受到不利影响。使用Unity Pro 的双机热备系统因此能够减少停机时间，从而提高生产效率。

       对于敏感性过程，I/O 控制的切换时间应当在PLC扫描周期的范围之内，因此缺省情况下应当选择基于RIO 的系统架构。这些包含了Quantum 模块的I/O 站点在Unity Pro 软件编程环境中进行配置。I/O 的扫描和CPU的扫描时间是同步的。一个系统分离器(MA 0186 100) 用于在RIO 站点和”主“、“备”PLC之间交换数据。RI/O 系统的可用性可通过使用冗余电缆系统加强。RIO I/O 站点也可通过使用光收发器组成(冗余) 光纤环网。

         在对时间不是非常敏感的应用当中，从I/O 控制的延时角度考虑，可以采用一个混合的系统架构，即设备既可以分布在RIO 类型的I/O 站点上，也可以分布在TCP/IP Ethernet上。

         从操作角度看，从设备(PLC 模块，HMI等)，以及Modbus TCP 主设备（Momentum I/O 端子，Advantys STB I/O岛，ATV 变频器等）因此能够共存于同一个Ethernet TCP/IP 网络当中。

        考虑主从类型的数据交换，在PLC模块和设备之间使用Modbus TCP 协议进行通信，I/O Scanning 机制是理想的选择。通过配置，I/O Scanning 可用于定义多达128个周期性的读或写交换，通过字表，实现与目标设备的数据通信。I/O Scanning机制是一个可选的标准功能，可在Quntum 140 NOE 771 01 和140 NOE 771 11以太网模块上获得。这个功能在使用Unity Pro的双机热备架构中同样能够使用。

      考虑到在PLC模块和分布式设备之间连接采用的Ethernet网络拓扑元素，交换机要优于集线器。采用的网络拓扑类型可以是总线型或者环型，同轴电缆或光纤，须视具体情况而定。

五. 工业以太网

Modbus TCP/IP以太网：

• 柘扑形式：开放局域网络，符合IEEE802.3

• 介入方式：CSMA/CD
• 传送速度：100M/10Mbps
• 传送介质：IEEE802.3，100Base TX,100Base FX
• 网络长度：100BaseT, 10BaseTX 100m从集线器至结点,100BaseFX 3Km

• 应用层：Modbus协议，TCP端口：502
• 特点：以太网已作为PLC系统都连接的网络：高性能、经济、工业标准、灵活性（拓扑结构）开放性（快速以太网、ATM、FDDI、桢中继等），TCP/IP已是通用、开放的计算机技术和工业标准。

    以太网已经作为PLC系统连接的网络，特别是作为控制网络，这已经成为事实。还有一个事实是：*网络安装量中的92%是TCP/IP以太网，以太网带给用户的大好处是：

1、经济：这是IT行业发展的规律，数量越大，产品价格越低。

2、开放：可以从市场上选择各种档次的以太网配件，如电缆、接头、收发器、集线器、交换机、路由器等。

4、工业标准：IEEE 802、3，10Base T，100Base TX……。

5、高性能：10M→100M→1000M或1G→10G。

6、灵活性：拓扑结构有总线、星形,还可构成冗余，自愈环网等。

以太网可认为两个物理网或一个逻辑网段构成，两个物理网的寓意为：一级网和二级网各司其责，两网各跑各自信息，且介质和速度可以不同，它们之间可用网桥或路由器隔开。一个逻辑网的寓意为：一级网和二级网是相通的，因为协议相同，故可以进行数据交换，这使得全车间，甚至全厂之间的数据都能“透明”的进行传输。从以太网的接线来说，也有其特点：因为操作站和控制器接在同一个集线器/交换机上，所以即使以太网干缆断开仍可正常工作。