当为“现实世界”解决控制系统问题时，工具包式的问题解决方法通常能更快、更稳健地找到解决方案。这就是我们在 Advanced Photon Source (APS) 的 DuPont-Northwestern-Dow Collaborative Access Team (DND-CAT) 使用商用基于 Intel 的机器上的 Linux 的原因之一。APS（参见 http://www.aps.anl.gov/）是三个第三代同步加速器 X 射线源之一，它将为科学研究提供世界上最明亮的 X 射线源。DND-CAT（参见 http://tomato.dnd.aps.anl.gov/DND/）是由杜邦公司、西北大学和陶氏化学公司组成的合作组织，旨在 APS 构建和运营科学设备，以研究化学、生物学、材料科学和物理学中工业和学术上有趣的问题。Linux（像所有 Unix 系统一样）是围绕工具包范式设计的。在 Linux 下运行的工具为构建用户界面（例如，Netscape、Java、Tcl/Tk、expect、万维网守护程序）、运行计算（例如，C、C++、FORTRAN、Perl、pvm）以及与外部设备交互（极好地访问串行设备、背板中的卡以及当然还有 TCP/IP）提供了出色的框架。

然而，虽然有人努力为 Linux 配备实时功能，但它不是“实时”操作系统。此外，将商用个人计算机用于控制应用充其量好坏参半。虽然这些系统功能强大、易于获得且价格低廉，但它们的背板上的插槽数量有限，并且机器通常必须在物理上靠近被控制或监控的过程。在过程发生在可能导致硬件故障的恶劣环境（例如，高辐射区域、高振动等）的情况下，这可能会成为问题。这些是整个控制系统设计中的重要因素。然而，如果我们期望 Linux 提供控制问题的完整解决方案，而不是工具包方法中的一种工具，那么这些才只是问题。

在 DND-CAT，我们一直在设计使用可编程逻辑控制器与 Linux PC 结合使用的系统，以为科学实验设备提供低成本的自动化和控制系统。

可编程逻辑控制器 (PLC) 是现代工业革命中默默无闻的英雄。早在 IBM 和 Apple 为大众生产计算机之前，工厂就已经通过计算机化的控制器实现自动化，这些控制器旨在与“现实世界”（即，继电器、电机、温度、DC 和 AC 信号等）接口。这些控制器由许多公司制造，如 Modicon、Allen-Bradley、Square D 等。在他的小册子PLC 历史中，PLC 的最初发明者 Dick Morley 指出，第一个 PLC 是在一家咨询公司 Bedford Associates 于 1968 年开发的。当时，Bedford Associates 正在设计计算机控制的机床以及计算机行业的周边设备。PLC 最初旨在消除控制方面的问题。在数字计算机出现之前，逻辑功能是在继电器架中实现的，其中单个继电器对应于一位。然而，继电器在长期内往往不可靠，并且“软件”是通过布线硬编码的。

可以通过用固态设备替换继电器来提高系统可靠性。这样做的好处是系统可以由电工、技术人员和控制工程师维护。然而，“软件”仍然存在于系统的硬布线中，并且难以更改。当时的替代方案是使用正在开发中的小型计算机之一，例如 Digital Equipment 的 PDP-8。虽然可以实现更复杂的控制功能，但这也会增加系统复杂性，并使工厂车间的人员难以维护。

Morley 设计了第一个 PLC，用专门的实时控制器取代继电器架，该控制器可以在工业环境中生存。这意味着它必须经受住测试，例如跌落、特斯拉线圈电击和橡胶槌敲击。它专为连续运行而设计，没有开/关开关。实时功能过去是，并且在很大程度上现在仍然是——使用梯形逻辑编程到单元中的。

梯形逻辑是一种基于规则的语言；图 1 给出了一个示例。图的左侧的线显示了一个“电源轨”，该电源轨的“地”在右侧（未显示）。该语言的规则是通过从左到右完成梯形图梯级中的“电路”来编码的。在图中，“||”对应于开关触点，“()”对应于继电器线圈。穿过触点和线圈的斜线表示补码。“X”开关触点映射到实际的二进制输入点，“Y”继电器线圈触点映射到输出点，“C”触点/线圈是用于中间操作的软件点。在示例中，闭合 X0 和 C0 或断开 X0 和 C0 将激励 C10 线圈，从而闭合 C10 触点。C10 触点激活 Y0 并关闭 Y1。

虽然这种图形化编程风格对于习惯于使用 C 或 FORTRAN 编程的人来说可能很奇怪，但梯形逻辑使非程序员可以轻松编写有用的应用程序。大多数 PLC 都有大量功能，包括定时器、计数器、数学运算、位移位器等。它们具有各种各样的输入和输出设备，包括二进制和模拟输入和输出、电机和温度控制器、继电器输出、磁性转速表传感器等。输入和输出点的数量取决于 PLC 的类型和大小，但范围可以从微型 PLC 的不到 10 个到高端 PLC 之一的超过一千个。PLC 市场多年来一直在增长，并且受到了计算机革命的影响。今天，市场上有很多高质量、廉价的 PLC。来自同一供应商的 PLC 通常可以联网在一起。在某些情况下，低端 PLC 的构建成本可能低于 500.00 美元。

在我们的应用中，我们使用 Linux 计算机作为 PLC 和外部世界之间的接口。我们这样做的主要目的是使用 Tcl/Tk 和万维网 (WWW) 等工具通过通用网关接口 (CGI) 来控制 PLC 中的过程。用于编程我们的 PLC 的软件是基于 Microsoft Windows 的。因此，通过在同一硬盘上拥有 Linux 和 Windows 分区，我们可以在 MS Windows（我们在其中编程 PLC）和 Linux（我们在其中编程和使用操作员界面）之间来回切换。

PLC 内部的实时操作系统与 Linux 等复杂系统相比相对简单。因此，控制过程中需要极高可靠性的部分可以编程到 PLC 中，从而使 Linux 可用于其他任务。

我们在应用中使用 PLC Direct 系列 PLC（参见 http://www.plcdirect.com/）。为了证明 Linux 和 PLC Direct 组合的可靠性，我们与 UNICAT（大学-国家实验室-工业合作访问团队；参见 http://www.uni.aps.anl.gov/）合作，建立了一个测试系统，该系统使用连接到 PLC Direct 405 PLC 的基于 Linux 的 Web 服务器。与 PLC 的通信是通过多点、基于数据包、主/从协议进行的，该协议通过串行链路运行。使用 PLC Direct 文档，我们使用 Don Libes 的 expect 程序在 Linux 串行端口上实现了此协议，使 Linux 系统成为主站。这使我们能够“窥视”和“探测”到 PLC 内存映射中。CGI 脚本调用 expect 程序以提供对 Web 的访问。

DND-CAT/UNI-CAT Linux/PLC 测试台的照片

1995 年 3 月至 1996 年 7 月期间，互联网用户被允许通过 WWW 界面关闭 PLC 上的输出点并读取输入点。图 2 显示了该测试台的照片。PLC 监控来自 5 个 Love 控制器的数字输入，这些控制器测量 PLC CPU 中的温度，并在温度高于预设值时闭合触点。

除了演示之外，我们还在三个项目领域中使用了 Linux/PLC 组合：用于同步加速器 X 射线束线的简单快门、用于分析 X 射线机的个人安全系统以及使用 Advanced Photon Source 的高强度 X 射线束线的设备保护系统。

简单的梯形逻辑图

我们使用 PLC 和 Linux 的最简单的应用涉及将商用 X 射线束快门连接到我们的 Linux 数据收集计算机。X 射线快门的硬件由两个继电器驱动的螺线管控制。当我们编程 PLC 时，我们分配两个范围的控制继电器，以充当 PLC 和 Linux 之间的接口。图 1 中的程序演示了这一点。Linux 程序将设置 C0。X0 连接到硬件开关，并为系统提供外部输入。X0 和 C0 组合模拟三向开关，Y0 和 Y1 实际操作快门上的继电器。Linux 端的程序可以读取 C10 以监控快门状态。通过控制继电器定义 PLC 和 Linux 之间的接口，实际的控制过程在两台不同的机器之间划分。

我们的第二个项目使用 PLC 作为状态机来监控 X 射线发生器和 X 射线管的辐射外壳。由于这是一个安全设备，我们启用了 PLC 的密码功能以将程序锁定到 PLC CPU 中。如果由于某种原因我们忘记了密码，则必须将 CPU 送回制造商进行重置。PLC 监控十二个门触点开关、来自操作面板的开关、X 射线快门位置、X 射线管的水流互锁，以及提供蜂鸣器和故障安全灯以通知操作员 X 射线和快门已打开。PLC 还为 X 射线发生器和 X 射线快门提供使能信号。

虽然 PLC 的主要目的是保护操作员，但如果 X 射线互锁跳闸，PLC 没有很好的方法来通知操作员发生了什么故障。这就是 Linux 的用武之地。使用 CGI 脚本，我们编写了网页，允许操作员使用浏览器查询 PLC 状态。为了防止未经授权的人员访问设备（只有经过培训的人员才能使用此设备），我们在 Linux 和 PLC 之间提供了看门狗信号。授权用户登录到 Linux 系统并运行受保护的守护程序，该守护程序启动 PLC 中的看门狗定时器。Linux 守护程序必须不断重启看门狗以保持 X 射线系统启用，并且守护程序会在用户注销时禁用系统。Linux 跟踪对系统的所有访问，并在每次发生访问时向 X 射线发生器管理员发送电子邮件。因此，Linux 系统充当连接到 X 射线发生器的仪器的数据收集计算机。

我们的最后一个项目是 Advanced Photon Source 的 X 射线同步加速器束线的设备保护系统。在这种情况下，PLC 正在监控来自水流量计、真空系统输出和真空阀开关的 70 多个输入点。根据这些系统的状态，PLC 向 APS 发送启用或禁用信号，这允许他们将高强度 X 射线束传递到我们的设备。如果系统未就绪时 APS 传递光束，则可能发生严重的设备损坏。在这种情况下，我们使用 Linux 作为数据记录器和操作员界面。每隔几分钟，Linux 轮询 PLC 以记录系统状态。

PLC 本身会在断电时将重要事件的日志保存在非易失性存储器中。为了使 PLC 与 Linux 日志保持同步，我们在 Linux 端使用网络时间守护程序，并且每天重置 PLC 中的实时时钟。除了 PLC 之外，Linux 进程还在通过多端口串行卡监控其他设备，例如真空计。如果发生系统故障，我们的科学家和工程师可以登录到 Linux 系统并运行 expect 脚本来诊断问题，或者使用浏览器并通过 Web 与 Linux/PLC 组合进行交互。此时，操作员可以完全控制 PLC 中进程的启用和禁用。

在此应用中，与万维网的接口极其重要。科学家们从世界各地前往同步加速器光源进行实验。当设施运行时，它每天 24 小时运行。如果我们的 PLC 要关闭设备，则能够诊断故障非常重要，并且如果可能，尽快使设备恢复运行状态。通过使用万维网，我们为我们的科学家和工程师提供了诊断工具，他们可以使用常用的界面软件从任何地方使用这些工具。我个人已经能够在我的工作桌、我在芝加哥的公寓和伦敦的网吧监控我们 PLC 中的系统状态。

总的来说，我们发现将可编程逻辑控制器与 Linux 相结合是在 DuPont-Northwestern-Dow Collaborative Access Team 提供专用控制系统的经济高效且稳健的方法。随着我们构建我们的仪器，我们不断为这种组合找到新的应用。我们还有几个正在进行的项目，包括使用 PLC 为专用机器构建智能控制器，以及使用 Linux 与它们接口。我们还计划在 Linux 下实现 PLC Direct 从站协议，以允许 PLC 将数据直接发送到 Linux 守护程序，因此 PLC 不需要轮询。

我要感谢 UNI-CAT 的 Pete Jemian 在原型系统上的合作以及图 2 中的照片。

DND-CAT 同步加速器研究中心由 E.I. Du Pont de Nemours & Co.、陶氏化学公司、伊利诺伊州（通过商务部）以及高等教育委员会拨款 IBHE HECA NWU 96 和国家科学基金会拨款 DMR-9304725 资助。

提及特定产品不构成商业产品认可。

Libes, Don. 探索 Expect, (O'Reilly & Associates, Inc.) 1995.

Morley, R.PLC 历史, R. Morley Inc. Milford NH.

Quintana, J.P.G., 和 Jemian, P. Advanced Photon Source 束线保护系统的设计标准, 1995 年同步辐射仪器会议（印刷中）。