常见五种安全PLC的冗余系统结构和安全性可靠性分析
常见五种安全PLC-的冗余系统结构和安全性可靠性分析
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PLC、DCS、FCS常见控制系统的根本区别在哪里
PLC、DCS、FCS常见控制系统的根本区别在哪里
计算机和网络技术的飞速发展，引起了自动化控制系统结构的变革，一种世界上最新型的控制系统即现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FCS）在上世纪九十年代走向实用化，并正以迅猛的势头快速发展。现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点，正越来越受到国内外自动化设备制造商与用户的关注。现场总线控制系统的出现，将给自动化领域在过程控制系统上带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，从而开创自动化的新纪元。
FCS可以说是第五代过程控制系统，是由PLC（ProgrammableController）或DCS（DistributedControlSystem）发展而来的。FCS与PLC及DCS之间有千丝万缕的联系，又存在着本质的差异。本文针对PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点、性能和差异作一分析。
1 PLC、DCS、FCS三大控制系统的基本特点
目前，在连续型流程生产工业过程控制中，有三大控制系统，即PLC、DCS和FCS。它们各自的基本特点如下：
1.1PLC
（1）从开关量控制发展到顺序控制、运算处理，是从下往上的。
（2）逻辑控制、定时控制、计数控制、步进(顺序)控制、连续PID控制、数据控制-PLC具有数据处理能力、通信和联网等多功能。
（3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。
（4）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。这比用PC机作主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行。
（5）PLC网络既可作为独立DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统。
（6）主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。
1.2DCS
（1）分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4C（Communication，Computer，Control、CRT）技术于一身的监控技术，是第四代过程控制系统。既有计算机控制系统控制算式先进、精度高、响应速度快的优点，又有仪表控制系统安全可靠、维护方便的要求。
如何进行PLC系统的安全性与防护
如何进行PLC系统的安全性与防护
随着工业自动化的发展，可编程逻辑控制（PLC）系统在各个行业中被广泛应用。然而，PLC系统的安全性和防护问题也越来越受到关注。在本文中，我们将讨论如何有效地提升PLC系统的安全性和防护措施。
1. 确保物理安全
PLC系统通常被安装在工业控制室或机柜中，因此，第一步是确保这些位置的物理安全。只有授权人员才能接触PLC设备，并采取必要的措施来防止非授权人员进入控制室或机柜区域。这可以通过使用访问控制系统、安装摄像监控设备和加强门禁措施来实现。
2. 加强网络安全
PLC系统通常与其他设备（如人机界面、传感器等）进行网络连接。为了保护PLC系统免受网络攻击，可以采取以下措施：
- 分隔网络：将PLC系统与其他网络设备隔离，建立虚拟专用网络（VPN）来控制访问权限，并限制对PLC系统的远程访问。
- 使用防火墙：在PLC系统和其他网络之间设置防火墙，仅允许经授权的通信。
- 更新软件和固件：及时安装PLC系统的软件和固件更新，以修复任何已知的漏洞。
3. 建立访问控制策略 为了保护PLC系统免受未经授权的访问，建议采取以下措施：
- 强密码策略：确保PLC系统使用强密码，并定期更换密码，避免使用默认密码。
- 用户权限管理：为不同的用户分配不同的权限，只允许他们进行必要的操作。
- 审计日志：记录PLC系统的操作日志，以便追踪和分析任何可疑活动。
4. 实施数据备份和恢复策略
PLC系统中的数据对于企业的正常运营至关重要，因此需要建立有效的数据备份和恢复策略。定期备份PLC系统的配置文件和数据，并将其存储在不同的位置，以防止数据丢失或损坏。此外，应制定相应的恢复计划，以尽快恢复PLC系统的正常运行。
5. 培训和意识提升
提高员工的安全意识是确保PLC系统安全性和防护的关键。组织相关的培训和教育活动，向员工传授PLC系统的基本知识和安全操作规程，并定期进行更新，以适应不断变化的安全风险和威胁。
plc结构形式
plc结构形式
PLC是一种常用的工业自动化控制器，其具有开放式结构、可编程性强、可扩展性好、体积小巧等优点，广泛应用于各个领域。下面我们就来了解一下PLC结构形式。
1.基本结构
PLC主要由中央处理器(CPU)、存储器、输入输出(I/O)模块、通信模块、电源模块等部分组成。其中，CPU是PLC的核心部分，负责程序的执行和数据的处理；存储器则用于存储程序和数据；I/O模块则是PLC与外界交互的接口，负责采集和输出信号；通信模块则为PLC提供了联网通信能力；电源模块则为PLC提供供电支持。
2.模块化结构
PLC的模块化结构允许控制器进行模块化设计和组装，以满足不同应用需求。通常来说，PLC可分为CPU、I/O和通信3个基本模块。在此基础上，可以通过串口、以太网等采用不同通信协议的通信模块，实现多个PLC间的联网，从而实现系统的分布式控制。
3.开放式结构
PLC的体系结构通常是开放式的，允许用户根据需要对其进行扩展和定制。例如，用户可以选择自己开发的语言或者第三方厂家的软件工具进行编程，也可以选择自己开发的硬件模块，对控制器进行扩展。
4.可编程性强
PLC的程序可在线编辑和调试，具有高灵活性和可重复使用性。PLC的编程语言主要包括指令列表、图形语言、C语言等。这些编程语言具有高度的可读性和可维护性，大大减少了PLC系统的开发和维护难度。
5.调试模式
PLC还具备丰富的调试模式，可以进行在线监控、调试和数据采集。控制器可以记录程序的运行过程和性能指标，并根据需要发送报警信息，以保证系统运行的稳定性。
总之，PLC结构形式具有开放式结构、模块化结构、可编程性强、可扩展性好、调试模式丰富等特点。这些特点为PLC的广泛应用提供了有力的保障。
《基于ARM+FPGA的嵌入式安全PLC设计与实现》
《基于ARM+FPGA的嵌入式安全PLC设计与实现》
一、引言
随着工业自动化和智能化的快速发展，可编程逻辑控制器（PLC）作为工业控制的核心设备，其安全性和可靠性变得尤为重要。为了满足现代工业对于高速度、高效率和高度安全性的需求，本文提出了一种基于ARM+FPGA的嵌入式安全PLC设计与实现方案。该方案利用ARM处理器的强大计算能力和FPGA的高速度、低延迟特性，实现了PLC的高效、安全运行。
二、系统设计
1. 硬件设计
本系统采用ARM+FPGA的架构，其中ARM处理器负责系统的控制和数据处理，FPGA则负责实现高速的逻辑控制和数据运算。系统还包含了电源模块、通信接口、存储模块等必要的硬件组件。其中，通信接口支持多种工业总线协议，以满足不同工业场景的需求。
2. 软件设计
软件设计包括操作系统、PLC编程语言解释器、安全防护模块等。操作系统采用嵌入式实时操作系统，以保证系统的实时性和稳定性。PLC编程语言解释器用于解释和执行用户编写的PLC程序。安全防护模块则负责系统的安全防护，包括病毒查杀、攻击防御等。 三、关键技术实现
1. ARM处理器与FPGA的协同工作
ARM处理器和FPGA通过总线进行通信，实现数据的快速传输和共享。ARM处理器负责系统的控制和数据处理，FPGA则负责实现高速的逻辑控制和数据运算。两者协同工作，实现了PLC的高效、安全运行。
2. PLC编程语言解释器的实现
PLC编程语言解释器采用编译型和解释型相结合的方式，先对用户编写的PLC程序进行编译，生成中间代码，然后再由解释器执行中间代码，实现程序的运行。解释器的实现需要考虑代码的优化、错误处理等方面。
3. 安全防护模块的实现
安全防护模块包括病毒查杀和攻击防御两部分。病毒查杀采用常见的病毒查杀技术，对系统进行实时监控和查杀。攻击防御则采用多种安全策略，包括访问控制、数据加密、入侵检测等，以保障系统的安全性。
四、实验与测试
PLC控制系统设计的基本原则和主要内容
PLC控制系统设计的基本原则和主要内容
PLC（可编程逻辑控制器）控制系统是一种基于电子技术的自动化控制系统，广泛应用于工业生产中。PLC控制系统设计的基本原则和主要内容包括硬件选型、软件编程、信号连接、容错设计等方面。本文将详细介绍PLC控制系统设计的基本原则和主要内容。
一、硬件选型
在PLC控制系统设计中，硬件选型是一个关键的步骤。需要根据控制需求、环境条件、可靠性要求等因素，选择合适的PLC型号和外围设备。PLC的型号应根据控制任务的复杂程度和IO点数进行选择，同时需要考虑是否需要支持网络通信和数据采集功能等。外围设备的选型需考虑其与PLC的兼容性、可靠性和稳定性。
二、软件编程
PLC控制系统设计的另一个核心内容是软件编程。软件编程是指通过PLC编程软件对PLC进行逻辑控制程序的编写。在软件编程过程中，需根据控制需求和控制逻辑，编写相应的程序。常用的PLC编程语言包括Ladder Diagram（梯形图）、Function Block Diagram（功能块图）和Structured Text（结构化文本）等。编程时需要充分考虑系统的实时性和可靠性，避免程序冲突和死循环等问题。
三、信号连接
PLC控制系统设计中，信号连接是指将传感器和执行器等设备连接到PLC的输入输出点上。在信号连接过程中，需要确保传感器和执行器的信号与PLC的输入输出点相匹配，确保信号的可靠传递。此外，还需要注意连接线的线径和长度，以减小信号传输时的噪声和干扰。在实际连接过程中，通常采用编配连接器或端子台进行信号连接，以方便维护和更换。
四、容错设计
在PLC控制系统设计中，容错设计是保证系统可靠性和稳定性的重要手段。容错设计可以通过多重冗余、软件监控和自诊断等方式来实现。多重冗余可以通过配置备用模块或备用传感器来实现，以防止单点失效。软件监控可以通过监测输入输出状态和系统运行状态，及时发现和处理故障。自诊断可以通过对控制器进行自检测和报警，帮助操作员及时排除故障，提高系统的可靠性。
PLC控制系统可靠性设计探讨
第ｌ６卷第４期 ｖｏ１．１６ Ｎｏ．４ 四川职业技术学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ２００６年１１月 Ｎｏｖ．２００６
ＰＬＣ控制系统可靠性设计探讨
杨开明 （四川职业技术学院，四川遂宁６２９０００）
摘要：在分析ＰＬＣ控制系统故障分布情况的基础上，提出可靠性设计应遵守的基本准则，并阐述了系统可靠性与经济性 的关系。 关键词：ＰＬＣ；控制系统：可靠性：设计准则 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—２０９４（２００６）０４－０１０９－０３
ＰＬＣ是可编程序控制器的简称，是上个世纪７Ｏ年代以 来在电子技术、计算机技术、自动控制技术和通信技术发展 的基础上产生的一种新型的工业自动控制装置。因其具有功 能强、可靠性高、编程容易、维修方便、体积小、价格适宜 等优点而广泛应ｊ｛ｊ于工业控制领域，成为了现代工业控制的 三大支柱之一。尽管现代ＰＬＣ在设计制造时已采取了很多措 施，其可靠性不断提高，但是将它构成控制系统．则整个系 统的可靠性则不仅仅取决于ＰＬＣ本身，而是取决于构成系统 的每个环节。因此，可靠性问题是一个复杂的问题，它涉及 整个控制系统的．＆计、安装、运行的各个环节。本文在分析 ＰＬＣ控制系统故障分布情况的基础上，提出可靠性漫计应遵 守的基本准则，并阐述了系统可靠性与经济性的关系。 １ ＰＬＣ控制系统的基本组成 ＰＬＣ控制系统由硬件系统和软件系统组成。硬件系统主 要是指ＰＬＣ和生产现场设备。ＰＬＣ包括ＣＰＵ模块、Ｉ／Ｏ模 块、扩展模块及相关的网络与外部设各：生产现场设各是指 ＰＬＣ的输入、输出设备和电动机主电路及安全保护环节，如 各种开关、传感器、继电器、接触器、电磁阀、信号灯、仪 表、接线端子、电动机、连接导线等，如图１所示。软件系 统主要包括ＰＬＣ的系统程序和用户程序两大部分。
图１ ＰＬＣ控制系统的基本组成 ２ ＰＬＣ控制系统的可靠性简析 系统可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时问内完
《基于ARM+FPGA的嵌入式安全PLC设计与实现》 2
《基于ARM+FPGA的嵌入式安全PLC设计与实现》
一、引言
随着工业自动化和智能化的快速发展，可编程逻辑控制器（PLC）作为工业控制的核心设备，其安全性和可靠性显得尤为重要。传统的PLC设计往往面临计算能力有限、扩展性差、安全性不足等问题。为了解决这些问题，本文提出了一种基于ARM+FPGA的嵌入式安全PLC设计与实现方案。该方案结合了ARM的高性能处理能力和FPGA的并行计算优势，实现了PLC的高效、安全、可靠运行。
二、系统设计
1. 硬件设计
本系统采用ARM+FPGA的异构计算架构，其中ARM负责系统控制和数据处理，FPGA负责高速并行计算和信号处理。硬件设计包括ARM处理器、FPGA芯片、存储器、电源电路等部分。其中，ARM处理器选用高性能、低功耗的Cortex-A系列处理器，FPGA芯片选用具有高并行度、低功耗的系列芯片。
2. 软件设计
软件设计包括操作系统、PLC编程语言解释器、安全模块等部分。操作系统选用实时性强的嵌入式操作系统，如Linux或RTOS。PLC编程语言解释器负责将用户编写的PLC程序转换为机器代码，实现控制逻辑。安全模块负责保障系统的安全性和可靠性，包括密码算法、访问控制、故障恢复等功能。
3. 安全设计
为保障系统的安全性和可靠性，本系统采用了多种安全设计措施。首先，系统采用了密码算法对关键数据进行加密，防止数据被非法获取和篡改。其次，系统实现了访问控制功能，只有经过授权的用户才能对系统进行操作。此外，系统还具有故障恢复功能，当系统出现故障时，能够自动切换到备用系统或进行故障排除。
三、实现与测试
在硬件和软件设计的基础上，我们进行了系统的实现与测试。首先，我们根据设计要求完成了硬件电路的搭建和软件的编写。然后，我们进行了系统的调试和测试，包括功能测试、性能测试、安全测试等部分。
在测试过程中，我们发现在某些复杂控制逻辑下，系统的处理速度和准确性有待提高。为此，我们对FPGA的程序进行了优化，提高了其并行计算能力。经过优化后，系统的处理速度和准确性得到了显著提高，满足了工业控制的要求。
浅谈PLC控制系统的可靠性
科 科ｆ苑ｊ论ｊ谈 浅谈ＰＬＣ控制系统的可靠性 张斌 （哈工大电子仪器厂，黑龙江哈尔滨１５００００） 摘要：阐述了影响ＰＬＣ控制系统的可靠性的因素，并进一步提出通过设计正确的硬件线路，选择质量高的元器件，改善工作环境，编制监控 程序等措施，可以使ＰＬＣ控制系统的工作可靠性和稳定性得到很大的提高。 关键词：ＰＬＣ；控制系统；可靠性 可编程序控制器（以下简称ＰＬＣ）是在程 序控制器和微机控制器的基础上发展起来的微 机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 从广义上讲，ＰＬＣ是一种计算机系统，比一般计 算机具有更强的与工业过程相连接的输入输出 接口，并已成为自动化控制系统的基本装置。 用ＰＬＣ来控制系统设备，其工作的可靠性要比 单纯继电器和接触器控制大大提高。就ＰＬＣ本 身而言，平均无故障时间一般已可达３～５万小 时；而三菱的Ｆ系列，据称其平均无故障时间 已达３０万小时。所以，整个ＰＬＣ控制系统的可 靠性，主要取决于ＰＬＣ的外围设备，比如输入 器件中的行程开关、按钮、接近开关，输出器件 中的接触器、继电器和电磁阀等。另外，从软件 程序的编制来考虑，如果能编制出一个带有监 控的程序，对提高系统的可靠性也有很大好处。 下面就如何提高ＰＬＣ控制系统的可靠性进行 一些探讨。 １从ＰＬＣ的外围设备来考虑提高ＰＬＣ的 可靠性 ＰＬＣ是专门为工业生产环境而设计的控 制设备。当工作环境较为恶劣，如电磁干扰较 强、湿度高、电源、输入和输出电路等易受到干 扰时，会使控制系统的可靠性受到影响。 １．１工作环境的要求 除了为特殊工作环境而设计的ＰＬＣ外，一 般ＰＬＣ工作的环境温度应在０～５５℃的范围，并 要避免太阳光直接照射；安装时要远离大的热 源，保证足够大的散热空间和通风条件；空气的 相对湿度应小于８５％，不结露，以保证ＰＬＣ的 绝缘良好。ＰＬＣ应避免安装在有振动的场所；对 振动源允许的条件则应按照产品说明书的要 求，安装减振橡胶垫或采取其他防振措施。空气 中有粉尘和有害气体时，应将ＰＬＣ封闭安装。 １．２电源的要求 不同的ＰＬＣ产品，对电源的要求也不同， 这里包括电源的电压等级、频率、交流纹波系数 和输入输出的供电方式等。 对电磁干扰较强、而对ＰＬＣ可靠性要求又 较高的场合，ＰＬＣ的供电应与动力供电和控制 电路供电分开；必要时，可采用带屏蔽的隔离变 压器供电、串联ＬＣ滤波电路等。在设计时，外 接的直流电源应采用稳压电源，供电功率应留 有２０％～３０％的余量。对由控制器本身提供的直 流电源，应了解它所能提供的最大电流，防止过 电流造成设备的损坏。 １．３接地和接线 １．３．１ ＰＬＣ的良好接地是正常运行的前 提。在设计时，ＰＬＣ的接地应与动力设备的接地 分开，采用专用接地；如不能分开接地时，应采 用共用接地；绝对禁止采用共通接地方法。如 图Ｉ所示，接地点应尽可能靠近ＰＬＣ，接地线的 线径应大于４ｍｍ２￣接地电阻一般应小于１０ｎ。 圈 Ｔ｛
PLC冗余系统与性能分析
《工业控制计算机｝２０１３年第２６卷第１Ｏ期 １２１
ＰＬＣ冗余系统与性能分析
ＰＬＣ Ｒｅｄｕｎｄａｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ
胡田力 张云鹏 （天津工业大学电气与自动化学院，天津３００３８７）
摘 要 结合客户需求，通过热备硬件和软件冗余程序设计控制系统冗余方案。从热备硬件和冗余程序设计的角度分别分析了
冗余系统的可靠性和系统主备站切换时间，实践证明冗余系统的可行性与有效性。
关键词：热备硬件，冗余方案，可靠性，切换时间，有效性 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｃｕｓｔｏｍｅｒｓ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｂａｃｋｕｐ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ｐｒｏｇｒａｍ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ｓｃｈｅｍｅ．Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｃｋｕｐ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ｐｒｏｇｒａｍ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙ— ｓｉｓ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｅｄｕｎｄａｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｔｈｅ Ｍａｓｔｅｒ ａｎｄ ｓｌａｖｅ ｓｔａｔｉｏｎ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｉｍｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｈａｓ ｐｒｏｖｅｄ
ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｄｕｎｄａｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂａｃｋｕｐ ｈａｒｄｗａｒｅ，ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ｓｃｈｅｍｅ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｉｍｅ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ
某海洋石油污水处理厂采用双介质滤器处理含油污水，该设 备的电气控制柜最初采用三菱ＰＬＣ冗余系统实现对双介质滤器
系统控制，设备运行了十年。由于控制系统年久失修，系统的冗余 功能已经丧失。根据海洋石油ＨＳＯ（健康、安全、环保）理念，系统
软冗余和硬冗余的区别
软冗余和硬冗余的区别
从字⾯上讲，也就是实现的⽅式上：
1）软冗余是通过软件实现，也就是是西门⼦的SWR软件包；硬冗余，则是使⽤CPU417H；414H；412H来实现，对于PLC
本⾝的操作系统及硬件设置上均不同，硬冗余的同步机理为事件同步。
2）硬冗余的两个热备系统必须使⽤相同的PLC；软冗余的两个暖被系统可以使⽤不同的PLC。
3）硬冗余的同步链路采⽤同步模块和光纤，有长距，短距两种；软冗余则使⽤MPI，DP（CP343-5,CP443-5）和
IE（CP343－1，CP443－1），程序内部调⽤的是xsend/xrcv;AGsend/rcv以及Bsend/rcv（仅对400），这也就是为什么S7－
300 PN CPU ⽆法使⽤集成PN⼝来实现同步的原因。
从性能上来：
1）冗余的层级：软冗余⽆法进⾏IO冗余；IO冗余仅能在硬冗余⾥实现。
此外，Y－link仅能在硬冗余中实现。
2）系统切换的时间：硬冗余：PLC⽆切换时间，因为程序同时在两个CPU⾥运⾏，硬冗余⾥成为主动切换；被动切换，也就
是从站切换的时间<100ms；
对于软冗余，冗余程序仅在主CPU内执⾏，备⽤CPU仅执⾏⾮冗余段程序，切换时为整个系统的切换。切换时间取决于同步
链路的类型，速率和同步数据量的⼤⼩，DP从站的多少，多为秒级。
对于切换，软冗余系统中，DP从站的接⼝模板或DP链路故障均会造成主备CPU的切换，⽽引起整个系统的切换；⽽在硬冗
余中，从站的故障不会造成主备CPU的切换。
3）信息的丢失：2）提到了切换，很⾃然的，CPU间的切换可能导致部分信息，如报警的丢失，因为报警在当前激活的主
CPU 中进⾏处理。所以，软冗余系统中会存在信息的丢失；⽽硬冗余系统中，由于CPU间为事件同步的⽅式，且切换⽆时
间，保证了信息不会丢失，也就是硬冗余中所说的平滑切换。
4）通信架构：
400H系统与上位机间的通信有多种架构，需要使⽤CP1613和redconnect实现，⽹络构成⽅式：双通道，四通道，单环，双