1.3.1 下位機系統

下位機一般來講是各種智能節點，這些下位機都有自己獨立的系統軟件和由用戶開發的應用軟件。這些智能節點不僅可以完成數據采集功能，還能完成對設備或過程的直接控制。這些智能采集設備與生產過程中的各種檢測和控制設備結合，實時感知現場設備的各種狀態信息（如運行、故障、高限位、低限位等）和工藝參數（如溫度、壓力、電流、電壓、煙氣中氮氧化物的濃度等）等過程信息，將這些信息轉換成數字信號，并通過各種通信方式將下位機信息傳遞到上位機系統中，并且接收上位機的監控指令（如啟動、停止、調速等）。

下位機的使用也有典型的行業特性。主要的下位機有遠程終端單元、PLC、PAC、智能儀表和行業專用控制器（如樓宇自動化系統中的DDC、面向功能安全的安全控制器、電力測控和保護裝置）等。近年來，隨著工業互聯網和邊緣計算的興起，新型的邊緣控制器產品也不斷出現，其功能已超越了傳統下位機的范疇。

無論選用何種形式的下位機，其地位和作用都是一樣的，它們與生產過程中的各種檢測與控制設備結合，實時感知設備的各種狀態參數、工藝參數，并將這些狀態信息轉換成數字信號，通過特定數字通信或數字網絡傳遞到上位機中；同時，下位機也可以根據預先編寫的控制程序完成對現場設備的控制。

由于在SCADA系統中，上位機和下位機的通信可能中斷，因此要求下位機系統具有自主控制能力。此外，對于I/O模塊，也要求其具有安全值設置等功能。如PLC和一些RTU的I/O模塊可以設置初始狀態或程序停止運行時的輸出狀態。

1.遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）

RTU是一種針對通信距離較長且工業現場環境惡劣而設計的現場數字化測控單元，它將現場檢測儀表和執行器與遠程監控中心的上位機連接起來，具有遠程數據采集、控制和通信功能，同時接收上位機的指令，控制末端執行器的動作。RTU作為體現“測控分散、管理集中”思路的產品，在提高信號傳輸可靠性、減輕主機負擔、減少信號電纜用量、節省安裝費用等方面具有一系列優點。

RTU的主要作用是進行數據采集及本地控制，當進行本地控制時，作為系統中一個獨立的工作站，RTU可以獨立完成連鎖控制、前饋控制、反饋控制、PID等工業上常用的控制調節功能；當進行數據采集時，作為一個遠程數據通信單元，RTU可以完成或響應本站與中心站或其他站的通信和遙控任務。

RTU有一體式和模塊化兩種結構。其硬件配置主要包括CPU模板、I/O模塊、通信接口單元，以及通信機、天線、電源、機箱等輔助設備。I/O模塊上的I/O通道是RTU與現場信號的接口，這些接口在符合工業標準的基礎上有多種樣式，滿足多種信號類型。I/O模塊一般都插接在RTU的總線板槽上，通過總線與CPU相連。這種結構易于I/O模塊的更換和擴展。除I/O通道外，RTU的另一個重要接口是RTU的通信端口，RTU具有多個通信端口，以便支持多個通信鏈路。RTU能執行的任務流程取決于下載到CPU中的程序，早期，RTU產品主要是梯形圖編程語言，甚至支持C語言編程。目前的RTU編程語言多數采用IEC61131-3國際標準規范語言。

與常用的PLC相比，RTU具有如下特點。

（1）同時提供多種通信端口和廣泛的協議支持。RTU產品往往在設計之初就預集成了多個通信端口，包括以太網和串口（RS-232/RS-485）。這些端口滿足遠程通信和本地通信的不同要求，包括與中心站建立通信，與智能設備（流量計、報警設備等）、就地顯示單元和終端調試設備建立通信。RTU產品采用Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus TCP/IP等標準協議，具有廣泛的兼容性。面向電力等領域的RTU都支持DNP 3.0或IEC60870-5-101/4協議。一些新型產品還具有GSM/GPRS和視頻模塊，支持MQTT協議，數據可以直接上云平臺。RTU產品的通信端口一般具有可編程特性，支持對非標準協議的通信定制。

（2）提供大容量程序和數據存儲空間。RTU產品的一個重要特征是能夠在特定的存儲空間連續存儲/記錄數據，這些數據可標記時間標簽。當通信中斷時，RTU就地記錄數據，通信恢復后，可補傳和恢復數據。

（3）具有高度集成的、更緊湊的模塊化結構設計。緊湊的、小型化的產品設計簡化了系統集成工作，適合無人值守站點或室外應用的安裝。高度集成的電路設計提高了產品的可靠性，同時具有低功耗特性，還可以簡化備用供電電路的設計。

（4）更適應惡劣環境下的應用。PLC要求環境溫度為0℃～55℃，安裝時不能放在發熱量大的元件下面，四周通風散熱的空間應足夠大。為了保證PLC的絕緣性能，空氣的相對濕度應小于85%（無凝露）。否則會導致PLC部件的故障率提高，甚至損壞。RTU產品就是為適應惡劣環境而設計的，通常RTU產品的設計工作環境溫度為-40℃～60℃。某些RTU產品具有DNV（挪威船級社）等認證，適合在船舶、海上平臺等潮濕環境下應用。

正是RTU完善的功能使得RTU產品在SCADA系統中得到了大量應用。國內外有許多公司從事相關產品的研發和生產，但不同廠家的RTU通常自成體系，有自己的組網方式和編程軟件，開放性較差。目前主要的RTU產品有美國SIXNET公司的VersaTRAK IPm、SiteTRAK RTU、Remote TRAK RTU等系列產品；MOX公司的OC、Unity和IoNix控制器；艾默生過程管理公司的ROC800、FB107；OPTO 22公司的OPTOMUX及SNAP；澳大利亞埃波羅（ELPRO）公司的EP105一體化RTU；北京安控科技股份有限公司的Super E40、E50；北京華迅通信電子技術公司的eNET無線RTU等。

RTU產品有鮮明的行業特性，不同行業的產品在功能和配置上有很大的不同。RTU主要運用在電力系統中，在其他需要遙測、遙控的應用領域也得到了廣泛應用，如在油田、油氣輸送、水利等行業，RTU也有一定的使用。圖1.14所示為油氣行業常用一體化與模塊式RTU，圖1.15所示為電力行業常用RTU。

在電力自動化系統中，還有更加專業的現場終端設備，包括饋線終端設備（FTU）、配變終端設備（TTU）和開閉所終端設備（DTU）。

FTU是裝設在饋線開關旁的開關監控裝置。這些饋線開關指的是戶外的柱上開關，如10kV線路上的斷路器、負荷開關、分段開關等。一般來說，要求1臺FTU監控1臺柱上開關，主要原因是柱上開關大多分散安裝，若遇到兩者同桿架設的情況，則可用1臺FTU監控兩臺柱上開關。

TTU監測并記錄配電變壓器的運行工況，根據低壓側三相電壓、電流采樣值，每隔1～2分鐘計算一次電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數、有功電能、無功電能等運行參數，記錄并保存一段時間（一周或一個月）上述數組的整點值，電壓、電流的最大值、最小值及其出現時間，以及供電中斷時間、恢復時間。配網主站通過通信系統定時讀取TTU測量值及歷史記錄。TTU的構成與FTU類似，由于只有數據采集、記錄與通信功能，而無控制功能，因此其結構要簡單得多。

DTU一般安裝在常規的開閉所（站）、戶外小型開閉所、環網柜、小型變電站、箱式變電站等處，完成對開關設備的位置信號、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電能量等數據的采集與計算，對開關進行分合閘操作，實現對饋線開關的故障識別、隔離和對非故障區間的恢復供電。部分DTU還具備保護和備用電源自動投入的功能。

2.各種中小型PLC

典型的小型PLC產品有三菱的FX3U及FX5U、西門子的S7-200Smart及S7-1200、歐姆龍的CPM系列、羅克韋爾的MicroLogix等。一些中大型的SCADA系統的下位機會選用中大型PLC產品，如三菱的Q系列、西門子的S7-300和S7-1500、羅克韋爾的ControlLogix、施耐德的Quantum和M580系列等。由于這些產品性價比高、可靠性高、產品種類極為豐富、編程方便，因此在各種SCADA系統中得到越來越廣泛的應用。

隨著工業通信技術的發展，工業以太網和現場總線在以PLC為下位機的系統中的應用也不斷增加。以工業以太網連接遠程I/O從站與PLC控制主站的方式逐步淘汰了傳統的現場總線連接方式。

3.可編程自動化控制器（Programmable Automation Controller，PAC）

近年來，主要的工業控制廠家都推出了一系列PAC產品，包括羅克韋爾自動化的ControlLogix5000系統、艾默生過程管理公司的PACSystem 3i和7i（從通用電氣公司收購而來）、施耐德的PAC和ePAC、倍福Beckoff公司的CX1000、泓格科技的WinCon/LinCon系列和PAC-7186EX、研華公司的ADAM-5550KW和APAX-5000系列等。這些生產PAC設備的廠家可以分為兩類，一類是傳統的PLC廠商，另一類是以生產工業PC和配套工業控制產品起家的廠商。測控儀器領域大廠——美國NI公司把用LabVIEW編程的Compact FieldPoint稱作PAC，不過該產品不支持IEC61131-3的編程方式，嚴格來說，它并不是典型的PAC。相比而言，其他在傳統PLC和基于PC的控制設備基礎上衍生而來的產品更符合PAC的要求。

PLC、PAC和基于PC的控制設備是目前幾種典型的工業控制設備，PLC和PAC從堅固性和可靠性上要高于PC，但PC的軟件功能更強。一般認為，PAC是高端的工業控制設備，其綜合功能更強，當然，其價格也比較貴。例如，倍福公司采用基于PC的控制技術的PAC產品，使用高性能的現代微處理器及支持多種編程語言的一體化集成軟件開發平臺，將PLC、可視化、運動控制、機器人技術、安全技術、狀態監測和測量技術集成在同一個控制平臺上，可提供具有良好開放性、高度靈活性、模塊化和可升級的自動化系統，不僅可以作為控制器使用，還集成了監控功能，整體功能十分強大。當獨立使用PLC或PC不能提供很好的解決方案時，該類產品是一個較好的選擇。

4.智能儀表

城市公用事業系統（如對水、電、氣的遠程監控，對熱電企業的熱網計量，對蒸汽計量的遠程監控）大量采用SCADA系統。與其他一些工業過程的SCADA系統相比，它們更加側重數據采集、信息集中管理與遠程監管，對遠程控制功能的要求較低。在這類SCADA系統中，大量使用各種現場儀表作為下位機，如智能流量計量表、冷量熱量表、智能巡檢儀等。還可以采用各種智能控制儀表與模擬儀表配套計量。采用智能控制儀表后，下位機系統具有更強的控制功能，若不需要控制功能，則可以直接將具有通信接口的現場儀表作為下位機。近年來，以無線抄表方式構成的城市公用事業SCADA系統就是這類應用的發展示例。在這類應用中，采集終端先通過無線方式采集分散的用戶儀表數據，再通過有線方式或無線方式與上層集中器或SCADA服務器通信。

5.邊緣控制器

近年來，隨著IT與OT的融合需求不斷增加，以及云計算、大數據的興起，如圖1.16（a）所示的傳統的數據采集、傳輸與處理方案不能很好地滿足新需求。在數據源附近具有更強的數據處理與控制功能、人機界面功能、通信功能和信息安全功能，且易于部署、升級和維護的新的解決方案逐步出現，如圖1.16（b）所示。這類解決方案不僅克服了傳統解決方案的不足，還避免了工業數據傳輸到云平臺時出現的通信瓶頸、信息安全和實時處理能力不足等問題。

新型解決方案的核心是邊緣設備，邊緣設備增強的計算等功能實現了數據在網絡邊緣側（也是現場設備側）的分析、處理與存儲，不僅減少了對云端的依賴，還提高了數據的安全性。邊緣計算對數據的本地處理、控制與通信的要求超出了傳統的PLC等現場控制器的能力。因此，一種滿足工業現場使用環境，集成PLC（包含本地和遠程I/O）、PC（包含人機界面）、工業網關（包含部分信息安全功能）、機器視覺、設備聯網等功能于一體的設備逐步出現。該設備能同時實現多重控制（過程控制、邏輯控制、運動控制）、數據采集與發布、實時運算、數據庫連接與云端連接，并成為IT與OT融合的重要橋梁，這樣的邊緣設備稱為邊緣控制器（Edge Controller）。

邊緣控制器的出現大大降低了數據傳輸節點的設備的數量，并簡化了傳輸流程，使IT與OT的融合更加便捷，使系統的安全性和可靠性得以提高。目前，美國OPTO 22公司的groov EPIC、我國臺灣研華公司的WISE-5580邊緣控制器等產品都得到了應用。貝加萊公司根據用戶的不同需求，推出了3類邊緣控制器產品。在未來SCADA系統的開發中，邊緣控制器有很大的應用潛力。

美國OPTO 22公司于2018年推出了groov EPIC（邊緣可編程工業控制器）。該產品在硬件上采用工業四核ARM處理器和固態存儲，集成雙獨立Gb以太網口、HDMI、USB、串口和Wi-Fi適配器，集成高分辨率彩色觸摸屏，集成電源模塊和I/O模塊底板。該產品在軟件上采用開源Linux操作系統及一系列控制/計算等編程環境、HMI開發和運行環境等，具體如下。

（1）基于Web的軟件工具groov MANAGE，實現現場或遠程配置，部署和調試功能。

（2）基于流程圖的PAC Control編程環境，支持腳本及可視化調試，有450多個指令集。

（3）CODESYS V3開發環境及CODESYS runtime，支持IEC61131-3的5種語言。

（4）用于創建安全的操作界面軟件groov View，用于EPIC觸摸屏、移動或PC的Web瀏覽器。

（4）提供OPC-UA驅動的Ignition Edge，支持羅克韋爾、西門子和施耐德等的控制器。

（5）MQTT傳輸工具及Sparkplug載荷，用于進行有效的數據通信。

（6）開源Node-RED，用于連接云應用、數據庫、數據流等API。

（7）RESTful API，用于EPIC控制器。

基于邊緣控制器的從邊緣到云端的工業互聯網解決方案如圖1.17所示。可以看出，邊緣控制器在控制層面融合了傳統控制器的功能，在監控層面實現了傳統PC的功能，在網絡通信層面實現了工業網關的功能；對OPC UA和MQTT等協議的支持滿足了物聯網應用對數據通信的需求；對SQL Server等數據庫的支持滿足了批處理等應用對數據訪問的需求；對Node-RED、C/C++、Java和Python等語言的支持滿足了IT與OT工程師開發各類應用程序時對編程語言的需求。