1.2.1 下位機系統

下位機一般來講都是各種智能節點，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。該節點不僅完成數據采集功能，而且還能完成設備或過程的直接控制。這些智能采集設備與生產過程各種檢測與控制設備結合，實時感知設備各種參數的狀態，各種工藝參數值，并將這些狀態信號轉換成數字信號，并通過各種通信方式將下位機信息傳遞到上位機系統中，并且接受上位機的監控指令。典型的下位機有遠程終端單元RTU、可編程控制器PLC、近年才出現的PAC和智能儀表等。

1.遠程終端單元RTU

RTU（Remote Terminal Unit，RTU）是安裝在遠程現場的電子設備，用來監視和測量安裝在遠程現場的傳感器和設備。RTU將測得的狀態或信號轉換成可在通信媒體上發送的數據格式。它還將從中央計算機發送來的數據轉換成命令，實現對設備的遠程監控。許多工業控制廠家生產各種形式的RTU，不同廠家的RTU通常自成體系，即他們有自己的組網方式和編程軟件，開放性較差。

遠程測控終端RTU作為體現“測控分散、管理集中”思路的產品從20世紀80年代起介紹到中國并迅速得到廣泛的應用。它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的優點也得到用戶的肯定。

RTU的主要作用是進行數據采集及本地控制，進行本地控制時作為系統中一個獨立的工作站，這時RTU可以獨立地完成連鎖控制、前饋控制、反饋控制、PID等工業上常用的控制調節功能；進行數據采集時作為一個遠程數據通信單元，完成或響應本站與中心站或其他站的通信和遙控任務。RTU的主要配置有CPU模板、I/O（輸入/輸出）模板、通信接口單元，以及通信機、天線、電源、機箱等輔助設備。RTU能執行的任務流程取決于下載到CPU中的程序，CPU的程序可用工程中常用的編程語言編寫，如梯形圖、C語言等。I/O模板上的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模板一般都插接在RTU的總線板槽上，通過總線與CPU相連。這種結構易于I/O模板的更換和擴展。除I/O通道外，RTU的另一個重要的接口是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。與常用的工業控制設備PLC相比，RTU具有如下特點：

（1）同時提供多種通信端口和通信機制。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）。這些端口滿足遠程和本地的不同通信要求，包括與中心站建立通信，與智能設備（流量計、報警設備等）以及就地顯示單元和終端調試設備建立通信。通信協議采用Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus TCP/IP等標準協議，具有廣泛的兼容性。同時通信端口具有可編程特性，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。從產品配置來看，PLC提供的程序和數據存儲空間往往只有6～13KB，而RTU可提供1～32MB的大容量存儲空間。RTU的一個重要的產品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）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，適合無人值守站或室外應用的安裝。高度集成的電路設計增加了產品的可靠性，同時具有低功耗特性，簡化備用供電電路的設計。

（4）更適應惡劣環境應用的品質。PLC要求環境溫度在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，通常產品的設計工作環境溫度為-40～60℃。某些產品具有DNV（船級社）等認證，適合船舶、海上平臺等潮濕環境應用。

正是由于RTU完善的功能，使得RTU產品在SCADA系統中得到了大量的應用。國內外有許多公司從事相關產品的研發和生產。如美國SIXNET公司的VersaTRAK IPm、SiteTRAK RTU、RemoteTRAK RTU等系列產品；美國艾默生過程管理公司的ROC800、FB107；美國Motorola公司的MOSCAD遠程終端；美國OPTO 22公司的OPTOMUX及SNAP；澳大利亞埃波羅（ELPRO）公司的EP105一體化RTU等；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。

VersaTRAK IPm是最高級的RTU控制器，具有強大的通信功能和編程能力。VersaTRAK IPm內嵌Linux系統，具有源碼開放的優點，而控制器的所有應用無需了解Linux。VersaTRAK IPm與SIXNET的其他RTU控制器完全兼容。用戶原有的ISaGRAF程序無需更改即可應用。

艾默生ROC800是基于微處理技術的遠程控制器，它可以滿足各種現場自動化應用功能。可擴展的ROC800可以對站場及遠程設備進行遠程監視、測量和控制；能夠滿足需要流量計算、PID閉環控制和邏輯順序控制的應用場合。ROC800的背板支持中央處理單元（CPU）、電源輸入模塊、通信模塊和各種I/O模塊。ROC800可以通過最多4個I/O擴展基架進行擴展。每一個擴展基架帶1個背板和6個I/O插槽。當選用了全部4個擴展基架時，ROC800能最多擴展至27個插槽。

2.各種中、小型PLC

典型的小型PLC產品有三菱的FX2N系統PLC、西門子的S7200系統、OMRON的CPM1A等。一些中、大型的SCADA系統的下位機會選用中型的PLC產品，如三菱的Q系列、西門子的S7-300、A-B公司的ControlLogix和施耐德的Quantum系列等。由于這些產品性價比高、可靠性高、編程方便，因此，在各種SCADA系統中得到廣泛的應用。隨著現場總線技術的發展，現場總線在以PLC為下位機的系統中應用也不斷增長。

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

作為一種開放型的自動化控制設備，PAC在SCADA系統的下位機的應用逐步增多，主要的產品有：GE Fanuc公司的PACSystemsRX3i/7i、NI公司的Compact FieldPoint、Beckoff公司 的CX1000、泓格科技的WinCon/LinCon系列、μPAC-7186EX、A-B公司的CompactLogix和研華公司的ADAM-5510EKW等。

4.智能儀表

城市公用事業系統如水、電、氣的遠程監控，熱電企業的熱網計量與蒸汽計量的遠程監控也大量采用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，而遠程控制功能要求較低。在這類SCADA系統中，大量使用各種現場儀表做下位機，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傳統模擬儀表配套進行計量。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，可以直接采用具有通信接口的現場儀表直接作為下位機。

不管選用何種形式的下位機，其地位和作用是一樣的，它們與生產過程各種檢測與控制設備結合，實時感知設備各種參數的狀態，各種工藝參數值，并將這些狀態信號轉換成數字信號，并通過特定數字通信或數字網絡傳遞到上位機系統中；同時，下位機也可根據預先編寫的控制程序，完成現場設備的控制。

由于SCADA系統中上、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。這些功能在目前許多總線式I/O模塊中也得到了體現，如泓格7000系列部分I/O模塊，除了可以設置RS-485通信中斷時的安全數值外，還可以設定模塊上電值，這些措施不僅可以增強現場控制單元的自主性，而且提高了控制的可靠性。