1.3.1 下位机系统

下位机一般来讲是各种智能节点，这些下位机都有自己独立的系统软件和由用户开发的应用软件。这些智能节点不仅可以完成数据采集功能，还能完成对设备或过程的直接控制。这些智能采集设备与生产过程中的各种检测和控制设备结合，实时感知现场设备的各种状态信息（如运行、故障、高限位、低限位等）和工艺参数（如温度、压力、电流、电压、烟气中氮氧化物的浓度等）等过程信息，将这些信息转换成数字信号，并通过各种通信方式将下位机信息传递到上位机系统中，并且接收上位机的监控指令（如启动、停止、调速等）。

下位机的使用也有典型的行业特性。主要的下位机有远程终端单元、PLC、PAC、智能仪表和行业专用控制器（如楼宇自动化系统中的DDC、面向功能安全的安全控制器、电力测控和保护装置）等。近年来，随着工业互联网和边缘计算的兴起，新型的边缘控制器产品也不断出现，其功能已超越了传统下位机的范畴。

无论选用何种形式的下位机，其地位和作用都是一样的，它们与生产过程中的各种检测与控制设备结合，实时感知设备的各种状态参数、工艺参数，并将这些状态信息转换成数字信号，通过特定数字通信或数字网络传递到上位机中；同时，下位机也可以根据预先编写的控制程序完成对现场设备的控制。

由于在SCADA系统中，上位机和下位机的通信可能中断，因此要求下位机系统具有自主控制能力。此外，对于I/O模块，也要求其具有安全值设置等功能。如PLC和一些RTU的I/O模块可以设置初始状态或程序停止运行时的输出状态。

1.远程终端单元（Remote Terminal Unit，RTU）

RTU是一种针对通信距离较长且工业现场环境恶劣而设计的现场数字化测控单元，它将现场检测仪表和执行器与远程监控中心的上位机连接起来，具有远程数据采集、控制和通信功能，同时接收上位机的指令，控制末端执行器的动作。RTU作为体现“测控分散、管理集中”思路的产品，在提高信号传输可靠性、减轻主机负担、减少信号电缆用量、节省安装费用等方面具有一系列优点。

RTU的主要作用是进行数据采集及本地控制，当进行本地控制时，作为系统中一个独立的工作站，RTU可以独立完成连锁控制、前馈控制、反馈控制、PID等工业上常用的控制调节功能；当进行数据采集时，作为一个远程数据通信单元，RTU可以完成或响应本站与中心站或其他站的通信和遥控任务。

RTU有一体式和模块化两种结构。其硬件配置主要包括CPU模板、I/O模块、通信接口单元，以及通信机、天线、电源、机箱等辅助设备。I/O模块上的I/O通道是RTU与现场信号的接口，这些接口在符合工业标准的基础上有多种样式，满足多种信号类型。I/O模块一般都插接在RTU的总线板槽上，通过总线与CPU相连。这种结构易于I/O模块的更换和扩展。除I/O通道外，RTU的另一个重要接口是RTU的通信端口，RTU具有多个通信端口，以便支持多个通信链路。RTU能执行的任务流程取决于下载到CPU中的程序，早期，RTU产品主要是梯形图编程语言，甚至支持C语言编程。目前的RTU编程语言多数采用IEC61131-3国际标准规范语言。

与常用的PLC相比，RTU具有如下特点。

（1）同时提供多种通信端口和广泛的协议支持。RTU产品往往在设计之初就预集成了多个通信端口，包括以太网和串口（RS-232/RS-485）。这些端口满足远程通信和本地通信的不同要求，包括与中心站建立通信，与智能设备（流量计、报警设备等）、就地显示单元和终端调试设备建立通信。RTU产品采用Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus TCP/IP等标准协议，具有广泛的兼容性。面向电力等领域的RTU都支持DNP 3.0或IEC60870-5-101/4协议。一些新型产品还具有GSM/GPRS和视频模块，支持MQTT协议，数据可以直接上云平台。RTU产品的通信端口一般具有可编程特性，支持对非标准协议的通信定制。

（2）提供大容量程序和数据存储空间。RTU产品的一个重要特征是能够在特定的存储空间连续存储/记录数据，这些数据可标记时间标签。当通信中断时，RTU就地记录数据，通信恢复后，可补传和恢复数据。

（3）具有高度集成的、更紧凑的模块化结构设计。紧凑的、小型化的产品设计简化了系统集成工作，适合无人值守站点或室外应用的安装。高度集成的电路设计提高了产品的可靠性，同时具有低功耗特性，还可以简化备用供电电路的设计。

（4）更适应恶劣环境下的应用。PLC要求环境温度为0℃～55℃，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。否则会导致PLC部件的故障率提高，甚至损坏。RTU产品就是为适应恶劣环境而设计的，通常RTU产品的设计工作环境温度为-40℃～60℃。某些RTU产品具有DNV（挪威船级社）等认证，适合在船舶、海上平台等潮湿环境下应用。

正是RTU完善的功能使得RTU产品在SCADA系统中得到了大量应用。国内外有许多公司从事相关产品的研发和生产，但不同厂家的RTU通常自成体系，有自己的组网方式和编程软件，开放性较差。目前主要的RTU产品有美国SIXNET公司的VersaTRAK IPm、SiteTRAK RTU、Remote TRAK RTU等系列产品；MOX公司的OC、Unity和IoNix控制器；艾默生过程管理公司的ROC800、FB107；OPTO 22公司的OPTOMUX及SNAP；澳大利亚埃波罗（ELPRO）公司的EP105一体化RTU；北京安控科技股份有限公司的Super E40、E50；北京华迅通信电子技术公司的eNET无线RTU等。

RTU产品有鲜明的行业特性，不同行业的产品在功能和配置上有很大的不同。RTU主要运用在电力系统中，在其他需要遥测、遥控的应用领域也得到了广泛应用，如在油田、油气输送、水利等行业，RTU也有一定的使用。图1.14所示为油气行业常用一体化与模块式RTU，图1.15所示为电力行业常用RTU。

在电力自动化系统中，还有更加专业的现场终端设备，包括馈线终端设备（FTU）、配变终端设备（TTU）和开闭所终端设备（DTU）。

FTU是装设在馈线开关旁的开关监控装置。这些馈线开关指的是户外的柱上开关，如10kV线路上的断路器、负荷开关、分段开关等。一般来说，要求1台FTU监控1台柱上开关，主要原因是柱上开关大多分散安装，若遇到两者同杆架设的情况，则可用1台FTU监控两台柱上开关。

TTU监测并记录配电变压器的运行工况，根据低压侧三相电压、电流采样值，每隔1～2分钟计算一次电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能等运行参数，记录并保存一段时间（一周或一个月）上述数组的整点值，电压、电流的最大值、最小值及其出现时间，以及供电中断时间、恢复时间。配网主站通过通信系统定时读取TTU测量值及历史记录。TTU的构成与FTU类似，由于只有数据采集、记录与通信功能，而无控制功能，因此其结构要简单得多。

DTU一般安装在常规的开闭所（站）、户外小型开闭所、环网柜、小型变电站、箱式变电站等处，完成对开关设备的位置信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算，对开关进行分合闸操作，实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电。部分DTU还具备保护和备用电源自动投入的功能。

2.各种中小型PLC

典型的小型PLC产品有三菱的FX3U及FX5U、西门子的S7-200Smart及S7-1200、欧姆龙的CPM系列、罗克韦尔的MicroLogix等。一些中大型的SCADA系统的下位机会选用中大型PLC产品，如三菱的Q系列、西门子的S7-300和S7-1500、罗克韦尔的ControlLogix、施耐德的Quantum和M580系列等。由于这些产品性价比高、可靠性高、产品种类极为丰富、编程方便，因此在各种SCADA系统中得到越来越广泛的应用。

随着工业通信技术的发展，工业以太网和现场总线在以PLC为下位机的系统中的应用也不断增加。以工业以太网连接远程I/O从站与PLC控制主站的方式逐步淘汰了传统的现场总线连接方式。

3.可编程自动化控制器（Programmable Automation Controller，PAC）

近年来，主要的工业控制厂家都推出了一系列PAC产品，包括罗克韦尔自动化的ControlLogix5000系统、艾默生过程管理公司的PACSystem 3i和7i（从通用电气公司收购而来）、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、研华公司的ADAM-5550KW和APAX-5000系列等。这些生产PAC设备的厂家可以分为两类，一类是传统的PLC厂商，另一类是以生产工业PC和配套工业控制产品起家的厂商。测控仪器领域大厂——美国NI公司把用LabVIEW编程的Compact FieldPoint称作PAC，不过该产品不支持IEC61131-3的编程方式，严格来说，它并不是典型的PAC。相比而言，其他在传统PLC和基于PC的控制设备基础上衍生而来的产品更符合PAC的要求。

PLC、PAC和基于PC的控制设备是目前几种典型的工业控制设备，PLC和PAC从坚固性和可靠性上要高于PC，但PC的软件功能更强。一般认为，PAC是高端的工业控制设备，其综合功能更强，当然，其价格也比较贵。例如，倍福公司采用基于PC的控制技术的PAC产品，使用高性能的现代微处理器及支持多种编程语言的一体化集成软件开发平台，将PLC、可视化、运动控制、机器人技术、安全技术、状态监测和测量技术集成在同一个控制平台上，可提供具有良好开放性、高度灵活性、模块化和可升级的自动化系统，不仅可以作为控制器使用，还集成了监控功能，整体功能十分强大。当独立使用PLC或PC不能提供很好的解决方案时，该类产品是一个较好的选择。

4.智能仪表

城市公用事业系统（如对水、电、气的远程监控，对热电企业的热网计量，对蒸汽计量的远程监控）大量采用SCADA系统。与其他一些工业过程的SCADA系统相比，它们更加侧重数据采集、信息集中管理与远程监管，对远程控制功能的要求较低。在这类SCADA系统中，大量使用各种现场仪表作为下位机，如智能流量计量表、冷量热量表、智能巡检仪等。还可以采用各种智能控制仪表与模拟仪表配套计量。采用智能控制仪表后，下位机系统具有更强的控制功能，若不需要控制功能，则可以直接将具有通信接口的现场仪表作为下位机。近年来，以无线抄表方式构成的城市公用事业SCADA系统就是这类应用的发展示例。在这类应用中，采集终端先通过无线方式采集分散的用户仪表数据，再通过有线方式或无线方式与上层集中器或SCADA服务器通信。

5.边缘控制器

近年来，随着IT与OT的融合需求不断增加，以及云计算、大数据的兴起，如图1.16（a）所示的传统的数据采集、传输与处理方案不能很好地满足新需求。在数据源附近具有更强的数据处理与控制功能、人机界面功能、通信功能和信息安全功能，且易于部署、升级和维护的新的解决方案逐步出现，如图1.16（b）所示。这类解决方案不仅克服了传统解决方案的不足，还避免了工业数据传输到云平台时出现的通信瓶颈、信息安全和实时处理能力不足等问题。

新型解决方案的核心是边缘设备，边缘设备增强的计算等功能实现了数据在网络边缘侧（也是现场设备侧）的分析、处理与存储，不仅减少了对云端的依赖，还提高了数据的安全性。边缘计算对数据的本地处理、控制与通信的要求超出了传统的PLC等现场控制器的能力。因此，一种满足工业现场使用环境，集成PLC（包含本地和远程I/O）、PC（包含人机界面）、工业网关（包含部分信息安全功能）、机器视觉、设备联网等功能于一体的设备逐步出现。该设备能同时实现多重控制（过程控制、逻辑控制、运动控制）、数据采集与发布、实时运算、数据库连接与云端连接，并成为IT与OT融合的重要桥梁，这样的边缘设备称为边缘控制器（Edge Controller）。

边缘控制器的出现大大降低了数据传输节点的设备的数量，并简化了传输流程，使IT与OT的融合更加便捷，使系统的安全性和可靠性得以提高。目前，美国OPTO 22公司的groov EPIC、我国台湾研华公司的WISE-5580边缘控制器等产品都得到了应用。贝加莱公司根据用户的不同需求，推出了3类边缘控制器产品。在未来SCADA系统的开发中，边缘控制器有很大的应用潜力。

美国OPTO 22公司于2018年推出了groov EPIC（边缘可编程工业控制器）。该产品在硬件上采用工业四核ARM处理器和固态存储，集成双独立Gb以太网口、HDMI、USB、串口和Wi-Fi适配器，集成高分辨率彩色触摸屏，集成电源模块和I/O模块底板。该产品在软件上采用开源Linux操作系统及一系列控制/计算等编程环境、HMI开发和运行环境等，具体如下。

（1）基于Web的软件工具groov MANAGE，实现现场或远程配置，部署和调试功能。

（2）基于流程图的PAC Control编程环境，支持脚本及可视化调试，有450多个指令集。

（3）CODESYS V3开发环境及CODESYS runtime，支持IEC61131-3的5种语言。

（4）用于创建安全的操作界面软件groov View，用于EPIC触摸屏、移动或PC的Web浏览器。

（4）提供OPC-UA驱动的Ignition Edge，支持罗克韦尔、西门子和施耐德等的控制器。

（5）MQTT传输工具及Sparkplug载荷，用于进行有效的数据通信。

（6）开源Node-RED，用于连接云应用、数据库、数据流等API。

（7）RESTful API，用于EPIC控制器。

基于边缘控制器的从边缘到云端的工业互联网解决方案如图1.17所示。可以看出，边缘控制器在控制层面融合了传统控制器的功能，在监控层面实现了传统PC的功能，在网络通信层面实现了工业网关的功能；对OPC UA和MQTT等协议的支持满足了物联网应用对数据通信的需求；对SQL Server等数据库的支持满足了批处理等应用对数据访问的需求；对Node-RED、C/C++、Java和Python等语言的支持满足了IT与OT工程师开发各类应用程序时对编程语言的需求。