《工業控制網路安全技術與實踐》一一2.3　工業控制系統中的常用控制器

本節書摘來自華章出版社《工業控制網路安全技術與實踐》一 書中的第2章，第2.3節，作者：姚　羽　祝烈煌　武傳坤　 ，更多章節內容可以訪問雲棲社群“華章計算機”公眾號檢視。

2.3　工業控制系統中的常用控制器

控制器（Controller）是指按照預定順序通過改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻值來控制電動機的啟動、調速、制動和反向的主令裝置，是釋出命令的“決策機構”，完成協調和指揮整個計算機系統的操作。
在工業控制系統中，常見的控制器有可程式設計邏輯控制器（PLC）、可程式設計自動化控制器（PAC）、遠端終端單元（RTU）等，下面分別加以介紹。
2.3.1　可程式設計邏輯控制器
可程式設計邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種特殊的控制器，是專為工業環境應用而設計的數字運算電子系統。
PLC 控制系統主要有以下6個特點：
1）通訊性和靈活性強，應用廣泛。
2）可靠性高，抗干擾的能力極強。
3）產品系列化、規模化，功能完備，效能優良。
4）編制程式簡單、容易。
5）設計、安裝、除錯周期短，擴充容易。
6）體積小、重量輕，維護方便。
近年來，隨著大規模積體電路技術的迅猛發展，功能更強大、規模不斷擴大而價格日趨低廉的元器件不斷湧現，促使PLC產品亦隨之功能大增但成本下降。目前PLC的應用已經遠遠超越了早期僅用於開關量控制的局面，現將其應用領域簡述如下。
（1）開關量邏輯控制
這是PLC最廣泛的應用。開關量邏輯控制已逐步取代傳統的繼電器邏輯控制裝置，被用於單機或多機控制系統以及自動生產線上。PLC控制開關量的能力是很強的，所控制的入、出點數有時多達幾萬點。由於可以聯網，所以點數幾乎不受限制。所控制的如組合的、時序的、要考慮延時的、需要進行高速計數等的邏輯問題都可以解決。
（2）運動控制
目前很多廠商已經開發出大量運動控制模組，且功能是給步進電動機或伺服電動機等提供單軸或多軸的位置控制，並在控制中滿足適當的速度和加速度，以保證運動的平滑水準。
（3）過程控制
當前PLC產品中，還有一大類是針對生產過程引數，如溫度、流量、壓力、速度等的檢測和控制而設計的。常用的有模擬量I/O模組，通過這些模組不僅可以實現A/D和D/A轉換，還可以進一步構成閉環，實現PID一類的生產過程調節。而針對PID閉環調節，又有專門的模組，可以更方便地實施。這些產品往往還引入了智慧控制。
（4）資料處理
現代的PLC已具有資料傳送、排序、查表搜尋、位操作以及邏輯運算、函式運算、矩陣運算等多種資料採集、分析、處理功能。目前還有不少公司，將PLC的資料處理功能與計算機數值控制（CNC）裝置的功能緊密結合在一起，開發了用於CNC的PLC產品。
（5）通訊
隨著網路的發展和計算機集散控制系統的逐步普及，PLC的網路化通訊產品也在大量被推出。這些產品解決了PLC之間、PLC與其擴充套件部分之間、PLC與上級計算機之間或其他網路間的通訊問題。
需要注意的是，並非所有PLC都具有上述全部功能，越小型的PLC其功能相應也越少[6]。
2.3.2　可程式設計自動化控制器
可程式設計自動化控制器（PAC）的定義為：由一個輕便的控制引擎支援，且對多種應用使用同一種開發工具。PAC系統保證了控制系統功能的統一整合，而不僅僅是一個完全無關的部件拼湊的整合。
PAC定義了幾種特徵和效能：
1）多領域的功能，包括邏輯控制、運動控制、過程控制和人機介面。
2）一個滿足多領域自動化系統設計和整合的通用開發平臺。
3）允許OEM（Original Equipment Manufacturer，原始裝置製造商）和終端使用者在統一平臺上部署多個控制應用。
4）有利於開放、模組化控制架構來適應高度分佈性自動化工廠環境。
5）對於網路協議、語言等，使用既定事實標準來保證多供應商網路的資料交換[7]。
雖然PAC形式與傳統PLC很相似，但其效能卻比PLC廣泛和全面得多。PAC是一種多功能控制器平臺，它包含多種使用者可按照自己意願組合搭配和實施的技術和產品。與其相反，PLC是一種基於專有架構的產品，僅僅具備了製造商認為必要的效能。
PAC與PLC根本的不同在於它們的基礎不同。PLC的效能依賴於專用硬體，應用程式的執行是依靠專用硬體晶片實現的。硬體的非通用性會導致系統的功能前景和開放性受到限制，由於是專用作業系統，其實時可靠性與功能都無法與通用實時作業系統相比，這樣導致了PLC整體效能的專用性和封閉性。
PAC的效能基於其輕便控制引擎，標準、通用、開放的實時作業系統，嵌入式硬體系統設計以及背板匯流排。PLC的使用者應用程式執行是通過硬體實現的，而PAC設計了一個通用、軟體形式的控制引擎用於應用程式的執行。控制引擎位於實時作業系統與應用程式之間，這個控制引擎與硬體平臺無關，可在不同平臺的PAC系統間移植。因此對於使用者來說，同樣的應用程式不需修改即可下載到不同PAC硬體系統中，使用者只需根據系統功能需求和投資預算選擇不同效能的PAC平臺。這樣，根據使用者需求的迅速擴充套件和變化，使用者系統和程式無須變化，即可無縫移植[8]。
PAC具有如下優點。
1）提高生產率和操作效率：一個通用輕便控制引擎和綜合工程開發平臺允許快速地開發、實施和遷移；且由於它的開放性和靈活性，確保了控制、操作、企業級業務系統的無縫整合，優化了工廠流程。
2）降低操作成本：使用通用、標準架構和網路，降低了操作成本，讓工程師們能為一個體現成本效益、使用現貨供應的平臺選擇不同系統部件，而不是專有產品和技術（只要求使用者在一個統一平臺和開發環境上培訓，而不是幾種）；且為使用者提供了一個無縫遷移路徑，保護在I/O和應用開發方面的投資。
3）使使用者對其控制系統擁有更多控制力：使使用者擁有更多靈活性來選擇適合每種特殊應用的硬體和程式語言，以他們自己的時間表來規劃升級，並且可在任何地方設計、製造產品。
隨著市場的需要，PAC技術在未來的幾年內將朝著以下幾個方向進一步發展。
（1）裝置規格的多樣化
為了滿足各種實際生產狀況的需要，PAC的規格將會呈現出多樣化的發展趨勢。在具體的生產環境中，選擇合適的控制系統要求的PAC，有利於降低成本。
（2）支援更多的控制功能
目前，PAC已經將邏輯、運動、過程控制等高階功能整合到了單一的平臺上。而未來，PAC將進一步融合更多的功能，如對於安全性的考慮、批處理等。當資訊被越來越廣泛地使用時，其安全性將成為需要考慮的第一因素。
（3）商業系統的整合
為了實現真正的實時性，自動化裝置供應商將在PAC內部繼續建立商業系統的連線通道而不依賴於其他連線裝置。PAC將內嵌製造執行系統（MES）的一些屬性，如標準介面的建立，它將有利於更好地解決控制層和管理層之間的連線問題。
（4）簡單的系統維護
PAC將往更小化、更智慧化的方向發展，但同時它將擁有更出眾的資料處理能力。其軟體可以監控機器運轉狀況，硬體可以完成複雜的自檢工作。為了提高生產率、增加利潤，企業就必須及時有效地傳遞資料資訊。PAC的這種資料處理能力可以滿足使用者在任何時間通過任何形式（如E-mail、網頁）對資料進行維護。
（5）延長產品的生命週期
通過採用新技術來獲得更高生產效率固然十分重要，但是新技術的使用是否會大幅增加成本和培訓費也是廠家十分關注的問題。PAC未來平臺將仍然採用標準化的設計，其買主可以繼續使用原來的商業技術和乙太網等標準，從而有效地降低對成本的投入[9]。
2.3.3　遠端終端單元
遠端終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）是安裝在遠端現場的電子裝置，用來對遠端現場的感測器和裝置狀態進行監視和控制，負責對現場訊號、工業裝置的監測和控制，獲得裝置資料，並將資料傳給 SCADA 系統的排程中心[10]。
RTU作為一種遠端測控單元裝置，可以用各種不同的硬體和軟體來實現，這取決於被控現場的性質、系統的複雜性、對資料通訊的要求、實時報警報告、模擬訊號測量精度、狀態監控、裝置的調節控制和開關控制。通常，RTU 要具有優良的通訊能力和更大的儲存容量，適用於更惡劣的溫度和溼度環境，實現複雜的特殊演算法，提供更多的計算功能和控制能力[11]。
RTU具有以下4個特點：
1）通訊距離較長。
2）用於各種惡劣的工業現場。
3）模組結構化設計，便於擴充套件。
4）在具有遙信、遙測、遙控、遙調領域的水利、電力排程、市政排程等行業廣泛使用。
在遠端測控系統中，RTU 是實現遠端通訊的關鍵裝置，承擔著中心站和測站間資訊的上傳下達工作，它主要有遙信、遙測、遙控和遙調4個功能[12]。
遙信功能：要求採用無源接點方式即某一路遙信量的輸入應是一對繼電器的觸點，或者是閉合，或者是斷開。通過遙信端子板將繼電器觸點的閉合或斷開轉換成為低電平或高電平訊號送入RTU。遙信功能通常用於測量開關的位置訊號、變壓器內部故障綜合訊號、保護裝置的動作訊號、通訊裝置執行狀態訊號、調壓變壓器抽頭位置訊號等。
遙測功能：通過採集現場各種感測器和變送器的訊號獲得現場各種物理引數，將採集到的變數儲存、編碼成遙測資訊，按通訊規約傳送給監控中心。遙測量可以是水情測報系統中的溫度、壓力、液位、流量，以及變電站引數監控中的電流、電壓、功率等模擬量。
遙控功能：由監控中心對現場裝置實行遠端操控，如啟動或關停某裝置、開啟或關閉某閥門。在遙控過程中，監控中心發往RTU的命令有3種，即遙控選擇命令、遙控執行命令和遙控撤銷命令。遙控選擇命令包括兩個部分，一是選擇的物件，用物件碼指定對哪一個物件進行操作；另一個是遙控操作的性質，用操作性質碼指示。遙控執行命令指示RTU按接收到的選擇命令執行指定操作。遙控撤銷命令指示RTU撤銷已下達的選擇命令。
遙調功能：監控中心對被控站某些裝置的工作狀態和引數的調整。
除了在傳統的工業生產過程中大量應用之外，在測控點特別分散的場合，遠端終端單元也得到廣泛的應用，例如，城市供水自動化控制系統，城市廢水處理系統，城市煤氣管網綜合排程系統，天然氣、石油行業自動化系統，電力遠端資料集控系統，熱網管道自動化控制，大氣/水質等環保監測，水情水文測報系統，燈塔信標、江河航運、港口、礦山排程系統等，RTU發揮著越來越重要的作用[12]。
隨著國內工業企業SCADA系統的應用與發展，RTU產品在市場中越來越多，但國外RTU產品佔有較大的份額。目前這種狀況日益得到改善，國內的RTU產品正在不斷髮展和成熟中。
RTU 的發展歷程是與“四遙”工程技術相聯絡的。所謂“四遙”工程技術是指遙信、遙測、遙控、遙調技術，是對人們不易到達地點的物理變化過程、生產過程等進行檢測、調節、控制的技術。“四遙”系統工程是多學科、多專業的高新技術系統工程，涉及計算機、機械、無線電、自動控制等技術，還涉及感測器技術、儀器儀表技術、非電量測量技術、軟體工程、無線電通訊技術、資料通訊技術、網路技術、資訊處理技術等高新技術。因此，RTU 的發展將必然會隨著“四遙”工程技術的發展而發展[13]。
隨著測控技術、通訊技術、計算機技術等新技術的發展；遠端測控終端向著通用性強、靈活性高、小型化、更加智慧化方向發展；能夠檢測多種型別物理引數，具有更快響應速度、更大儲存能力、有線和無線多種通訊方式、更強的資訊互動能力、更加靈活的組態配置能力，適應各種不同應用場合的 RTU產品將被開發出來，給現代工業生產、管理、科學研究等領域帶來更大的便利，對人們的生活方式產生更大的影響。