1.2.1 下位机系统

下位机一般来讲都是各种智能节点，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。该节点不仅完成数据采集功能，而且还能完成设备或过程的直接控制。这些智能采集设备与生产过程各种检测与控制设备结合，实时感知设备各种参数的状态，各种工艺参数值，并将这些状态信号转换成数字信号，并通过各种通信方式将下位机信息传递到上位机系统中，并且接受上位机的监控指令。典型的下位机有远程终端单元RTU、可编程控制器PLC、近年才出现的PAC和智能仪表等。

1.远程终端单元RTU

RTU（Remote Terminal Unit，RTU）是安装在远程现场的电子设备，用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。RTU将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。它还将从中央计算机发送来的数据转换成命令，实现对设备的远程监控。许多工业控制厂家生产各种形式的RTU，不同厂家的RTU通常自成体系，即他们有自己的组网方式和编程软件，开放性较差。

远程测控终端RTU作为体现“测控分散、管理集中”思路的产品从20世纪80年代起介绍到中国并迅速得到广泛的应用。它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的优点也得到用户的肯定。

RTU的主要作用是进行数据采集及本地控制，进行本地控制时作为系统中一个独立的工作站，这时RTU可以独立地完成连锁控制、前馈控制、反馈控制、PID等工业上常用的控制调节功能；进行数据采集时作为一个远程数据通信单元，完成或响应本站与中心站或其他站的通信和遥控任务。RTU的主要配置有CPU模板、I/O（输入/输出）模板、通信接口单元，以及通信机、天线、电源、机箱等辅助设备。RTU能执行的任务流程取决于下载到CPU中的程序，CPU的程序可用工程中常用的编程语言编写，如梯形图、C语言等。I/O模板上的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模板一般都插接在RTU的总线板槽上，通过总线与CPU相连。这种结构易于I/O模板的更换和扩展。除I/O通道外，RTU的另一个重要的接口是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。与常用的工业控制设备PLC相比，RTU具有如下特点：

（1）同时提供多种通信端口和通信机制。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）。这些端口满足远程和本地的不同通信要求，包括与中心站建立通信，与智能设备（流量计、报警设备等）以及就地显示单元和终端调试设备建立通信。通信协议采用Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus TCP/IP等标准协议，具有广泛的兼容性。同时通信端口具有可编程特性，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。从产品配置来看，PLC提供的程序和数据存储空间往往只有6～13KB，而RTU可提供1～32MB的大容量存储空间。RTU的一个重要的产品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）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，适合无人值守站或室外应用的安装。高度集成的电路设计增加了产品的可靠性，同时具有低功耗特性，简化备用供电电路的设计。

（4）更适应恶劣环境应用的品质。PLC要求环境温度在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，通常产品的设计工作环境温度为-40～60℃。某些产品具有DNV（船级社）等认证，适合船舶、海上平台等潮湿环境应用。

正是由于RTU完善的功能，使得RTU产品在SCADA系统中得到了大量的应用。国内外有许多公司从事相关产品的研发和生产。如美国SIXNET公司的VersaTRAK IPm、SiteTRAK RTU、RemoteTRAK RTU等系列产品；美国艾默生过程管理公司的ROC800、FB107；美国Motorola公司的MOSCAD远程终端；美国OPTO 22公司的OPTOMUX及SNAP；澳大利亚埃波罗（ELPRO）公司的EP105一体化RTU等；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。

VersaTRAK IPm是最高级的RTU控制器，具有强大的通信功能和编程能力。VersaTRAK IPm内嵌Linux系统，具有源码开放的优点，而控制器的所有应用无需了解Linux。VersaTRAK IPm与SIXNET的其他RTU控制器完全兼容。用户原有的ISaGRAF程序无需更改即可应用。

艾默生ROC800是基于微处理技术的远程控制器，它可以满足各种现场自动化应用功能。可扩展的ROC800可以对站场及远程设备进行远程监视、测量和控制；能够满足需要流量计算、PID闭环控制和逻辑顺序控制的应用场合。ROC800的背板支持中央处理单元（CPU）、电源输入模块、通信模块和各种I/O模块。ROC800可以通过最多4个I/O扩展基架进行扩展。每一个扩展基架带1个背板和6个I/O插槽。当选用了全部4个扩展基架时，ROC800能最多扩展至27个插槽。

2.各种中、小型PLC

典型的小型PLC产品有三菱的FX2N系统PLC、西门子的S7200系统、OMRON的CPM1A等。一些中、大型的SCADA系统的下位机会选用中型的PLC产品，如三菱的Q系列、西门子的S7-300、A-B公司的ControlLogix和施耐德的Quantum系列等。由于这些产品性价比高、可靠性高、编程方便，因此，在各种SCADA系统中得到广泛的应用。随着现场总线技术的发展，现场总线在以PLC为下位机的系统中应用也不断增长。

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

作为一种开放型的自动化控制设备，PAC在SCADA系统的下位机的应用逐步增多，主要的产品有：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和研华公司的ADAM-5510EKW等。

4.智能仪表

城市公用事业系统如水、电、气的远程监控，热电企业的热网计量与蒸汽计量的远程监控也大量采用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，而远程控制功能要求较低。在这类SCADA系统中，大量使用各种现场仪表做下位机，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传统模拟仪表配套进行计量。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，可以直接采用具有通信接口的现场仪表直接作为下位机。

不管选用何种形式的下位机，其地位和作用是一样的，它们与生产过程各种检测与控制设备结合，实时感知设备各种参数的状态，各种工艺参数值，并将这些状态信号转换成数字信号，并通过特定数字通信或数字网络传递到上位机系统中；同时，下位机也可根据预先编写的控制程序，完成现场设备的控制。

由于SCADA系统中上、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。这些功能在目前许多总线式I/O模块中也得到了体现，如泓格7000系列部分I/O模块，除了可以设置RS-485通信中断时的安全数值外，还可以设定模块上电值，这些措施不仅可以增强现场控制单元的自主性，而且提高了控制的可靠性。