基于IEC61131-3規(guī)范的工業(yè)化RTU實現(xiàn)技術(shù)分析與研究

王開明

（貴州航天凱山石油儀器有限公司，貴陽550009）

1 引言

RTU（Remote Terminal Unit），中文全稱為遠(yuǎn)程終端控制單元，負(fù)責(zé)對現(xiàn)場信號、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測和控制,是SCADA系統(tǒng)的基本組成單元。它通過自身的軟件(或智能軟件)系統(tǒng)，可方便地實現(xiàn)企業(yè)中央監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)對生產(chǎn)現(xiàn)場一次儀表的遙測、遙控、遙信和遙調(diào)等功能。

2 RTU產(chǎn)品介紹

2.1 市場上同類產(chǎn)品

在國際市場上，RTU產(chǎn)品的市場前景廣闊。除幾個大品牌RTU廠商外，一些大型綜合自動化公司，近年來也開始涉足RTU行業(yè)。目前RTU產(chǎn)品市場雖然競爭日趨激烈，但由于其應(yīng)用范圍寬廣，市場需求還是非常充足。（表1）

在國內(nèi)市場上，隨著工業(yè)企業(yè)SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展，RTU在廣域范圍內(nèi)應(yīng)用的杰出表現(xiàn)使之受到相應(yīng)的重視，國內(nèi)一批具有前瞻性戰(zhàn)略眼光的自動化制造商進(jìn)行了專業(yè)的研發(fā)與制造?？偟目磥恚捎趪鴥?nèi)RTU研發(fā)起步較晚，綜合研發(fā)實力較低，采用國外品牌的RTU產(chǎn)品居多，國內(nèi)RTU品牌的產(chǎn)品尚未形成應(yīng)有的市場。

隨著國內(nèi)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)與發(fā)展，這種狀況正在發(fā)生變化?，F(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)有多家公司能自主研制可編程RTU，并且成功應(yīng)用在包括油田集輸監(jiān)控在內(nèi)的多個工控領(lǐng)域。在國內(nèi)高端市場上，真正RTU產(chǎn)品公司的主要競爭對手是國外的RTU廠商和少數(shù)國內(nèi)的RTU產(chǎn)品公司。由于受技術(shù)水平的限制，國內(nèi)目前只有極少數(shù)公司在技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)上可以和國際自動化公司制造的RTU產(chǎn)品相比擬。

表2 國內(nèi)油田主要RTU廠家

2.2 新技術(shù)發(fā)展情況

早期的RTU只能進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)采集，和一些開關(guān)量的控制且通信能力較弱，多數(shù)產(chǎn)品采用自定義的非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。隨著半導(dǎo)體、網(wǎng)絡(luò)和通信、自動化控制等技術(shù)的飛速發(fā)展，新技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種自動控制系統(tǒng)裝置上，使得RTU的數(shù)據(jù)處理能力和控制能力得到很大提高，通信協(xié)議從以前的自定義封閉狀態(tài)向開放式協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展（符合IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)）。

未來，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，RTU正朝著智能化的方向發(fā)展，智能RTU具備PID控制功能、自動檢測、自動存儲、加密傳輸、拒絕非法IP地址訪問等，并可實現(xiàn)RTU自身及下層互連智能儀表的遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程設(shè)備管理等功能[1]。

3 市場需求情況

3.1 RTU工作環(huán)境

在生產(chǎn)過程自動化裝置中，DCS控制系統(tǒng)、PLC控制器是兩類應(yīng)用最廣泛的自動化控制產(chǎn)品。RTU作為一種繼它們之后發(fā)展起來的自動化行業(yè)產(chǎn)品，在環(huán)境惡劣、遠(yuǎn)離控制中心的野外現(xiàn)場應(yīng)用具有優(yōu)異的表現(xiàn)，具體要求如下：①極端和寬泛的工作溫度，全天候不受環(huán)境和地域的限制；②露天環(huán)境中使用，適應(yīng)對現(xiàn)場各類設(shè)備的遙測、遙控的通信要求（有線和無線），抗干擾能力強(qiáng)；③數(shù)據(jù)傳輸安全穩(wěn)定且傳輸數(shù)據(jù)時效性強(qiáng)等；④工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，方便現(xiàn)場安裝。

正是由于RTU具有如上可靠的優(yōu)質(zhì)特性，在石油天然氣、水利、電力調(diào)度、市政調(diào)度等行業(yè)SCADA系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

3.2 RTU功能

RTU主要應(yīng)用于現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣的地方，除了具有PLC功能外，還支持多種通信協(xié)議，支持特定領(lǐng)域應(yīng)用擴(kuò)展：①標(biāo)準(zhǔn)的編程語言，符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-3的編程語言；②具備多種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，如Modbus TCP/IP、Modbus RTU/ASCII、DNP3等；③豐富的通信接口，支持多種通信方式，通信距離長；④支持大容量存儲，能夠存儲歷史數(shù)據(jù)；⑤支持專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用算法，如天然氣RTU具備AGA算法，井口RTU具備專用控制算法等；⑥模塊化結(jié)構(gòu)，便于擴(kuò)展；⑦具備實時多任務(wù)操作系統(tǒng)；⑧靈活互相兼容的開放式接口。

3.3 指標(biāo)要求

目前國內(nèi)市場上主流的RTU主要指標(biāo)為：①處理器：32位高性能處理器，頻率不低于300MHz；②工作溫度：-40℃～70℃；③存儲溫度：-40℃～85℃；④相對濕度：5%～95%；⑤電磁抗干擾：IEC61000-4 和 EN55011；⑥外圍接口：8×AI，6×DI，6×DO，2×RS232，2×RS485，1×CAN，1×RJ45 等；⑦軟件開發(fā)環(huán)境：符合 IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)，支持 LD、IL、ST、FBD、SFC 等 5種語言。

3.4 軟件要求

工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)RTU軟件作為一個系統(tǒng)，它包括RTU設(shè)備軟件和上位機(jī)IDE編程軟件。RTU設(shè)備軟件基于嵌入式實時操作系統(tǒng)（如Linux，vxWork），包括驅(qū)動程序，Web配置軟件以及和上位機(jī)進(jìn)行程序下載，在線調(diào)試等功能的軟件。

上位機(jī)編程軟件要求：①具有符合國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-3的IDE可視化編程環(huán)境，支持LD、IL、ST、FBD、SFC等5種標(biāo)準(zhǔn)語言；②具有程序編輯、編譯，程序下載，工程管理等功能；③具有在線監(jiān)控調(diào)試、離線仿真、參數(shù)設(shè)置、讀寫 I/O、監(jiān)視數(shù)據(jù)等功能。

RTU設(shè)備軟件要求：①采用嵌入式實時操作系統(tǒng)，支持實時、周期性讀寫I/O；②支持Modbus RTU/ASCII/TCP、DNP3等通信協(xié)議；③具備通過上位機(jī)Web配置RTU的功能；④具備對各種端口數(shù)據(jù)采集的實時性、可靠性和穩(wěn)定性；⑤系統(tǒng)軟件運(yùn)行長期可靠性和穩(wěn)定性。

4 實現(xiàn)技術(shù)分析

工業(yè)化RTU具有可編程性的特點，它能通過PC機(jī)上的IDE軟件開發(fā)環(huán)境，用戶根據(jù)自身需求編程，將程序編譯成可RTU硬件相關(guān)的運(yùn)行指令并下載到RTU中運(yùn)行。

RTU可編程IDE環(huán)境是基于IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)模型，具有在線編程、在線調(diào)試、程序下載等強(qiáng)大功能，但開發(fā)具備以上功能的IDE環(huán)境難度較大[2]。

IEC61131-3作為當(dāng)今世界第一個為工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計提供標(biāo)準(zhǔn)化編程語言的國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)將現(xiàn)代軟件的概念和現(xiàn)代軟件工程的機(jī)制與傳統(tǒng)的PLC編程語言成功結(jié)合，對當(dāng)代種類繁多的工業(yè)控制器中的編程概念及語言進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。要實現(xiàn)符合該標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)環(huán)境是可行的，可采用兩種方案：a自行研發(fā)；b采用第三方的符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的IDE軟件OEM。

方案a的開發(fā)難度較大，自行研發(fā)所需技術(shù)包括：上位機(jī)IDE可視化開發(fā)環(huán)境、硬件相關(guān)符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的各功能塊、編譯器以及運(yùn)行于RTU設(shè)備中Runtime運(yùn)行時系統(tǒng)等：

方案b主要對IDE進(jìn)行OEM，不管是在研制時間、難度方面都大大降低。如一方梯隊的OpenPCS，其IDE中的很多功能都是通用的（如程序編輯、下載、調(diào)試等），RTU生產(chǎn)廠家只需開發(fā)和硬件相關(guān)的Runtime運(yùn)行時系統(tǒng)、IDE中梯形圖等功能塊。

5 結(jié)論

本文從技術(shù)角度對基于IEC61131-3規(guī)范的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)RTU實現(xiàn)技術(shù)等進(jìn)行分析與研究，并提出了兩種實現(xiàn)低成本、模塊化RTU的研發(fā)方案。RTU已成為國際自動化巨頭企業(yè)看中的一個新的朝陽產(chǎn)業(yè)，它具有標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議及可適應(yīng)室外高濕、高壓環(huán)境，并具有抗強(qiáng)電、抗干擾能力，是未來物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備的最好選擇，有著廣闊的市場應(yīng)用前景。