《工業控制網絡安全技術與實踐》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《工業控制網絡安全技術與實踐》一 書中的第2章，第2.3節，作者：姚　羽　祝烈煌　武傳坤　 ，更多章節内容可以通路雲栖社群“華章計算機”公衆号檢視。

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，是釋出指令的“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，下面分别加以介紹。

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）通信性和靈活性強，應用廣泛。

2）可靠性高，抗幹擾的能力極強。

3）産品系列化、規模化，功能完備，性能優良。

4）編制程式簡單、容易。

5）設計、安裝、調試周期短，擴充容易。

6）體積小、重量輕，維護友善。

近年來，随着大規模內建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産品亦随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于開關量控制的局面，現将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漸取代傳統的繼電器邏輯控制裝置，被用于單機或多機控制系統以及自動生産線上。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。由于可以聯網，是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子產品，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，并在控制中滿足适當的速度和加速度，以保證運動的平滑水準。

（3）過程控制

目前plc産品中，還有一大類是針對生産過程參數，如溫度、流量、壓力、速度等的檢測和控制而設計的。常用的有模拟量i/o子產品，通過這些子產品不僅可以實作a/d和d/a轉換，還可以進一步構成閉環，實作pid一類的生産過程調節。而針對pid閉環調節，又有專門的子產品，可以更友善地實施。這些産品往往還引入了智能控制。

（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、函數運算、矩陣運算等多種資料采集、分析、處理功能。目前還有不少公司，将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，開發了用于cnc的plc産品。

（5）通信

随着網絡的發展和計算機集散控制系統的逐漸普及，plc的網絡化通信産品也在大量被推出。這些産品解決了plc之間、plc與其擴充部分之間、plc與上級計算機之間或其他網絡間的通信問題。

需要注意的是，并非所有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內建，而不僅僅是一個完全無關的部件拼湊的內建。

pac定義了幾種特征和性能：

1）多領域的功能，包括邏輯控制、運動控制、過程控制和人機界面。

2）一個滿足多領域自動化系統設計和內建的通用開發平台。

3）允許oem（original equipment manufacturer，原始裝置制造商）和最終使用者在統一平台上部署多個控制應用。

4）有利于開放、子產品化控制架構來适應高度分布性自動化工廠環境。

5）對于網絡協定、語言等，使用既定事實标準來保證多供應商網絡的資料交換[7]。

雖然pac形式與傳統plc很相似，但其性能卻比plc廣泛和全面得多。pac是一種多功能控制器平台，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産品。與其相反，plc是一種基于專有架構的産品，僅僅具備了制造商認為必要的性能。

pac與plc根本的不同在于它們的基礎不同。plc的性能依賴于專用硬體，應用程式的執行是依靠專用硬體晶片實作的。硬體的非通用性會導緻系統的功能前景和開放性受到限制，由于是專用作業系統，其實時可靠性與功能都無法與通用實時作業系統相比，這樣導緻了plc整體性能的專用性和封閉性。

pac的性能基于其輕便控制引擎，标準、通用、開放的實時作業系統，嵌入式硬體系統設計以及背闆總線。plc的使用者應用程式執行是通過硬體實作的，而pac設計了一個通用、軟體形式的控制引擎用于應用程式的執行。控制引擎位于實時作業系統與應用程式之間，這個控制引擎與硬體平台無關，可在不同平台的pac系統間移植。是以對于使用者來說，同樣的應用程式不需修改即可下載下傳到不同pac硬體系統中，使用者隻需根據系統功能需求和投資預算選擇不同性能的pac平台。這樣，根據使用者需求的迅速擴充和變化，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）提高生産率和操作效率：一個通用輕便控制引擎和綜合工程開發平台允許快速地開發、實施和遷移；且由于它的開放性和靈活性，確定了控制、操作、企業級業務系統的無縫內建，優化了工廠流程。

2）降低操作成本：使用通用、标準架構和網絡，降低了操作成本，讓工程師們能為一個展現成本效益、使用現貨供應的平台選擇不同系統部件，而不是專有産品和技術（隻要求使用者在一個統一平台和開發環境上教育訓練，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适合每種特殊應用的硬體和程式設計語言，以他們自己的時間表來規劃更新，并且可在任何地方設計、制造産品。

随着市場的需要，pac技術在未來的幾年内将朝着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産狀況的需要，pac的規格将會呈現出多樣化的發展趨勢。在具體的生産環境中，選擇合适的控制系統要求的pac，有利于降低成本。

（2）支援更多的控制功能

目前，pac已經将邏輯、運動、過程控制等進階功能內建到了單一的平台上。而未來，pac将進一步融合更多的功能，如對于安全性的考慮、批處理等。當資訊被越來越廣泛地使用時，其安全性将成為需要考慮的第一因素。

（3）商業系統的內建

為了實作真正的實時性，自動化裝置供應商将在pac内部繼續建立商業系統的連接配接通道而不依賴于其他連接配接裝置。pac将内嵌制造執行系統（mes）的一些屬性，如标準接口的建立，它将有利于更好地解決控制層和管理層之間的連接配接問題。

（4）簡單的系統維護

pac将往更小化、更智能化的方向發展，但同時它将擁有更出衆的資料處理能力。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。為了提高生産率、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）延長産品的生命周期

通過采用新技術來獲得更高生産效率固然十分重要，但是新技術的使用是否會大幅增加成本和教育訓練費也是廠家十分關注的問題。pac未來平台将仍然采用标準化的設計，其買主可以繼續使用原來的商業技術和以太網等标準，進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，用來對遠端現場的傳感器和裝置狀态進行監視和控制，負責對現場信号、工業裝置的監測和控制，獲得裝置資料，并将資料傳給 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作，這取決于被控現場的性質、系統的複雜性、對資料通信的要求、實時報警報告、模拟信号測量精度、狀态監控、裝置的調節控制和開關控制。通常，rtu 要具有優良的通信能力和更大的存儲容量，适用于更惡劣的溫度和濕度環境，實作複雜的特殊算法，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）通信距離較長。

2）用于各種惡劣的工業現場。

3）子產品結構化設計，便于擴充。

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 是實作遠端通信的關鍵裝置，承擔着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：要求采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。通過遙信端子闆将繼電器觸點的閉合或斷開轉換成為低電平或高電平信号送入rtu。遙信功能通常用于測量開關的位置信号、變壓器内部故障綜合信号、保護裝置的動作信号、通信裝置運作狀态信号、調壓變壓器抽頭位置信号等。

遙測功能：通過采集現場各種傳感器和變送器的信号獲得現場各種實體參數，将采集到的變量存儲、編碼成遙測資訊，按通信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，以及變電站參數監控中的電流、電壓、功率等模拟量。

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、打開或關閉某閥門。在遙控過程中，監控中心發往rtu的指令有3種，即遙控選擇指令、遙控執行指令和遙控撤銷指令。遙控選擇指令包括兩個部分，一是選擇的對象，用對象碼指定對哪一個對象進行操作；另一個是遙控操作的性質，用操作性質碼訓示。遙控執行指令訓示rtu按接收到的選擇指令執行指定操作。遙控撤銷指令訓示rtu撤銷已下達的選擇指令。

遙調功能：監控中心對被控站某些裝置的工作狀态和參數的調整。

除了在傳統的工業生産過程中大量應用之外，在測控點特别分散的場合，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，城市瓦斯管網綜合排程系統，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，燈塔信标、江河航運、港口、礦山排程系統等，rtu發揮着越來越重要的作用[12]。

随着國内工業企業scada系統的應用與發展，rtu産品在市場中越來越多，但國外rtu産品占有較大的份額。目前這種狀況日益得到改善，國内的rtu産品正在不斷發展和成熟中。

rtu 的發展曆程是與“四遙”工程技術相聯系的。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實體變化過程、生産過程等進行檢測、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，還涉及傳感器技術、儀器儀表技術、非電量測量技術、軟體工程、無線電通信技術、資料通信技術、網絡技術、資訊處理技術等高新技術。是以，rtu 的發展将必然會随着“四遙”工程技術的發展而發展[13]。

随着測控技術、通信技術、計算機技術等新技術的發展；遠端測控終端向着通用性強、靈活性高、小型化、更加智能化方向發展；能夠檢測多種類型實體參數，具有更快響應速度、更大存儲能力、有線和無線多種通信方式、更強的資訊互動能力、更加靈活的組态配置能力，适應各種不同應用場合的 rtu産品将被開發出來，給現代工業生産、管理、科學研究等領域帶來更大的便利，對人們的生活方式産生更大的影響。