基于IEC61131-3規范的工業化RTU實現技術分析與研究

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），中文全稱為遠程終端控制單元，負責對現場信號、工業設備的監測和控制,是SCADA系統的基本組成單元。它通過自身的軟件(或智能軟件)系統，可方便地實現企業中央監控與調度系統對生產現場一次儀表的遙測、遙控、遙信和遙調等功能。

2 RTU產品介紹

2.1 市場上同類產品

在國際市場上，RTU產品的市場前景廣闊。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。目前RTU產品市場雖然競爭日趨激烈，但由于其應用范圍寬廣，市場需求還是非常充足。（表1）

在國內市場上，隨著工業企業SCADA系統的應用與發展，RTU在廣域范圍內應用的杰出表現使之受到相應的重視，國內一批具有前瞻性戰略眼光的自動化制造商進行了專業的研發與制造?？偟目磥?，由于國內RTU研發起步較晚，綜合研發實力較低，采用國外品牌的RTU產品居多，國內RTU品牌的產品尚未形成應有的市場。

隨著國內高新技術產業的出現與發展，這種狀況正在發生變化?，F在國內已經有多家公司能自主研制可編程RTU，并且成功應用在包括油田集輸監控在內的多個工控領域。在國內高端市場上，真正RTU產品公司的主要競爭對手是國外的RTU廠商和少數國內的RTU產品公司。由于受技術水平的限制，國內目前只有極少數公司在技術和標準上可以和國際自動化公司制造的RTU產品相比擬。

表2 國內油田主要RTU廠家

2.2 新技術發展情況

早期的RTU只能進行簡單的數據采集，和一些開關量的控制且通信能力較弱，多數產品采用自定義的非標準協議。隨著半導體、網絡和通信、自動化控制等技術的飛速發展，新技術被廣泛應用于各種自動控制系統裝置上，使得RTU的數據處理能力和控制能力得到很大提高，通信協議從以前的自定義封閉狀態向開放式協議標準發展（符合IEC61131-3國際標準）。

未來，隨著控制技術的發展，RTU正朝著智能化的方向發展，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RTU自身及下層互連智能儀表的遠程診斷、遠程設備管理等功能[1]。

3 市場需求情況

3.1 RTU工作環境

在生產過程自動化裝置中，DCS控制系統、PLC控制器是兩類應用最廣泛的自動化控制產品。RTU作為一種繼它們之后發展起來的自動化行業產品，在環境惡劣、遠離控制中心的野外現場應用具有優異的表現，具體要求如下：①極端和寬泛的工作溫度，全天候不受環境和地域的限制；②露天環境中使用，適應對現場各類設備的遙測、遙控的通信要求（有線和無線），抗干擾能力強；③數據傳輸安全穩定且傳輸數據時效性強等；④工業標準設計，方便現場安裝。

正是由于RTU具有如上可靠的優質特性，在石油天然氣、水利、電力調度、市政調度等行業SCADA系統中廣泛應用。

3.2 RTU功能

RTU主要應用于現場環境比較惡劣的地方，除了具有PLC功能外，還支持多種通信協議，支持特定領域應用擴展：①標準的編程語言，符合國際標準IEC61131-3的編程語言；②具備多種標準通信協議，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，能夠存儲歷史數據；⑤支持專業領域的應用算法，如天然氣RTU具備AGA算法，井口RTU具備專用控制算法等；⑥模塊化結構，便于擴展；⑦具備實時多任務操作系統；⑧靈活互相兼容的開放式接口。

3.3 指標要求

目前國內市場上主流的RTU主要指標為：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軟件開發環境：符合 IEC61131-3國際標準，支持 LD、IL、ST、FBD、SFC 等 5種語言。

3.4 軟件要求

工業化標準RTU軟件作為一個系統，它包括RTU設備軟件和上位機IDE編程軟件。RTU設備軟件基于嵌入式實時操作系統（如Linux，vxWork），包括驅動程序，Web配置軟件以及和上位機進行程序下載，在線調試等功能的軟件。

上位機編程軟件要求：①具有符合國際標準IEC61131-3的IDE可視化編程環境，支持LD、IL、ST、FBD、SFC等5種標準語言；②具有程序編輯、編譯，程序下載，工程管理等功能；③具有在線監控調試、離線仿真、參數設置、讀寫 I/O、監視數據等功能。

RTU設備軟件要求：①采用嵌入式實時操作系統，支持實時、周期性讀寫I/O；②支持Modbus RTU/ASCII/TCP、DNP3等通信協議；③具備通過上位機Web配置RTU的功能；④具備對各種端口數據采集的實時性、可靠性和穩定性；⑤系統軟件運行長期可靠性和穩定性。

4 實現技術分析

工業化RTU具有可編程性的特點，它能通過PC機上的IDE軟件開發環境，用戶根據自身需求編程，將程序編譯成可RTU硬件相關的運行指令并下載到RTU中運行。

RTU可編程IDE環境是基于IEC61131-3國際標準的開發模型，具有在線編程、在線調試、程序下載等強大功能，但開發具備以上功能的IDE環境難度較大[2]。

IEC61131-3作為當今世界第一個為工業自動化控制系統的軟件設計提供標準化編程語言的國際標準。該標準將現代軟件的概念和現代軟件工程的機制與傳統的PLC編程語言成功結合，對當代種類繁多的工業控制器中的編程概念及語言進行了標準化。要實現符合該標準的開發環境是可行的，可采用兩種方案：a自行研發；b采用第三方的符合IEC61131-3標準的IDE軟件OEM。

方案a的開發難度較大，自行研發所需技術包括：上位機IDE可視化開發環境、硬件相關符合IEC61131-3標準的各功能塊、編譯器以及運行于RTU設備中Runtime運行時系統等：

方案b主要對IDE進行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、調試等），RTU生產廠家只需開發和硬件相關的Runtime運行時系統、IDE中梯形圖等功能塊。

5 結論

本文從技術角度對基于IEC61131-3規范的工業化標準RTU實現技術等進行分析與研究，并提出了兩種實現低成本、模塊化RTU的研發方案。RTU已成為國際自動化巨頭企業看中的一個新的朝陽產業，它具有標準的通信協議及可適應室外高濕、高壓環境，并具有抗強電、抗干擾能力，是未來物聯網基礎設備的最好選擇，有著廣闊的市場應用前景。