基于IEC61131-3规范的工业化RTU实现技术分析与研究

王开明

（贵州航天凯山石油仪器有限公司，贵阳550009）

1 引言

RTU（Remote Terminal Unit），中文全称为远程终端控制单元，负责对现场信号、工业设备的监测和控制,是SCADA系统的基本组成单元。它通过自身的软件(或智能软件)系统，可方便地实现企业中央监控与调度系统对生产现场一次仪表的遥测、遥控、遥信和遥调等功能。

2 RTU产品介绍

2.1 市场上同类产品

在国际市场上，RTU产品的市场前景广阔。除几个大品牌RTU厂商外，一些大型综合自动化公司，近年来也开始涉足RTU行业。目前RTU产品市场虽然竞争日趋激烈，但由于其应用范围宽广，市场需求还是非常充足。（表1）

在国内市场上，随着工业企业SCADA系统的应用与发展，RTU在广域范围内应用的杰出表现使之受到相应的重视，国内一批具有前瞻性战略眼光的自动化制造商进行了专业的研发与制造。总的看来，由于国内RTU研发起步较晚，综合研发实力较低，采用国外品牌的RTU产品居多，国内RTU品牌的产品尚未形成应有的市场。

随着国内高新技术产业的出现与发展，这种状况正在发生变化。现在国内已经有多家公司能自主研制可编程RTU，并且成功应用在包括油田集输监控在内的多个工控领域。在国内高端市场上，真正RTU产品公司的主要竞争对手是国外的RTU厂商和少数国内的RTU产品公司。由于受技术水平的限制，国内目前只有极少数公司在技术和标准上可以和国际自动化公司制造的RTU产品相比拟。

表2 国内油田主要RTU厂家

2.2 新技术发展情况

早期的RTU只能进行简单的数据采集，和一些开关量的控制且通信能力较弱，多数产品采用自定义的非标准协议。随着半导体、网络和通信、自动化控制等技术的飞速发展，新技术被广泛应用于各种自动控制系统装置上，使得RTU的数据处理能力和控制能力得到很大提高，通信协议从以前的自定义封闭状态向开放式协议标准发展（符合IEC61131-3国际标准）。

未来，随着控制技术的发展，RTU正朝着智能化的方向发展，智能RTU具备PID控制功能、自动检测、自动存储、加密传输、拒绝非法IP地址访问等，并可实现RTU自身及下层互连智能仪表的远程诊断、远程设备管理等功能[1]。

3 市场需求情况

3.1 RTU工作环境

在生产过程自动化装置中，DCS控制系统、PLC控制器是两类应用最广泛的自动化控制产品。RTU作为一种继它们之后发展起来的自动化行业产品，在环境恶劣、远离控制中心的野外现场应用具有优异的表现，具体要求如下：①极端和宽泛的工作温度，全天候不受环境和地域的限制；②露天环境中使用，适应对现场各类设备的遥测、遥控的通信要求（有线和无线），抗干扰能力强；③数据传输安全稳定且传输数据时效性强等；④工业标准设计，方便现场安装。

正是由于RTU具有如上可靠的优质特性，在石油天然气、水利、电力调度、市政调度等行业SCADA系统中广泛应用。

3.2 RTU功能

RTU主要应用于现场环境比较恶劣的地方，除了具有PLC功能外，还支持多种通信协议，支持特定领域应用扩展：①标准的编程语言，符合国际标准IEC61131-3的编程语言；②具备多种标准通信协议，如Modbus TCP/IP、Modbus RTU/ASCII、DNP3等；③丰富的通信接口，支持多种通信方式，通信距离长；④支持大容量存储，能够存储历史数据；⑤支持专业领域的应用算法，如天然气RTU具备AGA算法，井口RTU具备专用控制算法等；⑥模块化结构，便于扩展；⑦具备实时多任务操作系统；⑧灵活互相兼容的开放式接口。

3.3 指标要求

目前国内市场上主流的RTU主要指标为：①处理器：32位高性能处理器，频率不低于300MHz；②工作温度：-40℃～70℃；③存储温度：-40℃～85℃；④相对湿度：5%～95%；⑤电磁抗干扰：IEC61000-4 和 EN55011；⑥外围接口：8×AI，6×DI，6×DO，2×RS232，2×RS485，1×CAN，1×RJ45 等；⑦软件开发环境：符合 IEC61131-3国际标准，支持 LD、IL、ST、FBD、SFC 等 5种语言。

3.4 软件要求

工业化标准RTU软件作为一个系统，它包括RTU设备软件和上位机IDE编程软件。RTU设备软件基于嵌入式实时操作系统（如Linux，vxWork），包括驱动程序，Web配置软件以及和上位机进行程序下载，在线调试等功能的软件。

上位机编程软件要求：①具有符合国际标准IEC61131-3的IDE可视化编程环境，支持LD、IL、ST、FBD、SFC等5种标准语言；②具有程序编辑、编译，程序下载，工程管理等功能；③具有在线监控调试、离线仿真、参数设置、读写 I/O、监视数据等功能。

RTU设备软件要求：①采用嵌入式实时操作系统，支持实时、周期性读写I/O；②支持Modbus RTU/ASCII/TCP、DNP3等通信协议；③具备通过上位机Web配置RTU的功能；④具备对各种端口数据采集的实时性、可靠性和稳定性；⑤系统软件运行长期可靠性和稳定性。

4 实现技术分析

工业化RTU具有可编程性的特点，它能通过PC机上的IDE软件开发环境，用户根据自身需求编程，将程序编译成可RTU硬件相关的运行指令并下载到RTU中运行。

RTU可编程IDE环境是基于IEC61131-3国际标准的开发模型，具有在线编程、在线调试、程序下载等强大功能，但开发具备以上功能的IDE环境难度较大[2]。

IEC61131-3作为当今世界第一个为工业自动化控制系统的软件设计提供标准化编程语言的国际标准。该标准将现代软件的概念和现代软件工程的机制与传统的PLC编程语言成功结合，对当代种类繁多的工业控制器中的编程概念及语言进行了标准化。要实现符合该标准的开发环境是可行的，可采用两种方案：a自行研发；b采用第三方的符合IEC61131-3标准的IDE软件OEM。

方案a的开发难度较大，自行研发所需技术包括：上位机IDE可视化开发环境、硬件相关符合IEC61131-3标准的各功能块、编译器以及运行于RTU设备中Runtime运行时系统等：

方案b主要对IDE进行OEM，不管是在研制时间、难度方面都大大降低。如一方梯队的OpenPCS，其IDE中的很多功能都是通用的（如程序编辑、下载、调试等），RTU生产厂家只需开发和硬件相关的Runtime运行时系统、IDE中梯形图等功能块。

5 结论

本文从技术角度对基于IEC61131-3规范的工业化标准RTU实现技术等进行分析与研究，并提出了两种实现低成本、模块化RTU的研发方案。RTU已成为国际自动化巨头企业看中的一个新的朝阳产业，它具有标准的通信协议及可适应室外高湿、高压环境，并具有抗强电、抗干扰能力，是未来物联网基础设备的最好选择，有着广阔的市场应用前景。