工业锅炉plc控制系统
1 控制系统的组件
工业控制系统ics的组件根据其所处的位置，可大致分为两类：控制中心设备和远程站点设备。控制中心设备位于系统控制中心，包括人机界面（hmi）、工程师工作站和历史记录服务器（historian）。远程站点设备是驻留在生产现场，并直接连接到执行器和传感器的设备，其主要功能是监督和控制物理过程。尽管现场设备通常不与人直接交互，但由于生产现场通常不如控制中心安全，所以更有可能受到攻击和破坏。
1.1 控制中心设备 人机界面hmi（有时也称为scada系统）是允许操作人员监视和控制过程的系统。人机界面hmi通常是在通用计算机上运行的纯软件应用程序，一般运行在微软windows系列操作系统环境中。工业领域常见的hmi包括wonderware、西门子的wincc、罗克韦尔的rsview和areva e-terra等。
历史记录服务器historian是一个记录过程控制系统状态历史的数据库服务器。在某些情况下，如果historian的功能足够强大，也可以作为控制系统的hmi使用。历史记录服务器historian通常运行在主流的操作系统和通用硬件设备上，而且通常在企业网络中有镜像备份。
1.2 远程站点设备 远程站点设备包括plc、远程终端单元rtu、智能电子设备ied和电子继电器。虽然这些设备的功能有很大差异，根据其所处的位置和相似性，可以大致组合在一起。另外，这些设备中使用的硬件结构也有相似之处，一般提供模拟或数字输入/输出（i/o）和控制功能。它们直接从传感器读取数据并向执行器发送操作指令，某些情况下，它们与其他现场设备连接在一起。
本文中对设备进行了简化讨论。其实，上面提到的这些设备（plc、rtu、ied和电子继电器）在控制系统对象关系模型（orm）中都执行某个功能子集。例如，rtu通常是scada系统仅提供现场i/o控制的功能，通过现场i/o传感器进行采样，个别情况下，rtu会为执行器生成触发器。电子继电器将始终执行采样和触发功能。rtu将生成状态数据字段点，有时还会处理命令数据字段点。继电器将产生状态数据字段点，但不太可能处理命令的数据字段点。rtu一般没有本地控制功能，但继电器具有该功能。除了与传感器，执行器和上层控制功能通信外，plc还具有重要的本地控制功能。这些功能看似相似，但在orm中有很大不同。
2 典型控制系统架构 图1显示了典型的控制系统架构。其中，运行hmi的普通商用pc通过标准网络协议（例如以太网）与plc等现场设备通信。工程师站和历史数据库通常也是普通商用pc或服务器，通过标准网络协议与现场设备通信。现场设备使用fieldbus等基于以太网的工控协议连接到其他现场设备。有些现场设备采用rs232或rs485等标准的串行总线通信协议与智能设备连接，有些现场设备直接与传感器、i\o设备和机器设备连接。
图1. 典型的分布式控制系统dcs架构
3 可编程逻辑控制器plc plc是一种现场设备，可以直接连接到传感器和执行器或其他现场设备。plc通过逻辑程序进行本地控制（一般根据iec 61131-3标准定义格式），并且能够通过控制系统通信协议从hmi接收控制命令和查询请求。plc可以是模块化的，也可以组合成紧凑的固定形状，但两种类型基本上使用相同的底层组件。
3.1 plc编程 plc可以使用iec 61131-3中列出的语言之一进行编程：
梯形图（ld），图形化
功能框图（fbd），图形化
结构化文本（st），文本形式
指令列表（il），文本形式
顺序功能图（sfc），图形化
plc在称为“扫描”的循环周期中运行，扫描包括输入、逻辑执行和输出。
3.2 通用模块化plc架构 图2显示了通用模块化plc的基本架构。模块化plc通过背板连接的各个组成模块。非模块化plc将所有组件集成在一个电路板中。
图2. 通用模块化plc架构
3.3 plc模块交互 在图2所示的通用plc架构中，每个模块都有一个物理插槽，并为其分配了一系列背板地址。接口寄存器和缓冲区存储器在背板地址范围内公开。通过模块读取、写入寄存器或其他模块缓冲区等方式，实现消息的发送和接收。
3.4 处理器模块 处理器模块是plc的核心。它实现模块之间的协调，有时还用作背板仲裁器。如果其他模块不存储自己的配置，则处理器模块将在加电时对他们进行配置。
处理器模块解释并执行梯形逻辑，从通信模块或者i/o模块读取数值，维护操作状态，运行梯形逻辑的“扫描”周期并将输出值写入通信模块或i/o模块。
3.5 通信模块 通信模块从处理器模块中取走通信协议相关的代码。它们从处理器模块取走时间敏感协议的交互数据，确保处理器模块处于其自己的时间敏感控制回路中。由于某些控制系统协议非常复杂，通信模块可能具有较强的处理能力，因此通信模块可能会像处理器模块一样复杂。
3.6 i/o模块 i/o模块在低电压（3.3伏或5伏）、低电流（毫安级）控制逻辑和高电压（24伏以上）、高电流（安培级）过程控制之间转换信号。模拟i/o模块包含模数转换器（adc）和数模转换器（dac）。这些模块逻辑相对简单，智能硬件相对较少，其唯一的任务是在模拟信号和数字信号之间进行转换。
3.7 通用处理器 plc中最常见的处理器架构有三种类型：
arm架构（7或9系列）
摩托罗拉/飞思卡尔68000系列架构
ibm的power架构
arm架构由总部位于英国的arm公司设计，该公司拥有超过1700名员工。arm不制造芯片，而是设计和授权芯片的知识产权（ip）。（1）arm架构广泛应用于嵌入式系统和设备，它在移动电话和个人数字助理（pda）等消费电子产品中占有特别大的份额，市场份额超过90％。（2）arm处理器可以以big-endian或little-endian模式运行，也可以使用arm（32位）和thumb（16位）指令集。arm处理器通常是定制芯片系统（soc）的一部分。
摩托罗拉（现为飞思卡尔）68000系列是一款32位复杂指令集（cisc）微处理器。它广泛用于嵌入式系统中。在2000年时，它曾是世界上最畅销的32位架构处理器，68000系列是big-endian。
power架构包括powerpc，是由ibm，freescale，amcc，tundra和p.a. semi等公司实施的精简指令集（risc）微处理器架构。power架构采用big-endian字节序列。
3.8 存储布局 plc通常使用非易失性闪存存储来存储处理器模块固件和梯形逻辑程序（或其他iec 61131-3语言）。闪存存储器的地址映射到处理器的地址空间，其他板载设备的控制寄存器也是如此。ram用于存储运行时状态。
3.9 嵌入式操作系统 许多嵌入式操作系统被同时也是实时操作系统（rtos）。要被视为rtos，操作系统必须是“确定性延迟，或者保证最坏的中断延迟或上下文切换时间”。
plc经常使用商业rtos实现，例如vxworks、windows ce或qnx。也可能使用自定义的“内部”操作系统。虽然目前还不常见，但一些制造商已开始在plc上使用基于linux的操作系统。
波罗的海国家正在将加密货币支付用于各行各业中去
智能家居系统的开源方案尝试
如何预防光纤激光切割机的切割性能下降
你了解智慧能源和泛在电力物联网吗
美国人或许无法充分利用5G iPhone
工业锅炉plc控制系统
普渡科技上榜“深圳市智能机器人应用示范典型案例（第一批）”
炭黑生产过程中气体检测仪表变送器的选型
巨头免费开放物联网专利 葫芦里卖的啥药？
Protel PCB转SCH的详细步骤
深圳飞骧科技打造高端射频中国芯,在5G移动通信产业进行布局
浅谈Linux Base System
电子产品-ESD设计分析-二
黄仁勋：NVIDIA将携手ARM共同打造AI时代首屈一指的计算公司
CODESYS变量类型的范围和所占内存大小
十种pandas数据编码的方法分享
里程碑式时刻！宁波物联网用户已经突破800万
索尼以DMP-Z1宣告：＂音乐播放器就应该这样做＂
Centripetal Networks诉思科诉讼败诉，法官判定思科未侵权
西门子PLC S7-200常见的71个故障汇总及解决办法
1.1 控制中心设备 人机界面hmi（有时也称为scada系统）是允许操作人员监视和控制过程的系统。人机界面hmi通常是在通用计算机上运行的纯软件应用程序，一般运行在微软windows系列操作系统环境中。工业领域常见的hmi包括wonderware、西门子的wincc、罗克韦尔的rsview和areva e-terra等。
历史记录服务器historian是一个记录过程控制系统状态历史的数据库服务器。在某些情况下，如果historian的功能足够强大，也可以作为控制系统的hmi使用。历史记录服务器historian通常运行在主流的操作系统和通用硬件设备上，而且通常在企业网络中有镜像备份。
1.2 远程站点设备 远程站点设备包括plc、远程终端单元rtu、智能电子设备ied和电子继电器。虽然这些设备的功能有很大差异，根据其所处的位置和相似性，可以大致组合在一起。另外，这些设备中使用的硬件结构也有相似之处，一般提供模拟或数字输入/输出（i/o）和控制功能。它们直接从传感器读取数据并向执行器发送操作指令，某些情况下，它们与其他现场设备连接在一起。
本文中对设备进行了简化讨论。其实，上面提到的这些设备（plc、rtu、ied和电子继电器）在控制系统对象关系模型（orm）中都执行某个功能子集。例如，rtu通常是scada系统仅提供现场i/o控制的功能，通过现场i/o传感器进行采样，个别情况下，rtu会为执行器生成触发器。电子继电器将始终执行采样和触发功能。rtu将生成状态数据字段点，有时还会处理命令数据字段点。继电器将产生状态数据字段点，但不太可能处理命令的数据字段点。rtu一般没有本地控制功能，但继电器具有该功能。除了与传感器，执行器和上层控制功能通信外，plc还具有重要的本地控制功能。这些功能看似相似，但在orm中有很大不同。
2 典型控制系统架构 图1显示了典型的控制系统架构。其中，运行hmi的普通商用pc通过标准网络协议（例如以太网）与plc等现场设备通信。工程师站和历史数据库通常也是普通商用pc或服务器，通过标准网络协议与现场设备通信。现场设备使用fieldbus等基于以太网的工控协议连接到其他现场设备。有些现场设备采用rs232或rs485等标准的串行总线通信协议与智能设备连接，有些现场设备直接与传感器、i\o设备和机器设备连接。
图1. 典型的分布式控制系统dcs架构
3 可编程逻辑控制器plc plc是一种现场设备，可以直接连接到传感器和执行器或其他现场设备。plc通过逻辑程序进行本地控制（一般根据iec 61131-3标准定义格式），并且能够通过控制系统通信协议从hmi接收控制命令和查询请求。plc可以是模块化的，也可以组合成紧凑的固定形状，但两种类型基本上使用相同的底层组件。
3.1 plc编程 plc可以使用iec 61131-3中列出的语言之一进行编程：
梯形图（ld），图形化
功能框图（fbd），图形化
结构化文本（st），文本形式
指令列表（il），文本形式
顺序功能图（sfc），图形化
plc在称为“扫描”的循环周期中运行，扫描包括输入、逻辑执行和输出。
3.2 通用模块化plc架构 图2显示了通用模块化plc的基本架构。模块化plc通过背板连接的各个组成模块。非模块化plc将所有组件集成在一个电路板中。
图2. 通用模块化plc架构
3.3 plc模块交互 在图2所示的通用plc架构中，每个模块都有一个物理插槽，并为其分配了一系列背板地址。接口寄存器和缓冲区存储器在背板地址范围内公开。通过模块读取、写入寄存器或其他模块缓冲区等方式，实现消息的发送和接收。
3.4 处理器模块 处理器模块是plc的核心。它实现模块之间的协调，有时还用作背板仲裁器。如果其他模块不存储自己的配置，则处理器模块将在加电时对他们进行配置。
处理器模块解释并执行梯形逻辑，从通信模块或者i/o模块读取数值，维护操作状态，运行梯形逻辑的“扫描”周期并将输出值写入通信模块或i/o模块。
3.5 通信模块 通信模块从处理器模块中取走通信协议相关的代码。它们从处理器模块取走时间敏感协议的交互数据，确保处理器模块处于其自己的时间敏感控制回路中。由于某些控制系统协议非常复杂，通信模块可能具有较强的处理能力，因此通信模块可能会像处理器模块一样复杂。
3.6 i/o模块 i/o模块在低电压（3.3伏或5伏）、低电流（毫安级）控制逻辑和高电压（24伏以上）、高电流（安培级）过程控制之间转换信号。模拟i/o模块包含模数转换器（adc）和数模转换器（dac）。这些模块逻辑相对简单，智能硬件相对较少，其唯一的任务是在模拟信号和数字信号之间进行转换。
3.7 通用处理器 plc中最常见的处理器架构有三种类型：
arm架构（7或9系列）
摩托罗拉/飞思卡尔68000系列架构
ibm的power架构
arm架构由总部位于英国的arm公司设计，该公司拥有超过1700名员工。arm不制造芯片，而是设计和授权芯片的知识产权（ip）。（1）arm架构广泛应用于嵌入式系统和设备，它在移动电话和个人数字助理（pda）等消费电子产品中占有特别大的份额，市场份额超过90％。（2）arm处理器可以以big-endian或little-endian模式运行，也可以使用arm（32位）和thumb（16位）指令集。arm处理器通常是定制芯片系统（soc）的一部分。
摩托罗拉（现为飞思卡尔）68000系列是一款32位复杂指令集（cisc）微处理器。它广泛用于嵌入式系统中。在2000年时，它曾是世界上最畅销的32位架构处理器，68000系列是big-endian。
power架构包括powerpc，是由ibm，freescale，amcc，tundra和p.a. semi等公司实施的精简指令集（risc）微处理器架构。power架构采用big-endian字节序列。
3.8 存储布局 plc通常使用非易失性闪存存储来存储处理器模块固件和梯形逻辑程序（或其他iec 61131-3语言）。闪存存储器的地址映射到处理器的地址空间，其他板载设备的控制寄存器也是如此。ram用于存储运行时状态。
3.9 嵌入式操作系统 许多嵌入式操作系统被同时也是实时操作系统（rtos）。要被视为rtos，操作系统必须是“确定性延迟，或者保证最坏的中断延迟或上下文切换时间”。
plc经常使用商业rtos实现，例如vxworks、windows ce或qnx。也可能使用自定义的“内部”操作系统。虽然目前还不常见，但一些制造商已开始在plc上使用基于linux的操作系统。
波罗的海国家正在将加密货币支付用于各行各业中去
智能家居系统的开源方案尝试
如何预防光纤激光切割机的切割性能下降
你了解智慧能源和泛在电力物联网吗
美国人或许无法充分利用5G iPhone
工业锅炉plc控制系统
普渡科技上榜“深圳市智能机器人应用示范典型案例（第一批）”
炭黑生产过程中气体检测仪表变送器的选型
巨头免费开放物联网专利 葫芦里卖的啥药？
Protel PCB转SCH的详细步骤
深圳飞骧科技打造高端射频中国芯,在5G移动通信产业进行布局
浅谈Linux Base System
电子产品-ESD设计分析-二
黄仁勋：NVIDIA将携手ARM共同打造AI时代首屈一指的计算公司
CODESYS变量类型的范围和所占内存大小
十种pandas数据编码的方法分享
里程碑式时刻！宁波物联网用户已经突破800万
索尼以DMP-Z1宣告：＂音乐播放器就应该这样做＂
Centripetal Networks诉思科诉讼败诉，法官判定思科未侵权
西门子PLC S7-200常见的71个故障汇总及解决办法