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在工业控制系统中，主要存在于现场控制层与过程监控层的工控设备具有重要的地位。工控设备主要由PLC、RTU、HMI、安全设备、组态软件和MES等组成，其主要功能包括监测、调节和控制生产过程，以确保生产系统的稳定性、效率和安全性。它们也是最容易遭受网络攻击的目标，本节将对其基本概念和特点进行详细介绍。
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是自动化控制行业中使用频率最高的设备之一。PLC自诞生至今已经有超过半个世纪的历史，其发展经历了从静态继电器控制到动态逻辑控制，再到集成控制的变革，已然成为自动化控制领域的主流设备。
❑静态继电器控制阶段。PLC最初用来替代静态继电器控制，此时的PLC只能进行简单的开关控制，且操作比较麻烦。
❑动态逻辑控制阶段。20世纪60年代末期，随着计算机技术的发展，PLC开始具有动态逻辑控制功能，能够进行更加复杂的控制。此时的PLC将程序设计与自动逻辑控制相结合，具备更快的处理速度，可同时控制多个系统。
❑集成控制阶段。从20世纪80年代开始，PLC进入了集成控制阶段。随着电气自动化领域科技的不断发展，PLC开始与其他系统进行整合，如人机界面、数据采集等，还出现了PAC（可编程自动化控制器）。PAC是将PLC和PC的优势融合的设备，充分整合了PC的第三方软件支持、强大的通信处理能力和计算能力，同时保留了PLC的耐用、可靠和方便操作等特点。PLC从单纯的数控装置变成了可编程、可扩充的现代化控制系统。PC、PLC和PAC在软件性能、牢固性和可靠性上的差异如图2-3所示。
图2-3 PC、PLC与PAC的关系
PLC和PAC都是目前主流的控制设备，但是它们之间存在一定差别，PLC和PAC的主要差别体现在产品的牢固性和可靠性上。具体来说，PLC的性能主要受制于硬件，程序执行依赖硬件芯片，这制约了系统在功能和开放性方面的发展。同时，相较于通用实时操作系统，由于PLC采用专有操作系统，其在实时可靠性和功能性方面存在一定局限，导致PLC整体性能趋于封闭性和专用性。
相对于PLC，PAC展现出更为卓越的软件性能。这是因为它的效能建立在嵌入式硬件系统、背板总线、轻巧的控制引擎和通用标准的实时操作系统上，而无须依赖硬件芯片。PLC与PAC的差异如表2-1所示。
表2-1 PLC与PAC的差异
目前工控现场常见的控制设备还是PLC系统，它主要由以下几个关键组件构成。
❑PLC主机：这是PLC系统的核心，通常由一个或多个中央处理器组成。它负责执行用户编写的程序和算法，控制各种输入和输出设备的操作，实现工业过程的自动化控制。
❑输入/输出模块：这些模块用于与外部设备（如传感器、执行器）进行数据交换。输入模块接收外部信号或传感器数据，并将其传输给PLC主机。输出模块将PLC主机的指令转换为适当的控制信号，控制执行器或其他外部设备的操作。
❑编程设备：PLC系统使用特定的编程语言来编写控制逻辑。编程设备通常是指用于编写、修改和上传控制程序到PLC主机的软件工具，如典型的STEP7、Unity Pro XL等。
远程终端单元（Remote Terminal Unit，RTU）是一种拥有模块化结构的特殊计算机测控单元，也是重要的控制设备之一。其特殊之处在于通常被应用于通信距离相对长、工控现场环境恶劣的场景，实现对远程设备的控制以获取数据，并将数据传递至调度中心。
RTU分为模块RTU和单板RTU。模块RTU结构简单，只包含一个独立的CPU模块，此外还可添加其他附加模块。单板RTU将所有I/O接口集中于一个板子上，也称为一体式RTU。在体积大小方面，RTU通常比PLC大，其中一个原因是增加了增强设备耐用性和坚固性的功能，占用了更多的空间。相比之下，PLC更小巧紧凑，适用于可用空间不充足的工业和工厂环境。
在通信功能上，尽管PLC也能发挥作用，但与RTU相比，它的通信性能稍显不足，主要局限于在厂站内部近距离地传送数据。传统的RTU虽然缺乏可编程运算功能，但如今的RTU大多已具备可编程能力。典型的RTU如图2-4所示。
图2-4 典型的RTU
人机界面（Human Machine Interface，HMI）指的是人与机器之间进行信息交互和通信的界面，广泛应用于工控系统中，通常工作在过程监控层。HMI通常采用触摸屏、按键、指示灯、显示屏等组件，通过这些组件，用户可以输入指令、获取数据、显示图像和状态信息等。
在工业环境下，用于工业生产的HMI接口较多并且可嵌入机器中，通过这些接口可以连接很多设备，比如变频器、PLC、仪表、直流调速器等工业设备，通过HMI可以检测并控制机器的运行。
现代的HMI系统通常允许用户自定义界面，以满足不同行业和应用的需求。这种灵活性使操作员能够根据具体工作流程和任务定制界面，以提高工作效率和用户体验。综合而言，HMI系统的功能丰富多样，为工业自动化提供了关键的控制和监测手段，有助于提高生产效率、产品质量，并确保工业过程的顺利运行，典型的HMI设备如图2-5所示。
图2-5 典型的HMI设备
安全设备是一种高可靠性工业控制设备，工作在现场控制层，广泛应用于石化、电厂和大型钢厂等。安全设备一旦检测到可能存在的危险条件或各种危险情况，将按照提前设置的程序输出安全保护指令，调整生产装置或工艺过程以恢复安全状态，这样做可以减轻事故的后果或有效避免危险事件的发生，最终确保设备、人员和环境的安全。
安全设备与生产控制设备的作用不同，前者是为了保障工业现场物理安全，后者是为了工业现场的数据传输。以紧急停车系统（ESD）为例，当工况处于操作的临界状态时，紧急启动关停动作，使工艺过程参数返回到正常操作范围内，避免危险事件发生。图2-6为艾默生安全控制器，基于SIL3标准设计，用于保护关键资产和人员。
继电保护装置也是安全设备的一种，是指利用继电器进行电气设备的保护，以避免设备故障引发的损坏或危险，主要应用于输电线路、变电站和发电厂等电力系统中。熔断器是最早期的继电保护装置，随着技术的发展，电子型静态继电器和电磁型继电保护装置开始应用于断路器。随着科技的不断发展，数字式继电保护装置应运而生。常见的继电保护有差动保护、过电流保护及跳闸保护。典型的继保设备如图2-7所示。
图2-6 艾默生安全控制器
图2-7 典型的继保设备
数据采集与监控（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系统是一种实时分布式系统，用于远程监测和控制现场设备。该系统主要用于铁路、石油、燃气、电力、冶金、化学化工等领域，进行过程控制、监视控制和数据采集，以实现安全生产、调度、管理、优化和故障检查。SCADA系统的结构如图2-8所示。
图2-8 SCADA系统的结构
SCADA系统可分为硬件和软件部分，组态软件就是SCADA系统中的软件部分，也是SCADA系统的重要组成部分。组态软件产品大约在20世纪80年代中期在国外出现。
20世纪末，国内对组态软件的市场需求迅速增加。微软推出32位的Windows95和NT后，更合适组态软件的操作系统平台出现了。自此，组态软件在中国市场站稳脚跟，并逐渐进入蓬勃发展阶段。
目前，国内市场的组态软件产品主要分为国内自主研发的本土化产品、来自国外硬件或系统厂商的产品以及来自国外专业化软件厂商的产品。
近几年，国内外知名的硬件和系统厂商发布了一系列成熟的组态软件产品，例如美国AB公司（现隶属于罗克韦尔自动化）的RSView以及GE公司的Cimplicity和iFIX。同时，国内自主开发的组态软件产品也崭露头角，其中一些产品（如ControlX、虎翼、SYNALL、MCGS、天工、力控、组态王等）逐渐影响着国内组态软件市场的格局。典型的组态软件如表2-2所示。
表2-2 典型的组态软件
制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）旨在提供生产信息化管理方案，是典型的生产控制系统，专门针对制造企业车间层级而设计。它的发展经历了以下几个阶段。
❑20世纪70年代后半叶，涌现出了具有独立功能的MES，用于解决特定问题，包括质量管理、对设备状况进行监测以及生产管理系统的生产进度跟进和分析统计等功能。换言之，在企业引入这些独立功能的软件产品和个别系统之前，并没有全面采用统一的解决方案或信息系统。当时，DCS层和ERP层的工作是相互独立的，因此系统之间存在信息孤岛问题。
❑20世纪80年代中期，针对生产制造现场的信息管理需求，人们开始认识到对独立的信息系统进行整合是十分重要的，出现了面向生产制造的绩效、进度跟踪、设备以及质量等方面的信息系统。因此传统的MES作为整合这些方面的雏形诞生于这个阶段。
❑20世纪90年代初，MES由AMR公司首次提出并投入使用。当时，在工业领域，人们逐渐认识到需要引入一种中间层技术，将业务系统和控制系统紧密结合起来。MES与生产设备控制系统（如DCS）以及业务系统（如ERP）等协同工作，共同搭建企业的中枢系统。其主要职责包括及时收集、传输、处理生产现场的信息，并传达业务计划的指令到生产现场。
❑2013年以后，在《中国制造2025》、美国“工业互联网”、德国“工业4.0”等战略背景下，全球制造业共同将智能制造作为发展方向。作为实现智能制造的关键推动力，MES受到了广泛关注。MES广泛应用于制造业、电子信息业、汽车制造业、石油化工业、食品饮料业等多个行业。通过管理模块，优化车间制造过程，达到提高生产效率和产品质量的目的，典型的MES如图2-9所示。
图2-9 典型的MES
它主要包含以下几种功能。
❑生产调度：可以根据生产订单和资源状况，自动计算生产计划和调度，从而优化生产线的运作。
❑物料管理：能够实时追踪原材料、半成品和成品的库存状况，确保生产所需物料的供应。
❑质量管理：通过收集生产制造过程中的质量数据，提供反馈并进行实时分析，有助于提高产品质量和降低质量成本。
❑设备管理：实时监控生产设备的运行状态，及时发现故障并进行维修保养，确保设备正常运行。
❑人员管理：记录员工的工作时间、工作内容和工作效率等信息，有助于提升员工的生产效率并减少人力成本。