第2章 SCADA系統(tǒng)

1、第第2 2章章 SCADA SCADA系統(tǒng)系統(tǒng)中國石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院 自動化系一、什么是SCADA系統(tǒng)SCADASupervisory Control And Data Acquisition，即監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集。包含兩個層次的功能：數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。SCADA系統(tǒng)是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。SCADA系統(tǒng)特指分布式計算機測控系統(tǒng)，主要用于測控點十分分散、分布范圍廣泛的生產(chǎn)過程或設(shè)備的監(jiān)控，通常情況下，測控現(xiàn)場是無人或少人值守。 SCADA系統(tǒng)實例污水處

2、理廠監(jiān)控系統(tǒng) 二、SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上位機：側(cè)重監(jiān)控功能下位機：直接控制功能通信網(wǎng)絡(luò)：實現(xiàn)上、下位機數(shù)據(jù)交換 從其結(jié)構(gòu)可以看出，SCADA系統(tǒng)具有控制分散、管理集中的“集散控制系統(tǒng)”的特征。圖1.2 SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1、下位機（1 1）下位機功能：）下位機功能：數(shù)據(jù)采集 下位機配置的各種輸入設(shè)備（DI、AI等）進行數(shù)據(jù)采集控制 下位機配置的各種輸出設(shè)備（DO、AO等）對現(xiàn)場設(shè)備進行控制 下位機接收上位機的監(jiān)控，并且向上位機傳輸各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)（2 2）下位機類型：）下位機類型：遠程終端單元RTU RTU（Remote Terminal Unit，RTU）是安裝在遠程現(xiàn)場的電子設(shè)備，用來監(jiān)視和測

3、量安裝在遠程現(xiàn)場的傳感器和設(shè)備。它在提高信號傳輸可靠性、減輕主機負擔(dān)、減少信號電纜用量、節(jié)省安裝費用等方面的優(yōu)點也得到用戶的肯定。 RTU的功能： RTU的主要作用是進行數(shù)據(jù)采集及本地控制，進行本地控制時作為系統(tǒng)中一個獨立的工作站，這時RTU可以獨立的完成連鎖控制、前饋控制、反饋控制、PID等工業(yè)上常用的控制調(diào)節(jié)功能；進行數(shù)據(jù)采集時作為一個遠程數(shù)據(jù)通訊單元，完成或響應(yīng)本站與中心站或其它站的通訊和遙控任務(wù)。 RTU的配置與程序執(zhí)行： RTU的主要配置有CPU模板、IO（輸入輸出）模板、通訊接口單元，以及通訊機、天線、電源、機箱等輔助設(shè)備。 RTU能執(zhí)行的任務(wù)流程取決于下載到CPU中的程序。應(yīng)用程

4、序可用工程中常用的編程語言編寫，如梯形圖、C語言等。有些設(shè)備采用C語言編程。RTU的特點： （1）同時提供多種通訊端口和通訊機制。（2）提供大容量程序和數(shù)據(jù)存儲空間。（3）高度集成的、更緊湊的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。（4）更適應(yīng)惡劣環(huán)境應(yīng)用的品質(zhì)。 PLC（中、小型） 典型的小型PLC產(chǎn)品有三菱的FX2N系統(tǒng)PLC、西門子的S7200系統(tǒng)、OMRON的CPM1A等。 一些中、大型的SCADA系統(tǒng)的下位機會選用中型的PLC產(chǎn)品，如三菱的Q系列、西門子的S7-300、A-B公司的ControlLogix和施耐德的Quantum系列等。 PAC（可編程自動化控制器） 作為一種開放型的自動化控制設(shè)備，PAC在

5、SCADA系統(tǒng)的下位機的應(yīng)用逐步增多，主要的產(chǎn)品有：GE Fanuc公司的PACSystemsRX3i7i、NI公司的Compact FieldPoint、Beckoff公司 的CX1000、泓格科技的WinConLinCon系列、PAC-7186EX、A-B公司的CompactLogix和研華公司的ADAM-5510EKW等。 智能儀表 在一些側(cè)重數(shù)據(jù)采集、信息集中管理與遠程監(jiān)管的應(yīng)用中，遠程控制功能要求較低。在這類SCADA系統(tǒng)中，大量使用各種現(xiàn)場儀表做下位機，如智能流量計量表、冷量熱量表、智能巡檢儀等。 2、上位機（1 1）上位機組成：）上位機組成： 上位機系統(tǒng)通常包括SCADA服務(wù)器、

6、工程師站、操作員站、WEB服務(wù)器等，這些設(shè)備通常采用以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。 實際的SCADA系統(tǒng)上位機系統(tǒng)到底如何配置還是根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和要求而定。根據(jù)安全性要求，上位機系統(tǒng)還可以實現(xiàn)冗余，即配置兩臺SCADA服務(wù)器，當(dāng)一臺出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動卻換到另外一臺工作。 （2 2）上位機功能：）上位機功能：數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)顯示。遠程監(jiān)控。報警和報警處理。 事故追憶和趨勢分析。與其他應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)合。（3）選用工控機或商用機 在SCADA系統(tǒng)發(fā)展初期，上位機系統(tǒng)普遍采用工控機。因為工控機在商用計算機上進行了改裝與加固，以適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的要求，主要體現(xiàn)在：硬件結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)可靠性、抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)性等。 然而，近年來，隨

7、著商業(yè)機可靠性的不斷增強，以及商用機與工控機之間較大的價格差距，SCADA系統(tǒng)選用商用機做上位機已經(jīng)十分普遍。對于可靠性要求高的場合，可以通過熱備等方式來實現(xiàn)。 3、通信網(wǎng)絡(luò) 通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，是SCADA系統(tǒng)的重要組成部分。與一般的過程監(jiān)控相比，通信網(wǎng)絡(luò)在SCADA系統(tǒng)中扮演的作用更為重要，這主要因為SCADA系統(tǒng)監(jiān)控的過程大多具有地理分散的特點，如無線通信機站系統(tǒng)的監(jiān)控。（1 1）上位機系統(tǒng)：）上位機系統(tǒng)： 主要是連接上位機、服務(wù)器、通信設(shè)備、打印設(shè)備的局域網(wǎng)絡(luò)。 上位機還可以設(shè)置WEB服務(wù)器，提供遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。（2 2）下位機系統(tǒng)：）下位機系統(tǒng)： 包括連接I/O設(shè)備與

8、控制器的現(xiàn)場總線，各種設(shè)備級總線等。（3 3）連接上、下位機的通信網(wǎng)絡(luò)）連接上、下位機的通信網(wǎng)絡(luò) 這部分網(wǎng)絡(luò)最復(fù)雜，形式最多樣，是SCADA系統(tǒng)的重要特點。4、檢測和執(zhí)行設(shè)備（1 1）檢測元件）檢測元件 SCADA系統(tǒng)中監(jiān)控的參數(shù)按照數(shù)據(jù)類型可以分為模擬量、數(shù)字量和脈沖量等，模擬量包括溫度、壓力、物位、流量等典型過程參數(shù)和其他各種參數(shù)，而數(shù)字量包括設(shè)備的啟停狀態(tài)等。 這些信號的獲取要靠各種檢測元件（傳感器）實現(xiàn)。（2）執(zhí)行器）執(zhí)行器 執(zhí)行設(shè)備接受下位機（控制器）的輸出，改變操縱變量，使生產(chǎn)過程按照預(yù)定要求正常運行。在不同的行業(yè)中，執(zhí)行器類別不一樣，如在生產(chǎn)過程監(jiān)控中，各種氣動執(zhí)行器得到廣泛應(yīng)用

9、，典型的就是氣動薄膜調(diào)節(jié)閥，還有各種開關(guān)閥門。而在制造業(yè)中，各種步進電機、變頻器、伺服電機等調(diào)速設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。 三、SCADA系統(tǒng)典型架構(gòu)SCADA系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了集中式SCADA系統(tǒng)階段、分布式SCADA系統(tǒng)階段和網(wǎng)絡(luò)式SCADA系統(tǒng)三個階段。集中式SCADA系統(tǒng)是所有的監(jiān)控功能依賴于一臺主機（mainframe），采用廣域網(wǎng)連接現(xiàn)場RTU和主機。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較簡單，開放性差，功能較弱。 網(wǎng)絡(luò)化SCADA系統(tǒng)以各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，控制結(jié)構(gòu)更加分散化，信息管理更集中。系統(tǒng)普遍以客戶機服務(wù)器（CS）和瀏覽器服務(wù)器結(jié)構(gòu)（BS）為基礎(chǔ)，多數(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上包含這兩者結(jié)構(gòu)，但以CS結(jié)構(gòu)為主，BS結(jié)構(gòu)主要是

10、為了支持Internet應(yīng)用，以滿足遠程監(jiān)控的需要。 與第二代SCADA系統(tǒng)相比，第三代SCADA系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更加開放，兼容性更好，可以無縫集成到全廠綜合自動化系統(tǒng)中。 由于SCADA系統(tǒng)的規(guī)模可以從幾百點到幾萬點，用戶對SCAD系統(tǒng)的需求是多樣的，因此對其系統(tǒng)架構(gòu)提出了很高的要求。 SCADA系統(tǒng)屬于典型的分布式計算機應(yīng)用系統(tǒng)，在這樣的系統(tǒng)中，體系結(jié)構(gòu)是軟件系統(tǒng)中最本質(zhì)的東西，良好的體系結(jié)構(gòu)意味著普適、高效和穩(wěn)定。由于體系結(jié)構(gòu)是對復(fù)雜事務(wù)的一種抽象，良好的體系結(jié)構(gòu)是普遍適用的，它可以高效地處理多種多樣的個體需求。同時，體系結(jié)構(gòu)在一定的時間內(nèi)保持穩(wěn)定。當(dāng)需求發(fā)生變化時，程序員可以不用修改系統(tǒng)的

11、體系結(jié)構(gòu)。 1、客戶機服務(wù)器結(jié)構(gòu) CS結(jié)構(gòu)中客戶機和服務(wù)器之間的通信以“請求響應(yīng)”的方式進行?？蛻魴C先向服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器再響應(yīng)這個請求，如圖1.3所示。 CS結(jié)構(gòu)最重要的特征是：它不是一個主從環(huán)境，而是一個平等的環(huán)境，即CS系統(tǒng)中各計算機在不同的場合既可能是客戶機，也可能是服務(wù)器。在CS應(yīng)用中，用戶只關(guān)心完整地解決自己的應(yīng)用問題，而不關(guān)心這些應(yīng)用問題由系統(tǒng)中哪臺或哪幾臺計算機來完成。 圖1.3 客戶機服務(wù)器結(jié)構(gòu) 如在SCADA系統(tǒng)中，當(dāng)SCADA服務(wù)器向PLC請求數(shù)據(jù)時，它是客戶機，而當(dāng)其他操作站向SCADA服務(wù)器請求服務(wù)時，它就是服務(wù)器。顯然，這種結(jié)構(gòu)可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢，將

12、任務(wù)合理分配到客戶端和服務(wù)器端來實現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的通訊開銷。 2、瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu) 隨著Internet的普及和發(fā)展，以往的主機終端和CS結(jié)構(gòu)都無法滿足當(dāng)前的全球網(wǎng)絡(luò)開放、互連、信息隨處可見和信息共享的新要求，于是就出現(xiàn)了BS型結(jié)構(gòu)，如圖1.4所示。 圖1.4 瀏覽器服務(wù)器結(jié)構(gòu) BS結(jié)構(gòu)最大特點是：用戶可以通過瀏覽器去訪問Internet上的文本、數(shù)據(jù)、圖像、動畫、視頻點播和聲音信息，這些信息都是由許許多多的Web服務(wù)器產(chǎn)生的，而每一個Web服務(wù)器又可以通過各種方式與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器連接，大量的數(shù)據(jù)實際存放在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是：客戶機統(tǒng)一采用瀏覽器，這不僅讓用戶使用方便，而且使

13、得客戶端不存在維護的問題。 3、兩種結(jié)構(gòu)比較（1）BS模式的優(yōu)點和缺點模式的優(yōu)點和缺點BS結(jié)構(gòu)的優(yōu)點表現(xiàn)在：具有分布性特點，可以隨時隨地進行查詢、瀏覽等業(yè)務(wù)處理。 業(yè)務(wù)擴展簡單方便，通過增加網(wǎng)頁即可增加服務(wù)器功能。 維護簡單方便，只需要改變網(wǎng)頁，即可實現(xiàn)所有用戶的同步更新。 開發(fā)簡單，共享性強。BS 結(jié)構(gòu)的缺點表現(xiàn)在：個性化特點明顯降低，無法實現(xiàn)具有個性化的功能要求。 操作是以鼠標(biāo)為最基本的操作方式，無法滿足快速操作的要求。 頁面動態(tài)刷新，響應(yīng)速度明顯降低。 功能弱化，難以實現(xiàn)傳統(tǒng)模式下的特殊功能要求。（2）CS模式的優(yōu)點和缺點模式的優(yōu)點和缺點CS結(jié)構(gòu)的優(yōu)點表現(xiàn)在：由于客戶端實現(xiàn)與服務(wù)器的直接

14、相連，沒有中間環(huán)節(jié)，因此響應(yīng)速度快。 操作界面漂亮、形式多樣，可以充分滿足客戶自身的個性化要求。 CS結(jié)構(gòu)的管理信息系統(tǒng)具有較強的事務(wù)處理能力，能實現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程。 CS結(jié)構(gòu)的缺點表現(xiàn)在：需要專門的客戶端安裝程序，分布功能弱，針對點多面廣且不具備網(wǎng)絡(luò)條件的用戶群體，不能夠?qū)崿F(xiàn)快速部署安裝和配置。 兼容性差，對于不同的開發(fā)工具，具有較大的局限性。若采用不同工具，需要重新改寫程序。 開發(fā)成本較高，需要具有一定專業(yè)水準(zhǔn)的技術(shù)人員才能完成。 四、SCADA、PLC與DCS SCADA系統(tǒng)集中了PLC系統(tǒng)的現(xiàn)場測控功能強和DCS系統(tǒng)的組網(wǎng)通訊能力的兩大優(yōu)點，性能價格比高，特別適合測控點極為分散，對控制

15、的要求不是特別高的場合。 PLC 系統(tǒng)，即可編程控制器系統(tǒng)，適用于工業(yè)現(xiàn)場的測量控制，現(xiàn)場測控功能強，性能穩(wěn)定，可靠性高，技術(shù)成熟，使用廣泛，價格合理 。 PLC多作為SCADA系統(tǒng)的下位機。 DCS 系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)），適用于測控點數(shù)多、測控精度高、測控速度快的工業(yè)現(xiàn)場，其特點是分散控制和集中監(jiān)視，具有組網(wǎng)通訊能力、測控功能強、運行可靠、易于擴展、組態(tài)方便、操作維護簡便，但系統(tǒng)的價格昂貴。 SCADA系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)為上、下位機的結(jié)構(gòu)，下位機完成設(shè)備的直接控制，而上位機側(cè)重于信息集中管理，上、下位機通過通信網(wǎng)絡(luò)連接。由于SCADA系統(tǒng)的控制對象分布可能極為分散，因此，SCADA系統(tǒng)的通信通常比DCS要復(fù)雜，通信的形式也會多種多樣。 SCADA系統(tǒng)可以集成不同廠家的各種測控產(chǎn)品，開放性更好。而某一過程的DCS控制系統(tǒng)通常是某固定型號的。五、SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，SCADA系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)發(fā)展也最為成熟。 它作為能量管理系統(tǒng)（EMS系統(tǒng)）的一個最主要的子系統(tǒng)，有著信息完整、提高效率、正確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢，現(xiàn)已經(jīng)成為電力調(diào)度不可缺少的工具。它對提高電網(wǎng)運行的可靠性、安全性與經(jīng)濟效益，減輕調(diào)