工業(yè)4.0之SCADA系統(tǒng)介紹20151028

1、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集技術(shù)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集技術(shù) SCADA Ch1 SCADA系統(tǒng)概述 一、什么是SCADA系統(tǒng) SCADA的英文是Supervisory Control And Data Acquisition，譯成中文就是監(jiān)控與數(shù)據(jù) 采集。從其名稱可以看出，其包含兩個層次 的功能：數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。圖1.1所示為一個 市政工程SCADA系統(tǒng)。 圖1.1 SCADA系統(tǒng)實例污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng) 1、定義 SCADA系統(tǒng)是一類功能強大的計算機 遠程監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它綜合利 用了計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)，完成了對測控點分散的各種過程或 設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集，本地或遠程的自動 控制，以及生產(chǎn)

2、過程的全面實時監(jiān)控，并 為安全生產(chǎn)、調(diào)度、管理、優(yōu)化和故障診 斷提供必要和完整的數(shù)據(jù)及技術(shù)手段。 2、特點 一般來講，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。 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 如圖1.2所示。 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數(shù)字量輸

3、入、AI自動輸入等）進行數(shù)據(jù)采集 控制 下位機配置的各種輸出設(shè)備（DO數(shù)字量輸 出、AO自動輸出等）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(fù)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

4、 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

5、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W

6、inConLinCon 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、 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，

7、即配置兩臺SCADA服務(wù)器，當(dāng)一臺出現(xiàn)故 障時，系統(tǒng)自動切換到另外一臺工作。 （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

8、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)間網(wǎng)絡(luò)：）上位機系統(tǒng)間網(wǎng)絡(luò)： 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)間網(wǎng)絡(luò)：）下位機系統(tǒng)間網(wǎng)絡(luò)： 包括連接I/O設(shè)備與控制器的現(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

9、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，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、

10、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)展三個階段： 集中式SCADA系統(tǒng)階段 分布式SCADA系統(tǒng)階段 網(wǎng)絡(luò)式SCADA系統(tǒng) 1. 集中式SCADA系統(tǒng) 所有監(jiān)控功能依賴于一臺主機，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。 客戶機服務(wù)器（CS） 瀏覽器服務(wù)器結(jié)構(gòu)（BS），支持Internet 應(yīng)用，以滿足遠程監(jiān)控需要。 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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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，對控制的 要求不是特別高的場合。 PLC 系

16、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