工業(yè)控制系統(tǒng)及應(yīng)用-SCADA系統(tǒng)篇（第2版） 課件 第1章工業(yè)控制系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)概述

監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集技術(shù)Ch1工業(yè)控制系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)概述一、工業(yè)生產(chǎn)中的工業(yè)控制系統(tǒng)1、工業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)與對應(yīng)的工控系統(tǒng)

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)不同特點(diǎn)，產(chǎn)生了不同類型的工業(yè)自動化系統(tǒng)工廠自動化（FactoryAutomation，F(xiàn)A）

過程/流程自動化（ProcessAutomation，PA）工業(yè)控制領(lǐng)域的制造商眾多，像西門子、ABB、施耐德等大型自動化公司，其業(yè)務(wù)一般覆蓋工廠自動化和工業(yè)自動化；而三菱電機(jī)、發(fā)那科、羅克韋爾自動化、匯川等公司，其業(yè)務(wù)主要是工廠自動化；艾默生過程管理、霍尼韋爾、橫河電機(jī)、浙大中控等公司的主要業(yè)務(wù)是工業(yè)自動化。市場上數(shù)量眾多的中小型自動化公司（如倍福、研華、臺達(dá)、亞控科技等），其產(chǎn)品主要面向特定行業(yè)或生產(chǎn)某類自動化軟硬件設(shè)備。2、離散制造控制系統(tǒng)特點(diǎn)及其內(nèi)容1）系統(tǒng)特點(diǎn)（1）檢測的參數(shù)多數(shù)為數(shù)字量信號（如啟動、停止、位置、運(yùn)行、故障等參數(shù)），模擬量主要是電量信號（電壓、電流）和位移、速度、加速度等參數(shù)。執(zhí)行器多是變頻器及伺服機(jī)構(gòu)等?？刂品绞蕉啾憩F(xiàn)為邏輯與順序控制、運(yùn)動控制。（2）通常情況下，工廠自動化被控對象的時間常數(shù)比較小，屬于快速系統(tǒng)，其控制回路數(shù)據(jù)采集和控制周期通常小于1毫秒，因此，用于運(yùn)動控制的現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)捻憫?yīng)時間為幾百微秒，使用的現(xiàn)場總線大多是高速總線，如EtherCAT和Powerlink等。（3）在單元級設(shè)備大量使用數(shù)控機(jī)床，也廣泛使用各類運(yùn)動控制器。可編程控制器（PLC）是使用最為廣泛的通用控制器。人機(jī)界面在生產(chǎn)線上也被大量使用，幫助工人進(jìn)行現(xiàn)場操作與監(jiān)控。（4）生產(chǎn)多在室內(nèi)進(jìn)行，現(xiàn)場的電磁、粉塵、振動等干擾較多。2）離散制造控制系統(tǒng)主要內(nèi)容離散制造過程的主要控制技術(shù)——運(yùn)動控制

運(yùn)動控制（MotionControl）通常是指在復(fù)雜條件下將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令等轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動，對機(jī)械運(yùn)動實現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制，以及對轉(zhuǎn)矩和力的控制。離散制造控制系統(tǒng)主要控制設(shè)備繼電器-接觸器控制系統(tǒng)專用數(shù)控系統(tǒng)通用型控制系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人3、流程工業(yè)控制系統(tǒng)特點(diǎn)及其內(nèi)容1）控制系統(tǒng)特點(diǎn)（1）檢測的參數(shù)以溫度、壓力、液位、流量及分析參數(shù)等模擬量為主，以數(shù)字量為輔；執(zhí)行器以調(diào)節(jié)閥為主，以開關(guān)閥為輔；控制方式主要采用定值控制，以克服擾動為主要目的。（2）通常情況下，流程工業(yè)被控對象的時間常數(shù)比較大，屬于慢變系統(tǒng)，其控制回路數(shù)據(jù)采集和控制周期通常為100～1000毫秒，因此，一般流程工業(yè)所用的現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)傳輸速率較低。（3）生產(chǎn)多在室外進(jìn)行，對測控設(shè)備的防水、防爆、防雷等級的要求較高。（4）為確保生產(chǎn)的連續(xù)性，要求自動化程度高；當(dāng)生產(chǎn)過程中具有高溫、高壓等特點(diǎn)時，對于安全等級的要求較高。流程工業(yè)廣泛使用集散控制系統(tǒng)和各類安全儀表系統(tǒng)。2）流程工業(yè)控制系統(tǒng)及其發(fā)展經(jīng)歷了基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、分散型智能儀表控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程。

控制方式分類：從控制設(shè)備的使用方式來看，可以分為儀表控制和計算機(jī)控制；

從控制結(jié)構(gòu)來看，可以分為集中式控制和分散性控制；從信號類型來看，可以分為模擬式控制和數(shù)字式控制。3）流程工業(yè)控制系統(tǒng)的主要儀表與裝置流程工業(yè)大量使用DCS進(jìn)行常規(guī)控制，使用安全儀表系統(tǒng)實現(xiàn)安全功能。常規(guī)控制系統(tǒng)的基本控制回路包括控制器、執(zhí)行器、檢測儀表和被控對象四部分。

控制器可以是控制儀表，也可以是PLC或DCS的現(xiàn)場控制站。

執(zhí)行器主要是氣動調(diào)節(jié)閥和一些開關(guān)閥。

檢測儀表主要檢測溫度、壓力、物位和流程等過程參數(shù)和一些成分參數(shù)。4）流程工業(yè)控制系統(tǒng)的主要控制策略

在流程工業(yè)中，一些復(fù)雜過程往往具有不確定性（環(huán)境結(jié)構(gòu)和參數(shù)的未知性、時變性、隨機(jī)性、突變性）、非線性、變量間的關(guān)聯(lián)性、信息的不完全和大純滯后等特性，因此，流程工業(yè)的控制策略受到廣泛研究，常用的控制策略可分為：簡單控制、復(fù)雜控制和先進(jìn)控制（APC）。

復(fù)雜控制有前饋控制、前饋-反饋控制、比值控制、均勻控制、串級控制、分程控制和解耦控制等。

先進(jìn)控制主要有預(yù)測控制和一些智能控制策略等。

通常要根據(jù)被控過程的特點(diǎn)和控制要求合理選擇控制策略，制定控制參數(shù)。4、工業(yè)控制發(fā)展的兩條主線（1）工業(yè)控制理論與技術(shù)：開發(fā)具有一定普適性或適用于某行業(yè)的控制理論與技術(shù)，以這些先進(jìn)的控制理論與技術(shù)應(yīng)對各類控制工程中的復(fù)雜問題。一般認(rèn)為，工業(yè)控制理論與技術(shù)經(jīng)歷了經(jīng)典控制與現(xiàn)代控制階段，目前處于智能控制階段。（2）工業(yè)控制系統(tǒng)/裝置：主要是不斷開發(fā)、升級現(xiàn)有的工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)備，以這些新型的設(shè)備作為載體，來支持復(fù)雜的控制理論與算法，并實現(xiàn)與調(diào)度、管理系統(tǒng)的集成，提高工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平、管理水平和綜合效益。工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬控制、數(shù)字化分布式控制階段，目前處于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)階段。5、典型的工業(yè)控制系統(tǒng)

典型的工業(yè)控制系統(tǒng)系統(tǒng)包括兩大類：（1）SCADA系統(tǒng)（2）集散控制系統(tǒng)

完整的計算機(jī)控制系統(tǒng)除了包括控制器以往，還應(yīng)該有完整的人機(jī)界面，可以進(jìn)行監(jiān)控、報警、報表、數(shù)據(jù)記錄等功能。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一類較新的工業(yè)控制系統(tǒng)，目前其應(yīng)用還沒有得到大規(guī)模的普及（H1總線速度慢、抗干擾能力差等弱點(diǎn)）。現(xiàn)在廠商已經(jīng)不再大力推廣該系統(tǒng)。

還有一類計算機(jī)控制系統(tǒng)，采用工控機(jī)或商用計算機(jī)做主機(jī)，配上I/O模塊，如A/D、D/A、DI、DO等。采用高級語言或組態(tài)軟件編寫控制程序。這種控制方式只適用于一些對控制要求不高的小系統(tǒng)。

上述方式，近年還可以采用分布式數(shù)據(jù)采集模塊，通過數(shù)字通信的方式與控制軟件通信，這樣可以節(jié)約電纜。

（3）SCADA系統(tǒng)與其它計算機(jī)控制系統(tǒng)的比較SCADA系統(tǒng)集中了PLC系統(tǒng)的現(xiàn)場測控功能強(qiáng)和DCS系統(tǒng)的組網(wǎng)通訊能力的兩大優(yōu)點(diǎn)，性能價格比高，特別適合測控點(diǎn)極為分散，對控制的要求不是特別高的場合（電力SCADA等除外）。

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(qiáng)，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(jī)。

DCS

系統(tǒng)（集散控制系統(tǒng)），適用于測控點(diǎn)數(shù)多、測控精度高、測控速度快的工業(yè)現(xiàn)場，其特點(diǎn)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(qiáng)、運(yùn)行可靠、易于擴(kuò)展、組態(tài)方便、操作維護(hù)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(jī)的結(jié)構(gòu)，下位機(jī)完成設(shè)備的直接控制，而上位機(jī)側(cè)重于信息集中管理，上、下位機(jī)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。某垃圾焚燒發(fā)電廠的DCS操作界面

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種控制方案層出不窮，一個具體的工業(yè)控制問題可以有不同的解決方案。但總體上來說，還是遵循傳統(tǒng)的思路，即在制造業(yè)的控制中，還是首選PLC，而過程控制系統(tǒng)首選DCS。而對于監(jiān)控點(diǎn)十分分散的控制過程，多數(shù)還是會選SCADA系統(tǒng)，只是隨著應(yīng)用的不同，下位機(jī)的選擇會有不同。當(dāng)然，由于控制技術(shù)的不斷融合，在實際應(yīng)用中，有些控制系統(tǒng)的選型還是具有一定的靈活性。二、SCADA系統(tǒng)1、系統(tǒng)定義與特點(diǎn)SCADA的英文是SupervisoryControlAndDataAcquisition，譯成中文就是監(jiān)督控制與數(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)采集監(jiān)控、管理

圖1.3所示為一個污水處理廠SCADA系統(tǒng)。圖1.3(a)SCADA系統(tǒng)實例－污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)原油（天然氣）井站、油氣地面開采集輸、原油（天然氣）處理聯(lián)合站、輸油（氣）管道的自動化。圖1.3（b)SCADA系統(tǒng)實例－油田監(jiān)控系統(tǒng)（1）定義

SCADA系統(tǒng)是一類功能強(qiáng)大的計算機(jī)遠(yuǎn)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(jī)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(diǎn)分散的各種過程或設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集，本地或遠(yuǎn)程的自動控制，以及生產(chǎn)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(diǎn)

一般來講，SCADA系統(tǒng)特指分布式計算機(jī)測控系統(tǒng)，主要用于測控點(diǎn)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。2、SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成上位機(jī)：側(cè)重監(jiān)控與管理功能下位機(jī)：直接控制功能通信網(wǎng)絡(luò)：實現(xiàn)上、下位機(jī)數(shù)據(jù)交換如圖1.4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1.4SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）下位機(jī)1）下位機(jī)功能：數(shù)據(jù)采集下位機(jī)配置的各種輸入設(shè)備（DI、AI等）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制下位機(jī)配置的各種輸出設(shè)備（DO、AO等）對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行直接控制。下位機(jī)接收上位機(jī)的監(jiān)控，并且向上位機(jī)傳輸各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)。2）下位機(jī)類型：遠(yuǎn)程終端單元RTURTU（RemoteTerminalUnit，RTU）是安裝在遠(yuǎn)程現(xiàn)場的電子設(shè)備，用來監(jiān)視和測量安裝在遠(yuǎn)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(jī)負(fù)擔(dān)、減少信號電纜用量、節(jié)省安裝費(fèi)用等方面的優(yōu)點(diǎn)也得到用戶的肯定。RTU和PLC有些相似，但是和PLC并行獨(dú)立發(fā)展起來的，產(chǎn)生初期就是面向測控點(diǎn)分散的SCADA系統(tǒng)應(yīng)用，而不像PLC一樣面向企業(yè)工廠自動化。

北京安控公司的Super32-LP微功耗RTU，是面向工業(yè)現(xiàn)場信號采集和控制的小型RTU。采用微功耗設(shè)計，內(nèi)置GPRS通信模塊和Zigbee無線通信接口，配合SZ系列無線儀表，極其方便的組成自來水和燃?xì)夤芫W(wǎng)測壓系統(tǒng)。特別適合在小點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域使用。RTU的功能：

RTU的主要作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及本地控制，進(jìn)行本地控制時作為系統(tǒng)中一個獨(dú)立的工作站，這時RTU可以獨(dú)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集時作為一個遠(yuǎn)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、I／O（輸入／輸出）模板、通訊接口單元，以及通訊機(jī)、天線、電源、機(jī)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，如梯形圖等。有些設(shè)備還支持C語言編程。RTU的特點(diǎn)：（1）同時提供多種通訊端口和通訊機(jī)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和5U系列PLC、西門子的S7-1200、OMRON的CPM1A等。一些中、大型的SCADA系統(tǒng)的下位機(jī)會選用中型的PLC產(chǎn)品，如三菱的Q系列、西門子的S7-1500、A-B公司的ControlLogix和施耐德的Quantum系列等。圖1.5所示為下位機(jī)程序。

由于PLC具有更好的通用型，目前PLC在SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用要超過RTU。圖1.5下位機(jī)程序示例（三菱電機(jī)PLC）a、西門子S7-200b、三菱電機(jī)FX2N圖1.6整體式可編程控制器

a、西門子S7-300b、三菱A系列c、A-BControl

Logix圖1.7模塊式可編程控制器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(jī)的應(yīng)用逐步增多，主要的產(chǎn)品有：GEFanuc公司的PACSystemsRX3i／7i、NI公司的CompactFieldPoint、Beckoff公司的CX1000、泓格科技的WinCon／LinCon系列、μPAC-7186EX、A-B公司的CompactLogix和研華公司的ADAM-5510EKW等。PAC可以看作是高端的PLC圖1.8泓格科技的WinCon智能儀表在一些側(cè)重數(shù)據(jù)采集、信息集中管理與遠(yuǎn)程監(jiān)管的應(yīng)用中，遠(yuǎn)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(jī)，如智能流量計量表、冷量熱量表、智能巡檢儀等。總線式工控機(jī)隨著計算機(jī)設(shè)計的日益科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化，一種總線系統(tǒng)和開放式體系結(jié)構(gòu)的概念應(yīng)運(yùn)而生?？偩€即是一組信號線的集合，一種傳送規(guī)定信息的公共通道。它定義了各引線的信號特性、電氣特性和機(jī)械特性。按照這種統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)，計算機(jī)廠家可設(shè)計制造出若干具有某種通用功能的模板，而系統(tǒng)設(shè)計人員則根據(jù)不同的生產(chǎn)過程，選用相應(yīng)的功能模板組合成自己所需的計算機(jī)控制系統(tǒng)?？偩€式工控機(jī)具有小型化、模板化、組合化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計特點(diǎn)，能滿足不同層次，不同控制對象的需要，又能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠地運(yùn)行，因而，其應(yīng)用極為廣泛。我國工控領(lǐng)域總線工控機(jī)主要有3種系列：Z80系列、8088/86系列和單片機(jī)系列。專用控制器隨著微電子技術(shù)與超大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)的另一個分支——超小型化的單片微型計算機(jī)（singchipmicrocomputer）簡稱單片機(jī)誕生了。它拋開了以通用微處理器為核心構(gòu)成計算機(jī)的模式，充分考慮到控制的需要，將CPU、存儲器、串并行I/O接口、定時/計數(shù)器，甚至A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器、圖形控制器等功能部件全都集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，構(gòu)成了一個完整的具有相當(dāng)控制功能的微控制器，也稱片上系統(tǒng)（SoC）。近年來，以ARM（Advanced

RISC

Machine）架構(gòu)為代表的精簡指令集（RISC）處理器架構(gòu)大量使用。除了在消費(fèi)電子領(lǐng)域，如移動電話、多媒體播放器、掌上型電子游戲等設(shè)備上使用外，在工控設(shè)備中ARM處理器也廣泛使用。安全控制器不同的應(yīng)用場合發(fā)生事故后其后果不一樣，一般通過對所有事件發(fā)生的可能性與后果的嚴(yán)重程度及其他安全措施的有效性進(jìn)行定性的評估，從而確定適當(dāng)?shù)陌踩鹊燃墶Ｄ壳癐EC-61508將過程安全所需要的安全完整性水平劃分為4級，從低到高為SIL1~SIL4。為了實現(xiàn)上述一定的安全完整性水平，需要使用安全儀表系統(tǒng)（SafetyinstrumentationSystem，簡稱SIS），該系統(tǒng)也稱為安全聯(lián)鎖系統(tǒng)（SafetyinterlockingSystem）。該系統(tǒng)是常規(guī)控制系統(tǒng)之外的側(cè)重功能安全的系統(tǒng)，保證生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、事故安全聯(lián)鎖。安全儀表系統(tǒng)包括傳感器、邏輯運(yùn)算器和最終執(zhí)行元件，即檢測單元、控制單元和執(zhí)行單元。羅克韋爾GuardLogix集成安全控制系統(tǒng)（圖中紅色為安全控制器）邊緣控制器

邊緣設(shè)備增強(qiáng)的計算等功能實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)（也是現(xiàn)場設(shè)備側(cè)）的分析、處理與存儲，不僅減少了對云端的依賴，還提高了數(shù)據(jù)的安全性。

邊緣計算對數(shù)據(jù)的本地處理、控制與通信的要求超出了傳統(tǒng)的PLC等現(xiàn)場控制器的能力。因此，一種滿足工業(yè)現(xiàn)場使用環(huán)境，集成PLC（包含本地和遠(yuǎn)程I/O）、PC（包含人機(jī)界面）、工業(yè)網(wǎng)關(guān)（包含部分信息安全功能）、機(jī)器視覺、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)等功能于一體的設(shè)備逐步出現(xiàn)。

該設(shè)備能同時實現(xiàn)多重控制（過程控制、邏輯控制、運(yùn)動控制）、數(shù)據(jù)采集與發(fā)布、實時運(yùn)算、數(shù)據(jù)庫連接與云端連接，并成為IT與OT融合的重要橋梁，這樣的邊緣設(shè)備稱為邊緣控制器（EdgeController）。圖1.9兩類從邊緣到云端的解決方案1）上位機(jī)組成：上位機(jī)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)。上位機(jī)人機(jī)界面如圖1.9所示。實際的SCADA系統(tǒng)上位機(jī)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(jī)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）上位機(jī)2）上位機(jī)功能：①數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)顯示

SCADA系統(tǒng)的首要功能就是數(shù)據(jù)采集，即首先通過下位機(jī)采集測控現(xiàn)場數(shù)據(jù)，然后上位機(jī)通過通信網(wǎng)絡(luò)從眾多的下位機(jī)中采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行匯總、記錄和顯示。通常情況下，下位機(jī)不具有數(shù)據(jù)記錄功能，只有上位機(jī)才能完整地記錄和保持各種類型的數(shù)據(jù)，為各種分析和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。②遠(yuǎn)程監(jiān)控。由于上位機(jī)采集數(shù)據(jù)具有全面性和完整性，監(jiān)控中心的控制管理也具有全局性，能更好地實現(xiàn)整個系統(tǒng)的合理、優(yōu)化運(yùn)行。特別是對許多常年無人值守的現(xiàn)場，遠(yuǎn)程監(jiān)控是安全生產(chǎn)的重要保證。遠(yuǎn)程監(jiān)控的實現(xiàn)不僅表現(xiàn)在管理設(shè)備的開、停及其工作方式，如手動還是自動，還可以通過修改下位機(jī)的控制參數(shù)來實現(xiàn)對下位機(jī)運(yùn)行的管理和監(jiān)控。③報警和報警處理

SCADA系統(tǒng)上位機(jī)的報警功能對于盡早發(fā)現(xiàn)和排除測控現(xiàn)場的各種故障，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行起重要作用。上位機(jī)上可以以多種形式顯示發(fā)生的故障的名稱、等級、位置、時間和報警信息的處理或應(yīng)答情況。上位機(jī)系統(tǒng)可以同時處理和顯示多點(diǎn)同時報警，并且對報警的應(yīng)答做記錄。④事故追憶和趨勢分析。上位機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)，如報警與報警處理記錄、用戶管理記錄、設(shè)備操作記錄、重要的參數(shù)記錄與過程數(shù)據(jù)的記錄對于分析和評價系統(tǒng)運(yùn)行狀況是必不可少的。對于預(yù)測和分析系統(tǒng)的故障，快速地找到事故的原因并找到恢復(fù)生產(chǎn)的最佳方法是十分重要的，這也是評價一個SCADA系統(tǒng)其功能強(qiáng)弱重要的指標(biāo)之一。⑤與其他應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)合工業(yè)控制的發(fā)展趨勢就是管控一體化，也稱為綜合自動化，典型的系統(tǒng)架構(gòu)就是ERP／MES／PCS三級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1.10所示，SCADA系統(tǒng)就屬于PCS層，是綜合自動化的基礎(chǔ)和保障。這就要求SCADA系統(tǒng)是開放的系統(tǒng)，可以為上層應(yīng)用提供各種信息，也可以接收上層系統(tǒng)的調(diào)度、管理和優(yōu)化控制指令，實現(xiàn)整個企業(yè)的優(yōu)化運(yùn)行。

市政設(shè)施SCADA系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)的結(jié)合較多。圖1.10綜合自動化體系結(jié)構(gòu)(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(diǎn)，如無線通信機(jī)站系統(tǒng)的監(jiān)控。在一個大型的SCADA系統(tǒng)，包含多種層次的網(wǎng)絡(luò)，如設(shè)備層總線，現(xiàn)場總線；在控制中心有以太網(wǎng)；而連接上、下位機(jī)的通信形式更是多樣，既有有線通信，也有無線通信，有些系統(tǒng)還有微波、衛(wèi)星等通信方式。1）上位機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要是連接上位機(jī)、服務(wù)器、通信設(shè)備、打印設(shè)備的局域網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)還可以設(shè)置WEB服務(wù)器，提供遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。2）下位機(jī)系統(tǒng)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。

在一些應(yīng)用中，現(xiàn)場布線不方便，會采用短距離無線通信。3）連接上、下位機(jī)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(diǎn)。1）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。要靠各種檢測元件（傳感器）實現(xiàn)采集。2）執(zhí)行器執(zhí)行設(shè)備接受下位機(jī)（控制器）的輸出，改變操縱變量，使生產(chǎn)過程/設(shè)備按照預(yù)定要求正常運(yùn)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(jìn)電機(jī)、變頻器、伺服電機(jī)等調(diào)速設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。（4）檢測和執(zhí)行設(shè)備4、SCADA系統(tǒng)發(fā)展與典型架構(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(jī)（mainframe），采用廣域網(wǎng)連接現(xiàn)場RTU和主機(jī)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較簡單，開放性差，功能較弱?，F(xiàn)場RTU幾乎無控制功能，只側(cè)重數(shù)據(jù)采集。第二代SCADA系統(tǒng)逐步向網(wǎng)絡(luò)化、分布式過渡，但是使用的是專業(yè)網(wǎng)絡(luò)，專業(yè)協(xié)議，但開放性較差?，F(xiàn)場RTU具有控制功能。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(jī)／服務(wù)器（C／S）和瀏覽器／服務(wù)器結(jié)構(gòu)（B／S）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C／S結(jié)構(gòu)為主，B／S結(jié)構(gòu)主要是為了支持Internet應(yīng)用，以滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要?，F(xiàn)場控制設(shè)備具有較強(qiáng)的控制功能和通信能力。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。第三代SCADA系統(tǒng)在軟、硬件上開放性好，采用國際標(biāo)準(zhǔn)或主流的網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議。同時，PLC在SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用更加普通。由于SCADA系統(tǒng)的規(guī)?？梢詮膸装冱c(diǎn)到幾萬點(diǎn)，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(jī)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(jī)／服務(wù)器結(jié)構(gòu)C／S結(jié)構(gòu)中客戶機(jī)和服務(wù)器之間的通信以“請求－響應(yīng)”的方式進(jìn)行?？蛻魴C(jī)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1.11所示。

C／S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C／S系統(tǒng)中各計算機(jī)在不同的場合既可能是客戶機(jī)，也可能是服務(wù)器。在C／S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(jī)來完成。圖1.11客戶機(jī)／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(jī)，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。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的普及和發(fā)展，以往的主機(jī)／終端和C／S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B／S型結(jié)構(gòu)，如圖1.12所示。圖1.12瀏覽器／服務(wù)器結(jié)構(gòu)B／S結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)是：客戶機(jī)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(hù)的問題。3）兩種結(jié)構(gòu)比較1）B／S模式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)B／S結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：具有分布性特點(diǎn)，可以隨時隨地進(jìn)行查詢、瀏覽等業(yè)務(wù)處理。業(yè)務(wù)擴(kuò)展簡單方便，通過增加網(wǎng)頁即可增加服務(wù)器功能。維護(hù)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(qiáng)。B／S結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)表現(xiàn)在：個性化特點(diǎn)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）C／S模式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)C／S結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)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、形式多樣，可以充分滿足客戶自身的個性化要求。C／S結(jié)構(gòu)的管理信息系統(tǒng)具有較強(qiáng)的事務(wù)處理能力，能實現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程。

C／S結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)表現(xiàn)在：需要專門的客戶端安裝程序，分布功能弱，針對點(diǎn)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。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(yùn)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(yùn)行的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)效益，減輕調(diào)度員的負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)電力調(diào)度自動化與現(xiàn)代化有著不可替代的作用。5、SCADA系統(tǒng)典型應(yīng)用領(lǐng)域（1）電力SCADA圖1.12瀏覽器／服務(wù)器結(jié)構(gòu)（2）武廣高鐵防災(zāi)SCADA系統(tǒng)在武廣高鐵上采用SCADA技術(shù)建立了鐵路防災(zāi)系統(tǒng)。武廣高鐵全長995公里，有10個車站，3個數(shù)據(jù)調(diào)度中心，分別位于武昌新火車站、長沙火車站和廣州南站內(nèi)。全線共設(shè)置155