SCADA數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)簡介kunli

1、1 一、什么是一、什么是SCADA系統(tǒng)系統(tǒng) SCADA的英文是Supervisory Control And Data Acquisition，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)采集和監(jiān)控。圖1.1所示為 一個市政工程污水處理SCADA系統(tǒng)。 圖1.1 SCADA系統(tǒng)實(shí)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(qiáng)大的計(jì)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(jì)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(shí)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(shí)時監(jiān)控，并 為安全生產(chǎn)、調(diào)度、管理、

2、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(jì) 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。 二、SCADA功 能 6 l(1)、數(shù)據(jù)采集DA(Data Acquisition)。 l(2)、數(shù)據(jù)預(yù)處理及報(bào)警(Calculation & Alarm)。 l(3)、事件順序記錄SOE(Sequeue Of Events)。 l(4)、事故追憶PDR(Post Disturbance Review)。 l(5)、遠(yuǎn)方控制(Control)。 l(6)、遠(yuǎn)方調(diào)整(Adjustme

3、nt)。 l(7)、趨勢曲線(Trend)和棒圖(Bargraph)。 l(8)、歷史數(shù)據(jù)存儲(History)和制表打印(Report)。 l(9)、系統(tǒng)統(tǒng)一時鐘(Clock)。 l(10)、模擬盤接口(Mimic board Interface)。 SCADA功能 2.1 數(shù)據(jù)采集功能 SCADA功能 2.2 數(shù)據(jù)處理功能 1）、模擬量處理：標(biāo)度變換；消零飄；越限檢查； 積分計(jì)算和平均值計(jì)算；最大值、最小值計(jì)算； 入庫。 2）、狀態(tài)量處理：描述電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)（將0/1狀 態(tài)變換為具有物理意義的信息）；告警；狀態(tài)量 的顯示。 3）、標(biāo)牌設(shè)置：對所有設(shè)備均可進(jìn)行掛牌操作， 提供警示信息，如：檢修

4、、接地、故障、危險(xiǎn)、 并列等。 4）、脈沖量處理：計(jì)算本周期電量；積分電度計(jì) 算；計(jì)算分時電量；信息入庫。 SCADA功能 2.3 計(jì)算功能 SCADA功能 2.4 電網(wǎng)控制功能 SCADA功能 2.5 告警功能 2.6 顯示功能 2.7 報(bào)表功能 2.8 其他輔助功能 畫面調(diào)用功能 畫面調(diào)用功能 SCADA的圖形操作 畫面調(diào)用及瀏覽器功能 3 歷史告警瀏覽 4 歷史數(shù)據(jù)瀏覽 5 圖形瀏覽器 三、三、SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 上位機(jī)：側(cè)重監(jiān)控功能 下位機(jī)：直接控制功能 通信網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)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

5、統(tǒng)”的特征。 圖1.2 SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1 1、下位機(jī)、下位機(jī) （1 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) PLC（中、小型）可編程邏輯控制器 Programmable Logic Controller 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(jī)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Con

6、trolLogix和施耐德的 Quantum系列等。 PAC（可編程自動化控制器） Programmable Automation Controller 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： 美國通用電氣公司GE Fanuc的 PACSystemsRX3i7i、美國國家儀器公司NI的 Compact FieldPoint、A-B公司的CompactLogix、 Beckoff公司 的CX1000、臺灣泓格科技的 WinConLinCon系列、PAC-7186EX和研華 公司的ADAM-5510EKW等。 智能儀表 在一些側(cè)重?cái)?shù)據(jù)采集、

7、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(jì)量表、冷量熱量表、智能巡檢儀等。 2 2、上位機(jī)、上位機(jī) （1 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)。 實(shí)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(shí)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(jī)功能： 數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)顯示。 遠(yuǎn)程監(jiān)控。 報(bào)警和報(bào)警處理。 事故追憶和趨

8、勢分析。 與其他應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)合。 （3）選用工控機(jī)或商用機(jī) 在SCADA系統(tǒng)發(fā)展初期，上位機(jī)系統(tǒng) 普遍采用工控機(jī)。因?yàn)楣た貦C(jī)在商用計(jì)算機(jī) 上進(jìn)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(jī)可靠性的不 斷增強(qiáng)，以及商用機(jī)與工控機(jī)之間較大的價(jià) 格差距，SCADA系統(tǒng)選用商用機(jī)做上位機(jī) 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(shí)現(xiàn)。 3 3、通信網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò) 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)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

9、要，這主要因?yàn)镾CADA 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。 （1 1）上位機(jī)系統(tǒng)： 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 2）下位機(jī)系統(tǒng)： 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(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)。 4 4、檢測和執(zhí)行設(shè)備、檢測和執(zhí)行設(shè)備 （1 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

10、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(shí)現(xiàn)。 （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。 三、三、SCADA系統(tǒng)典型架構(gòu)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

11、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。 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（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)主要是為了支持Internet應(yīng)用， 以滿足遠(yuǎn)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(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

12、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(jì)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 1、客戶機(jī)服務(wù)器結(jié)構(gòu)、客戶機(jī)服務(wù)器結(jié)構(gòu) CS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1.3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

13、等的環(huán)境，即CS系統(tǒng)中各計(jì)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(jì)算機(jī)來完成。 圖1.3 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。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(shí)現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的通訊開銷。 2 2、瀏覽器、瀏覽器/ /服務(wù)器結(jié)構(gòu)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CS結(jié)構(gòu)都無法滿足當(dāng)前的全球網(wǎng)

14、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(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(shí)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 3、兩種結(jié)構(gòu)比較、兩種結(jié)構(gòu)比較 （1）BS模式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) BS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)

15、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(shí) 現(xiàn)所有用戶的同步更新。 開發(fā)簡單，共享性強(qiáng)。 BS 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(shí)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(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)模式下的特殊功 能要求。 （2）CS模式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) CS結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在： 由于客戶端實(shí)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。 CS結(jié)構(gòu)的管理信息系統(tǒng)具有較強(qiáng)

16、的事 務(wù)處理能力，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程。 CS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。 四、四、SCADA、PLC與與DCS 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(jià)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。 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)，

17、性能穩(wěn)定， 可靠性高，技術(shù)成熟，使用廣泛，價(jià)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(jià)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

18、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、五、SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用系統(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(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(shí)現(xiàn)電力調(diào)度自動化與現(xiàn)代化 有著不可替代的作用。 1、定義 SCADA系統(tǒng)是一類功能強(qiáng)大的計(jì)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(jì)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(shí)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(shí)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。 SCADA功能 2.5 告警功能 2.6 顯示功能 2.7 報(bào)表功能 2.8 其他輔助功能 畫面調(diào)用及瀏覽器功能 3 歷史告警瀏覽 4 歷史數(shù)據(jù)瀏覽 5 圖形瀏覽器 4 4、檢測和執(zhí)行設(shè)備、檢測和執(zhí)行設(shè)備 （1 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)