SCADA系统介绍

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监控与数据采集技术SCADACh1SCADA系统概述一、什么是SCADA系统SCADA的英文是SupervisoryControlAndDataAcquisition,译成中文就是监控与数据采集。从其名称可以看出,其包含两个层次的功能:数据采集和监控。图1.1所示为一个市政工程SCADA系统。PRINTHELPALPHASHIFTENTERRUNDGERFIAJBKCL7M8N9ODGDGDGDGT3U0V.WXYZTAB%UTILIZATIONHUB/MAUNIC2BNC4Mb/s以太网数据服务器工作站WEB服务器SCADA服务器SCADA服务器Profibus现场I/O电台污水泵站进水泵房曝气池污泥处理配电间现场人机界面现场I/O图1.1SCADA系统实例-污水处理厂监控系统1、定义SCADA系统是一类功能强大的计算机远程监督控制与数据采集系统,它综合利用了计算机技术、控制技术、通信与网络技术,完成了对测控点分散的各种过程或设备的实时数据采集,本地或远程的自动控制,以及生产过程的全面实时监控,并为安全生产、调度、管理、优化和故障诊断提供必要和完整的数据及技术手段。2、特点一般来讲,SCADA系统特指分布式计算机测控系统,主要用于测控点十分分散、分布范围广泛的生产过程或设备的监控,通常情况下,测控现场是无人或少人值守。二、SCADA系统结构上位机:侧重监控功能下位机:直接控制功能通信网络:实现上、下位机数据交换如图1.2所示。从其结构可以看出,SCADA系统具有控制分散、管理集中的“集散控制系统”的特征。GPRS电台X2.5卫星PRINTHELPALPHASHIFTENTERRUNDGERFIAJBKCL7M8N9ODGDGDGDGT3U0V.WXYZTAB%UTILIZATIONHUB/MAUNIC2BNC4Mb/s以太网数据服务器工作站WEB服务器WEB客户SCADA服务器SCADA服务器以太网(或工业以太网)现场控制站点现场总线现场总线I/O设备InternetModem串口服务器RTUPLC图1.2SCADA系统结构1、下位机(1)下位机功能:数据采集下位机配置的各种输入设备(DI、AI等)进行数据采集控制下位机配置的各种输出设备(DO、AO等)对现场设备进行控制下位机接收上位机的监控,并且向上位机传输各种现场数据(2)下位机类型:远程终端单元RTURTU(RemoteTerminalUnit,RTU)是安装在远程现场的电子设备,用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。它在提高信号传输可靠性、减轻主机负担、减少信号电缆用量、节省安装费用等方面的优点也得到用户的肯定。RTU的功能:RTU的主要作用是进行数据采集及本地控制,进行本地控制时作为系统中一个独立的工作站,这时RTU可以独立的完成连锁控制、前馈控制、反馈控制、PID等工业上常用的控制调节功能;进行数据采集时作为一个远程数据通讯单元,完成或响应本站与中心站或其它站的通讯和遥控任务。RTU的配置与程序执行:RTU的主要配置有CPU模板、I/O(输入/输出)模板、通讯接口单元,以及通讯机、天线、电源、机箱等辅助设备。RTU能执行的任务流程取决于下载到CPU中的程序。应用程序可用工程中常用的编程语言编写,如梯形图、C语言等。有些设备采用C语言编程。RTU的特点:(1)同时提供多种通讯端口和通讯机制。(2)提供大容量程序和数据存储空间。(3)高度集成的、更紧凑的模块化结构设计。(4)更适应恶劣环境应用的品质。PLC(中、小型)典型的小型PLC产品有三菱的FX2N系统PLC、西门子的S7200系统、OMRON的CPM1A等。一些中、大型的SCADA系统的下位机会选用中型的PLC产品,如三菱的Q系列、西门子的S7-300、A-B公司的ControlLogix和施耐德的Quantum系列等。PAC(可编程自动化控制器)作为一种开放型的自动化控制设备,PAC在SCADA系统的下位机的应用逐步增多,主要的产品有: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和研华公司的ADAM-5510EKW等。智能仪表在一些侧重数据采集、信息集中管理与远程监管的应用中,远程控制功能要求较低。在这类SCADA系统中,大量使用各种现场仪表做下位机,如智能流量计量表、冷量热量表、智能巡检仪等。2、上位机(1)上位机组成:上位机系统通常包括SCADA服务器、工程师站、操作员站、WEB服务器等,这些设备通常采用以太网联网。实际的SCADA系统上位机系统到底如何配置还是根据系统规模和要求而定。根据安全性要求,上位机系统还可以实现冗余,即配置两台SCADA服务器,当一台出现故障时,系统自动却换到另外一台工作。(2)上位机功能:数据采集和状态显示。远程监控。报警和报警处理。事故追忆和趋势分析。与其他应用系统的结合。(3)选用工控机或商用机在SCADA系统发展初期,上位机系统普遍采用工控机。因为工控机在商用计算机上进行了改装与加固,以适应工业应用的要求,主要体现在:硬件结构、系统可靠性、抗干扰能力和环境适应性等。然而,近年来,随着商业机可靠性的不断增强,以及商用机与工控机之间较大的价格差距,SCADA系统选用商用机做上位机已经十分普遍。对于可靠性要求高的场合,可以通过热备等方式来实现。3、通信网络通信网络实现SCADA系统的数据通信,是SCADA系统的重要组成部分。与一般的过程监控相比,通信网络在SCADA系统中扮演的作用更为重要,这主要因为SCADA系统监控的过程大多具有地理分散的特点,如无线通信机站系统的监控。(1)上位机系统间网络:主要是连接上位机、服务器、通信设备、打印设备的局域网络。上位机还可以设置WEB服务器,提供远程监控网络。(2)下位机系统间网络:包括连接I/O设备与控制器的现场总线,各种设备级总线等。(3)连接上、下位机的通信网络这部分网络最复杂,形式最多样,是SCADA系统的重要特点。4、检测和执行设备(1)检测元件SCADA系统中监控的参数按照数据类型可以分为模拟量、数字量和脉冲量等,模拟量包括温度、压力、物位、流量等典型过程参数和其他各种参数,而数字量包括设备的启/停状态等。这些信号的获取要靠各种检测元件(传感器)实现。(2)执行器执行设备接受下位机(控制器)的输出,改变操纵变量,使生产过程按照预定要求正常运行。在不同的行业中,执行器类别不一样,如在生产过程监控中,各种气动执行器得到广泛应用,典型的就是气动薄膜调节阀,还有各种开关阀门。而在制造业中,各种步进电机、变频器、伺服电机等调速设备得到广泛应用。三、SCADA系统典型架构SCADA系统的发展三个阶段:集中式SCADA系统阶段分布式SCADA系统阶段网络式SCADA系统1.集中式SCADA系统所有监控功能依赖于一台主机,采用广域网连接现场RTU和主机。网络协议比较简单,开放性差,功能较弱。网络化SCADA系统以各种网络技术为基础,控制结构更加分散化,信息管理更集中。客户机/服务器(C/S)浏览器/服务器结构(B/S),支持Internet应用,以满足远程监控需要。与第二代SCADA系统相比,第三代SCADA系统在结构上更加开放,兼容性更好,可以无缝集成到全厂综合自动化系统中。由于SCADA系统的规模可以从几百点到几万点,用户对SCAD系统的需求是多样的,因此对其系统架构提出了很高的要求。SCADA系统属于典型的分布式计算机应用系统,在这样的系统中,体系结构是软件系统中最本质的东西,良好的体系结构意味着普适、高效和稳定。由于体系结构是对复杂事务的一种抽象,良好的体系结构是普遍适用的,它可以高效地处理多种多样的个体需求。同时,体系结构在一定的时间内保持稳定。当需求发生变化时,程序员可以不用修改系统的体系结构。1、客户机/服务器结构C/S结构中客户机和服务器之间的通信以“请求-响应”的方式进行。客户机先向服务器发出请求,服务器再响应这个请求,如图1.3所示。C/S结构最重要的特征是:它不是一个主从环境,而是一个平等的环境,即C/S系统中各计算机在不同的场合既可能是客户机,也可能是服务器。在C/S应用中,用户只关心完整地解决自己的应用问题,而不关心这些应用问题由系统中哪台或哪几台计算机来完成。服务器客户机请求响应图1.3客户机/服务器结构如在SCADA系统中,当SCADA服务器向PLC请求数据时,它是客户机,而当其他操作站向SCADA服务器请求服务时,它就是服务器。显然,这种结构可以充分利用两端硬件环境的优势,将任务合理分配到客户端和服务器端来实现,降低了系统的通讯开销。2、浏览器/服务器结构随着Internet的普及和发展,以往的主机/终端和C/S结构都无法满足当前的全球网络开放、互连、信息随处可见和信息共享的新要求,于是就出现了B/S型结构,如图1.4所示。Web服务器客户机(浏览器)HTTP请求HTTP响应数据库服务器查询图1.4浏览器/服务器结构B/S结构最大特点是:用户可以通过浏览器去访问Internet上的文本、数据、图像、动画、视频点播和声音信息,这些信息都是由许许多多的Web服务器产生的,而每一个Web服务器又可以通过各种方式与数据库服务器连接,大量的数据实际存放在数据库服务器中。这种结构的最大优点是:客户机统一采用浏览器,这不仅让用户使用方便,而且使得客户端不存在维护的问题。3、两种结构比较(1)B/S模式的优点和缺点B/S结构的优点表现在:具有分布性特点,可以随时随地进行查询、浏览等业务处理。业务扩展简单方便,通过增加网页即可增加服务器功能。维护简单方便,只需要改变网页,即可实现所有用户的同步更新。开发简单,共享性强。B/S结构的缺点表现在:个性化特点明显降低,无法实现具有个性化的功能要求。操作是以鼠标为最基本的操作方式,无法满足快速操作的要求。页面动态刷新,响应速度明显降低。功能弱化,难以实现传统模式下的特殊功能要求。(2)C/S模式的优点和缺点C/S结构的优点表现在:由于客户端实现与服务器的直接相连,没有中间环节,因此响应速度快。操作界面漂亮、形式多样,可以充分满足客户自身的个性化要求。C/S结构的管理信息系统具有较强的事务处理能力,能实现复杂的业务流程。C/S结构的缺点表现在:需要专门的客户端安装程序,分布功能弱,针对点多面广且不具备网络条件的用户群体,不能够实现快速部署安装和配置。兼容性差,对于不同的开发工具,具有较大的局限性。若采用不同工具,需要重新改写程序。开发成本较高,需要具有一定专业水准的技术人员才能完成。四、SCADA、PLC与DCSSCADA系统集中了PLC系统的现场测控功能强和DCS系统的组网通讯能力的两大优点,性能价格比高,特别适合测控点极为分散,对控制的要求不是特别高的场合。PLC系统,即可编程控制器系统,适用于工业现场的测量控制,现场测控功能强,性能稳定,可靠性高,技术成熟,使用广泛,价格合理。PLC多作为SCADA系统的下位机。DCS系统(集散控制系统),适用于测控点数多、测控精度高、测控速度快的工业现场,其特点是分散控制和集中监视,具有组网通讯能力、测控功能强、运行可靠、易于扩展、组态方便、操作维护简便,但系统的价格昂贵。SCADA系统在结构上体现为上、下位机的结构,下位机完成设备的直接控制,而上位机侧重于信息集中管理,上、下位机通过通信网络连接。由于SCADA系统的控制对象分布可能极为分散,因此,SCADA系统的通信通常比DCS要复杂,通信的形式也会多种多样。SCADA系统可以集成不同厂家的各种测控产品,开放性更好。而某一过程的DCS控制系统通常是某固定型号的。五、SCADA系统的应用在电力系统中,SCADA系统应用最为广泛,技术发展也最为成熟。它作为能量管理系统(EMS系统)的一个最主要的子系统,有着信息完整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