第1章SCADA系统概述

监督控制与数据采集技术华东理工大学自动化系王华忠[e-mail]1SCADA系统概述一、什么是SCADA系统SCADA的英文是SupervisoryControlAndDataAcquisition，译成中文就是监督控制与数据采集。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：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：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系统的发展经历了集中式SCADA系统阶段、分布式SCADA系统阶段和网络式SCADA系统三个阶段。集中式SCADA系统是所有的监控功能依赖于一台主机（mainframe），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。系统普遍以客户机／服务器（C／S）和浏览器／服务器结构（B／S）为基础，多数系统结构上包含这两者结构，但以C／S结构为主，B／S结构主要是为了支持Internet应用，以满足远程监控的需要。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