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监督控制与数据采集技术华东理工大学自动化系王华忠hzwang@ecust.edu.cnCh8SCADA系统设计与开发一、SCAD系统设计概述1、概述SCADA系统的设计与开发不仅首先要了解相应的国家和行业标准，还要掌握一定的生产工艺方面的知识，充分掌握自动检测技术、控制理论、网络与通信技术、计算机编程等方面的技术知识。在系统设计时要充分考虑SCADA系统的发展趋势；在系统开发过程中，始终要和用户进行密切沟通，了解它们的真实需求和企业操作、管理人员的专业水平。2、SCADA系统生命周期任何一个系统的设计与开发基本上是由6个阶段组成，即：可行性研究、初步设计、详细设计、系统实施、系统测试和系统运行维护。通常这6个步骤并不是完全按照直线顺序进行的，在任意一个环节出现了问题或发现不足后，都要返回到前面的阶段进行补偿、修改和完善。二、SCADA系统设计原则1、可靠性系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。在SCADA系统中，可靠性指标一般用系统的平均无故障时间MTBF和平均维修时间MTTR来表示。MTBF反映了系统可靠工作的能力，MTTR表示系统出现故障后立即恢复工作的能力。一般希望MTBF要大于某个规定值，而MTTR值越短越好。为提高系统可靠性，需要从硬件、软件等方面着手。首先要选用高性能的上、下位机和通信设备，保证在恶劣的工业环境下仍能正常运行。其次是设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，比如报警、事故预测、事故处理等。对于特别重要的监控过程或控制回路，可以进行冗余设计。对于一般的控制回路选用手动操作为后备；对于重要的控制回路，选用常规控制仪表作为后备。对于监控主机，可以进行冷备份或热备份，这样，一旦一台主机出现故障，后备主机可以立即投入运行，确保系统安全。当然，冗余是多层次的，包括I/O设备、电源、通信网络和主机等。冗余设计多可以提高可靠性，但系统成本也会显著增加。2、先进性先进的SCADA系统不仅具有很高的性能，满足生产过程所提出的各种要求和性能指标，而且对于生产过程的优化运行和实施其他综合自动化措施都是有好处的。先进的SCADA系统通常都符合许多新的行业标准，采样了许多先进的设计理念与先进设备，因此可以确保系统在较长时间内稳定可靠工作。当然，也不能片面追求系统的先进性而忽视系统开发、应用及维护的成本和实现上的复杂性与技术风险。3、实时性SCADA系统的实时性，表现在对内部和外部事件能快速、及时的响应，并做出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。计算机处理的事件一般分为两类，一类是定时事件，如数据的定时采集、运算、调度与控制等；另一类是随机事件，如事故、报警等。对于定时事件，系统设置查询时钟，保证定时处理。对于随机事件，系统设置中断，并根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。在SCADA系统中，不同的监控层面对实时性的要求是不一样的，下位机系统对实时性的要求最高，而监控层对实时性的要求较低。在系统设计时，要合理确定系统的实时性要求，分配相应的资源来处理实时性事件，一方面保证实时性要求高的任务得以执行，又要确保系统的其它任务也能及时执行。4、开放性由于SCADA系统多采用系统集成的办法实现的，即系统的软、硬件是不同厂家的产品，因此，首先要保证所选用设备具有较好的开放性，以方便系统的集成；其次，SCADA系统作为企业综合自动化系统的最底层，既要向上层MES或ERP系统提供数据，也要接受这些系统的调度，因此，SCADA系统整体也必须是开放的。此外，系统的开放性还是实现系统功能扩展和升级的重要基础。5、经济性在满足SCADA系统性能指标（如可靠性、实时性、开放性）的前提下，尽可能地降低成本，保证性能价格比较高，为用户带来最大的经济效益。此外，还要尽可能地提高系统投运后的产出，即为企业创造一定的经济效益和社会效益，这才是SCADA系统的最大作用，也是用户最欢迎的。6、可操作性与可维护性操作方便表现在操作简单、直观形象和便于掌握，且不要求操作工一定要熟练掌握计算机知识才能操作。对于一些升级的系统，在新系统设计时要兼顾原有的操作习惯。可维护性体现在维修方便，易于查找和排除故障。系统应多采用标准的功能模块式结构，便于更换故障模块，并在功能模块上安装工作状态指示灯和监测点，便于维修人员检查。另外，有条件的话，配置故障检测与诊断程序，用来发现和查找故障。三、SCADA系统设计与开发步骤SCADA系统的设计与开发要比一般的PLC控制系统要复杂许多。SCADA系统的设计与开发主要包括三个部分的内容：上位机系统设计与开发、下位机系统设计与开发以通信网络的设计与开发。SCADA系统的设计与开发具体内容会随系统规模、被控对象、控制方式等不同而有所差异，但系统设计与开发的基本内容和主要步骤大致相同。一个完整的SCADA系统设计与开发步骤如图8.1所示。开始控制系统需求分析，确定系统规模（I/O点）确定系统总体拓扑结构上、下位机及通信网络选型设计，上、下位机通信参数确定上位机系统细化设计下位机系统细化设计通信网络设计上位机系统开发下位机系统开发通信网络开发、组态上位机系统调试下位机系统仿真、调试系统离线调试控制柜、仪表柜设计现场施工、安装系统在线调试整理技术文档结束是否满足要求修改系统设计、程序改变接线与安装达到设计要求是否否是系统验收、交付1、SCADA系统需求分析与总体设计在进行系统设计前，必须了解设计要求，在这个阶段多花时间和精力是十分重要的，也是必须的。如果不了解被控过程的特点，就匆忙地进行系统设计和软硬件选型开发，很可能在后续开发中要遇到大问题，甚至推翻先前总的设计。系统总体设计文件通常包括以下内容：①主要功能、技术指标、原理性方框图及文字说明；②SCADA系统总体通信网络结构、性能与配置；③上、下位机的配置、功能及性能，数据库的选用；④主要的测控点和控制回路；控制策略和控制算法设计，例如PID控制、解耦控制、模糊控制和最优控制等；⑤系统的软件功能确定与模块划分，主要模块的功能、结构及流程图；⑥安全保护设计，联锁系统设计；⑦抗干扰和可靠性设计；⑧机柜或机箱的结构设计，电源系统设计；⑨中控室设计，操作台设计；⑩经费和进度计划的安排。2、SCADA系统类型确定与设备选型确定系统类型，特别是下位机设备选型下位机上位机网络仪表、阀等3、系统应用软件开发应用软件开发是整个SCADA系统中工作量最大的部分，也是最重要的部分，系统应用软件的开发主要包括：上位机软件开发下位机软件开发通信软件。四、SCADA调试与运行主要调试内容系统调试主要包括硬件调试和软件调试等。在调试方法上可以首先用仿真方式或模拟现场信号进行调试，然后再进行现场真实信号调试。在进行系统调试前，要保证系统中的软、硬件已经单独进行测试过，其工作正常，否则影响总的系统调试五、SCADA系统抗干扰措施系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键，因此需要采取措施提高信号抗干扰能力以保障SCADA系统正常运行。分析干扰源研究抗干扰措施1、干扰类别及来源（1）干扰类别干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。按噪声产生的原因不同，放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰（2）、干扰来源来自空间的辐射干干扰来自系统外引线的干扰来自信号线引入的干扰来自接地系统混乱时的干扰2、抗干扰设计为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施：抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰的传播途径；提高装置和系统的抗干扰能力。具体可体现在：设备选型综合抗干扰设计3、抗干扰措施（1）、硬件抗干扰采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰电缆选择的敖设硬件滤波及软件抗干扰措施信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。正确选择接地点，完善接地系统（2）、软件抗干扰一方面可以弥补某些硬件抗干扰的不足，另一方面有效处理软件中存在的“bug”程序运行失常的对策系统“死锁”的对策控制状态失常的对策