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SCADA系统课程学习报告学院专业电气工程及其自动化班级姓名学号2016年2月一、对于SCADA系统的认识（1）基本定义SCADA全称SupervisoryControlAndDataAcquisition，其准确定义如下：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。同时因为其具有控制分散、管理集中的“集散控制系统”的特征，所以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。（2）系统组成结构SCADA系统主要由侧重于监控的上机位、实现控制功能的下机位和用于上下机位数据交换的通讯网络构成。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，且这些设备通常采用以太网联网从而实现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等主要功能；数据交换则主要依靠通讯网络有益于克服很多时候出现的地理位置分散的实际困难；而对于下机位来说，主要任务有：数据采集（下位机配置的各种输入设备（DI、AI等））和控制（下位机配置的各种输出设备（DO、AO等）对现场设备进行控制），因此下机位也可分为几种主要类型，如远程终端单元RTU，其主要作用是进行数据采集及本地控制，具有同时提供多种通讯端口和通讯机制；提供大容量程序和数据存储空间；高度集成的、更紧凑的模块化结构设计；更适应恶劣环境应用的品质等特点；又如智能仪表，它多用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、冷量热量表等，再如PLC（中、小型）、PAC（可编程自动化控制器）。（3）SCADA与PLC、DCS的联系SCADA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。（4）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；而作为能量管理系统（EMS系统）的一个最主要的子系统，有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具；并且它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化有着不可替代的作用。具体的话比如：无线通讯基站网、邮电通讯机房空调网、电力系统配电网、铁路系统电力系统调度网、铁路系统道口，信号管理系统、坝体、隧道、桥梁、机场和码头等安全监控网、石油和天然气等各种管道监控管理系统等。二、关于数据通信和网络技术（1）概述数据通信是完成数据编码、传输、转换、存储、处理的过程，与一般的控制系统相比，SCADA有测控点分散、测控范围广的特点。数据是指对数字、字母以及组合意义的一种表达。在SCADA系统中，通信数据与监控系统的各种信息紧密相关，如用数字1表示电机处于工作状态，用数字0表示电机处于停止状态；而对于温度、压力、物位、流量、电流、电压等变量可以用一定数值范围的数字来描述（2）组成结构数据通信系统是指以计算机为中心，通过数据传输信道将分布在各处的数据终端设备连接起来，以实现数据通信为目的的系统，它由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质、传输报文、通信协议等组成，其中信源为待传输数据信息的产生者；发送器将信息变换为适合于信道上传输的信号，而信宿的作用与之相反；信道指发送器与接收器之间用于传输信号的物理介质，又称传输介质。经过传输，在接收器处收到的信号在接收器处变为信息；通信传输过程会受到噪声的干扰，而噪声往往会影响接收者正确地接收和理解所收到的信息；为了把接收到的信息还原为原有信息，并为接收者所理解，需要一套实现约定的协议；协议是数据通信规则的集合，如果没有协议，两台设备即使连接也无法通信。值得注意的是，对于发送接收设备的理解和辨别不可死板，依赖不同时刻设备的作用，许多设备既是发送设备、也是接收设备。如下位机设备与上位机通信时，当下位机向上位机传送现场仪表参数时，下位机是发送设备，上位机是接收设备。（3）SCADA系统中的网络技术和无线通讯技术通信网络是用各种通信手段和一定的连接方式，将终端设备、传输系统、交换系统等连接起来的通信整体，或由一些彼此关联的分系统组成的完整的通信系统。它的基本构成要素是终端设备、传输链路、转接交换设备及接入部分。除了这些硬件设备外，为了保证网络能正确合理的运行，用户间快速接续，并有效地相互交换信息，达到通信质量一致，运转可靠性和信息透明性等要求，还必须有管理网络运行的软件，如标准、信令、协议等。无线数据传输系统根据业务需求不同，可以分为无线计算机局域网和无线遥控遥测系统。SCADA系统中应用无线传输平台有包括专网的常规频段模拟电台加Modem、常规频段数字电台、模拟或数字集群和公网的无线寻呼、GSM短信息和GPRS；在部分测控现场，还有使用短程无线通信的情况。三、数据传输交换的相关技术和规范（1）I/O接口与数据采集技术由于过程输入中输出通道除了有A／D、D／A、DI、DO等I／O设备外，通常还包括一些辅助的部件，如多路转换开关、放大器、采样保持器、热电偶冷端温度补偿装置等。因此在SCADA系统中引入I／O接口，以实现计算机与监控过程的信号传输，解决计算机与外部设备连接时存在的各种矛盾，如输入、输出信号形式的不同、速度的不匹配、串、并连转换以及信号隔离等问题。而数据采集就是在CPU的控制下将I／O卡的输入、输出数据作转换，把计算机内存中的数据输出，或将外部的模拟数据转换为数字量后再送入内存。根据采样定理，如果信号的截止频率很高时，采样频率必须相应提高，才能保证频率不失真，而采样频率的最大值是由A／D转换器的转换时间决定的。（2）工业控制数据交换标准OPC规范对于早期的计算机系统，为了实现不同的硬件和软件所构成的计算机之间的数据交换和通信，必须要花费很多时间去开发独自的通信程序。且由于驱动程序缺乏统一的连接标准，这样一旦硬件设备升级换代，就需要对相应的驱动程序进行更改，增加了系统的维护费用。即使计算机中的SCADA、HMI等软件都有独立的驱动程序，但一般也不允许同时访问相同的设备，否则很容易造成系统崩溃。另一方面，现场控制层作为企业整个信息系统的底层部分，必然需要与生产过程管理层和经营决策层进行集成。这样也存在着监控计算机如何与其它计算机进行信息沟通和传递的问题。为了解决这些问题，由世界领先的自动化厂商与微软合作制定的一项工业标准，它以组件对象模型和分布式组件对象模型（COM、DCOM）技术为基础，采用C/S模式，定义了一组COM对象及其接口规范这就是OPC规范。OPC规范定义了客户程序与服务器程序进行交互的方法，但并没有规定具体的实现，OPC服务器可由不同供应商提供，其代码决定了服务器访问物理设备的方式、数据处理等细节。但这些对OPC客户程序来说都是透明的，只需要遵循相同的规范或方法就能读取服务器中的数据。（3）工业控制组态软件Configurationsoftware,即组态软件，其含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置(包括进行对象的定义、制作和编辑，并设定其状态特征属性参数)，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。由于工控组态软件在实现工业控制软件开发中免去了大量烦琐的编程工作，解决了长期以来控制工程人员缺乏计算机专业知识与计算机专业人员缺乏控制工程现场操作技术和经验的矛盾，极大地提高了自动化工程的工作效率。现已成为开发SCADA系统上位机人机界面的最主要的软件。（4）IEC61131-3标准由于传统PLC编程语言有着梯形图语言规范不一致、程序可复用性差、缺乏足够的程序封装能力、不支持数据结构、程序执行具有局限性、难以实现选择或并行等复杂顺控操作、传统的梯形图编程在算术运算处理等缺陷，IEC61131-3标准逐步发展确立。IEC61131-3允许在同一个PLC中使用多种编程语言，允许程序开发人员对每一个特定的任务选择最合适的编程语言，还允许在同一个控制程序中不同的软件模块用不同的编程语言编制，以充分发挥不同编程语言的应用特点。标准中的多语言包容性很好地正视了PLC发展历史中形成的编程语言多样化的现实，为PLC软件技术的进一步发展提供了足够的技术空间和自由度。四、SCADA系统设计与开发相关知识（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。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。（2）设计原则1、可靠性：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。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。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。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。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。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。（3）设计开发步骤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。