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SCADA系统概述

发布时间:2021-08-19 14:29:13 最后更新:2021-08-19 15:30:27 浏览次数:3746
1.什么是SCADA系统?
SCADA的英文是Supervisory Control And Data Acquisition,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。下图所示为一个市政工程SCADA系统。

                      SCADA系统实例一污水处理厂监控系统

1.1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。
1.2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。

2.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、下位机数据交换如下图所示。
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。

                                                                 SCADA系统结构
2.1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、Al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RTU 
RTU(Remote Terminal Unit,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Compact FieldPoint、Beckoff公司的CX1000、泓格科技的WinCon/LinCon系列、uPAC-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。

2.2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。

2.3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系统中分演的作用更为重要,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。

2.4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。

3.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
3.1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。


3.2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
“请求一响应”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。

                                          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。

3.3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,如图所示。


                                                                           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

3.4两种结构比较
(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。

4.SCADA、PLC与DCS
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。
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。

5.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、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。
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。

具体应用:
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