工业4.0之SCADA系统介绍20151028

1、监控与数据采集技术监控与数据采集技术 SCADA Ch1 SCADA系统概述 一、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。图1.1所示为一个 市政工程SCADA系统。 图1.1 SCADA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

2、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。 图1.2 SCADA系统结构 1、下位机 （1 1）下位机功能：）下位机功能： 数据采集 下位机配置的各种输入设备（DI数字量输

3、入、AI自动输入等）进行数据采集 控制 下位机配置的各种输出设备（DO数字量输 出、AO自动输出等）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 2）下位机类型：）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

4、 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、IO （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

5、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：GE Fanuc公司的 PACSystemsRX3i7i、NI公司的 Compact FieldPoint、Beckoff公司 的 CX1000、泓格科技的W

6、inConLinCon 系列、PAC-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 1）上位机组成：）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，

7、即配置两台SCADA服务器，当一台出现故 障时，系统自动切换到另外一台工作。 （2 2）上位机功能：）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

8、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 1）上位机系统间网络：）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 2）下位机系统间网络：）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 3）连接上、下位机的通信网络）连接上、下位机的通信网络 这部分

9、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 1）检测元件）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、

10、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（CS） 浏览器服务器结构（BS），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

11、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 CS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

12、应这个请求，如图1.3所示。 CS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CS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CS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。 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

13、及和发展，以往的主机 终端和CS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BS型结构，如图 1.4所示。 图1.4 浏览器服务器结构 BS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）BS模式的优点和缺点模式的优点和缺

14、点 BS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。 BS 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）CS模式的优点和缺点模式的优点和缺点 CS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

15、多样，可以充分满足 客户自身的个性化要求。 CS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。 CS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

16、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、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