第四章4节 SCADA系统相关技术

第4节SCADA系统相关技术项目实施系统实施过程包括项目立项审批、基本设计、详细设计、系统招标、工厂设计及系统集成组态、工厂测试、现场安装调试、系统验收等各个环节。2/2/20231SCADA系统的开发全过程主要有：

1、

SCADA系统方案（主要包括技术方案），为招投标阶段；2、

技术交流和资料收集，为准备阶段；

3、

系统设计；

4、

MMI组态；

5、

PLC编程；

6、

实验室调试+实验室验收FAT；

7、

现场调试+竣工验收SAT2/2/20232选择SCADA系统承包商应考虑的原则（1）系统经同类工程应用证明是可靠、成熟、开放性好的系统。（2）提供系统的承包商应有丰富的工程业绩，并具备强有力的系统集成（包括自控系统、通信系统）、售后服务支持、系统应用培训和工厂设计的能力。（3）承包商应有自己的SCADA软件，包括主站系统软件和站控系统软件，并且适应不同硬件厂商平台。（4）承包商有一定的硬件产品，具备较强的应用开发、系统测试和培训能力。2/2/202334.1、SCADA系统组态SCADA系统网络的建立；过程变量的零点、量程及报警限设定；控制回路组态；建立实时和历史数据库；建立显示画面；建立报表；程序编辑和编译；组态下装；组态在线修改；过程变量监视；显示和修改所有参数等。

2/2/20234一、SCADA系统网络的建立IP地址的规划尤为重要，需要注意几点：1.调控中心和站控系统在一个网段中。2.调控中心和站场IP地址的排列要有一定的规则，以便以后的维护。3.每个单元必须保证有足够多的IP地址，一般本单元系统的扩展的需要。比如调控中心，除了给服务器、工作站分配外，还需要给打印机，第三方的服务器等机器分配地址。SCADA系统的网络可以分为3部分：一是调控中心的局域网，二是站控系统的局域网，三是连接调控中心和站控系统的广域网。2/2/20235洛阳首站IPPLC地址首站进站温度-110.10.12.55/56PLC8400675首站进站温度-210.10.12.55/56PLC8400739首站输油泵-1（关）10.10.12.57/58PLC10001323首站输油泵-1（开）10.10.12.57/58PLC10001315首站输油泵-2（关）10.10.12.59/60PLC12001523首站输油泵-3（关）10.10.12.61/62PLC14001823首站输油泵-3（开）10.10.12.61/62PLC14001815首站输油泵-4（关）10.10.12.63/64PLC16002023首站输油泵-4（开）10.10.12.63/64PLC16002015例子：洛驻管线IP地址

2/2/20236

IP掩码网关临沂10.90.126.19/20255.255.255.24010.90.126.17长清10.90.126.35/36255.255.255.24010.90.126.31宁阳10.90.126.51/52255.255.255.24010.90.126.47邹城10.90.126.67/68255.255.255.24010.90.126.65滕州10.90.126.99/100255.255.255.24010.90.126.97鲁宁输油管线IP地址

2/2/20237二、站控系统组态1.I/O点的建立以及通道的分配PLC的组态根据设计院提供的I/O点表，进行控制器I/O点的配置。I/O点的描述：必须统一且易读懂，否则维护不方便，且出现报警或数据记录无法很直观读懂。量程的设置：必须与设计院提供的一致，否则采集的数值与现场不对应。报警、联锁值的设定：根据设计院的参数设定表完成。2/2/20238二、站控系统组态2.与现场设备通讯2.1普通仪表信号如压力信号、普通流量信号、普通密度信号、液位信号、温度信号等，都是从传感器应接线进入站控系统的I/O模块的端子，通常都是4～20mA信号接入。2/2/20239二、站控系统组态2.2智能仪表2.2.1串行通讯MODBUS协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。密度计、流量信号、液位计、流量计算机、电气信号、阴保信号信号等，通常都是通过串行通讯方式接入2/2/202310二、站控系统组态2.2智能仪表2.2.2OPC通讯系统间通过OPC技术进行通讯，有一方作为服务器端，另一方位客户端。需要在服务器和客户端进行相应的配置。2/2/2023113.PLC控制逻辑组态3.1几种PLC编程语言介绍

3.1.1梯形图(LD-LadderDiagram)：

3.1.2功能块图(FBD-FunctionBlockDiagram)：

3.1.3顺序功能流程图3.2组态控制逻辑2/2/2023123.PLC控制逻辑组态

3.1.1梯形图编程语言(LD-Ladder)梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述，是PLC编程中被最广泛使用的一种图形化语言，梯形图类似于继电器控制的电气接线图。梯形图程序的左右两侧有两垂直的电力轨线，左侧的电力轨线名义上为功率流从左向右沿着水平梯级通过各个触点、功能、功能块、线圈等提供能量，功率流的终点是右侧的电力轨线。每一个触点代表了一个布尔变量的状态，每一个线圈代表了一个实际设备的状态，梯形图的每个梯级表示一个因果关系，事件发生的条件表示在梯形的左面，事件发生的结果表示在梯级的右面。2/2/202313梯形图LDPLC的编程语言与编程方法

:PLC的编程语言

梯形图（LadderDiagram）指令表（InstructionList）．母线触点编程线圈（Y0）（Y1）X0X1X2X3M0Y0(a)梯形图LDX0ANDX1LDX2ANIX3ORBOUTY0LDIM0ANDY0OUTY1(b)指令表常开触点常闭触点输出线圈2/2/202314梯形图语言沿袭了继电器控制电路的形式，梯形图是在常用的继电器与接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，具有形象、直观、实用等特点，电气技术人员容易接受，是目前运用上最多的一种PLC的编程语言。在PLC程序图中，左、右母线类似与继电器与接触器控制电源线，输出线圈类似于负载，输入触点类似于按钮。梯形图由若干阶级构成，自上而下排列，每个阶级起于左母线，经过触点与线圈，止于右母线。2/2/202315梯形图程序指令示例2/2/202316模拟量输入转换为工程值举例Network1到Network2是将变量登记表上的整型输入（INT）先转换成双整型（DINT）数据，再转换成实型数据（REAL）。2/2/202317梯形图编程语言具有如下特点:

（1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性;

（2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习;

（3）对于复杂控制系统描述,仍不够清晰;

（4)可读性仍不够好。2/2/2023183.PLC控制逻辑组态3.1.2功能块图(FBD-FunctionBlockDiagram)：

功能块图编程语言采用功能模块表示所具有的功能，不同的功能模块具有不同的功能。功能模块用矩形来表示，每一个功能模块的左侧有不少于一个的输入端，右侧有不少于一个的输出端。功能模块的类型名称通常写在块内，其输入输出名称写在块内的输入输出点对应的地方。功能模块基本上分为两类:基本功能模块和特殊功能模块。基本功能模块如AND，ORXOR等等.特殊功能模块如ON延时，脉冲输出，计数器等等。2/2/202319PLC的编程语言与编程方法

:PLC的编程语言

功能块图（Functionblockdiagram）ORTest1Test2ANDSW1%IX3SRS1Q1RResetStart2/2/202320功能块编程语言具有以下特点:

（1）以功能模块为单位,从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变的容易;

（2）功能模块用图形化的方式描述功能，较直观易掌握，方便组态，易操作。是有发展前途的一种编程语言;

（3）对较复杂系统，由于控制功能关系能够比较清晰的描述，因此缩短了编程和调试时间;

（4)因为每一个功能模块要占用一定程序存储空间，对功能块的执行需要一定的执行时间，因此，这种语言在大中型可编程控制器和分散控制系统中应用较广泛。

2/2/2023213.PLC控制逻辑组态3.1.3顺序功能流程图

顺序功能流程图又称为功能表图，是一种用功能表图来描述程序的编程语言，是近年来才发展起来的。功能表图可以将一个复杂的控制控制系统分解为若干子系统，从功能入手，使系统的操作具有明确的含义。便于设计人员和操作人员的沟通，便于程序分工设计和检查调试。2/2/202322PLC的编程语言与编程方法

:PLC的编程语言

顺序功能图（Sequentialfunctionchart）步1步2动作1动作2转换条件1转换条件2转换条件3有向连线转换初始步2/2/202323顺序功能图几种主要结构:①顺序控制，②选择型分支控制③并行型分支控制顺序控制---就是整个控制过程依次进行，中间没有分支,直至完成。选择型分支控制---就是控制过程中具有分支行为，而且一次只能进行一个分支执行，执行了一个分支就不能执行其它分支。并行型分支控制---就是控制过程中的分支同时执行，同时汇合，典型的如交通红绿灯控制系统。2/2/202324顺序功能图特点:

a.以功能为主线，操作过程的条理清楚，便于对操作过程的理解和沟通。

b.对大型程序可分工设计，采用较灵活的程序结构，节省程序设计时间和调试时间。

c.常用于系统规模较大，程序关系较为复杂的场合。

d.只有处于活动的步状态，才能被执行，程序控制只对活动步后的转换进行扫描，因此整个程序的扫描时间比其它编程语言编制的程序扫描时间要大大缩短。2/2/2023253.PLC控制逻辑组态3.2组态控制逻辑根据设计院提供的逻辑图完成相关阀门、机泵、收发球、站启、停、下载等控制逻辑（参看SCADA控制逻辑一节），需要注意几点：（1）组态的控制逻辑实现的结果必须符合设计院的要求。（2）在执行的过程中，需要与工艺人员充分沟通。2/2/2023264.站控上位机的组态4.1画面的组态4.1.1站控画面的组成包括以下画面：（1）本站总图----主要完整的描述本站的整个流程；（2）工程师维护画面---主要是作为联锁条件切除和投用的画面；（3）下载操作画面----主要作为下载操作使用。（4）其他辅助画面：比如站启、停操作画面、收发球操作等画面，可根据操作的需要完成。2/2/2023272/2/2023282/2/202329需要注意几点（1）画面中各单体设备的图形必须统一，且基本上符合国家和地区的标准，字体必须统一；（2）站场总图是操作员监视本站运行情况的日常画面，有远传信号的点都必须包含，其他辅助流程可根据操作员的需要添加，力求完整；（3）画面中的管线粗细必须统一，一般来说主要流程管线相对较粗，而辅助流程相对较细；（4）画面中管线交叉地方横断或竖断要统一，管线的间隔宽度尽量一致。（5）站场总流程画面中由于管线较多，需要区分主、辅流程，根据操作员的需要进行适当的隐藏、变色等功能。（6）站场总流程图的布局要尽可能与现场一致，尽量在一幅画面上显示2/2/2023304.2数据库的组态（1）建点站内数据库点包括压力温度流量液位等各点参数设计，同SCADA系统，如果该点与控制器中点是一一对应的，那么应保证名称与控制器的点名称一致；（2）趋势、事件的组态。趋势的组态需根据操作人员的要求进行趋势组的规类，以便操作过程参数的比较。2/2/2023314.3、调控中心控制系统的组态1.画面的组态（1）总概貌图主要包括全线站场的分布图，在此上面可包括站场的一些主要参数，如进出压力、流量等参数。（2）主流程图全线站场一些主要的参数、关键的阀门和机泵集中按照一定的前后顺序放入一幅或两幅图中，那么操作员平时的监视和操作都可以在主流程图中完成。（3）站场流程图及其他辅助功能画面的组态，与站场的画面保持一致即可。2/2/2023322/2/2023332/2/2023342/2/2023352/2/2023362.上位机数据库的组态必须根据点表的要求进行组态，保证与PLC点完全对应。3.逻辑功能的组态由于涉及到站场的逻辑已经全部在PLC中完成，调控中心的逻辑主要是涉及到全线的控制逻辑，主要是水击控制逻辑，全线启输、全线停输等控制逻辑（参看SCADA控制逻辑一章）应根据设计院提供的逻辑图，利用SCADA带的功能并编写脚本语句，实现逻辑功能。2/2/2023371.安全性

2.先进性--国际先进水平3.可靠性好--可用性要求达到99％以上4.冗余性--冗余配置5.开放性—便利、灵活性6.模块化--易于维护、扩展方便7.扩展性--是对未来提出的要求8.可操作性、可维护性好--界面要友好一、对油气管道SCADA系统的要求4.4、SCADA系统的安全性要求2/2/2023381.安全性--防爆仪器仪表，软件的设计，网络安全

由于油气属于易燃、易爆物品，因此油气管道的SCADA系统设计要将防火防爆纳入设计范畴，有条件的也可设置自动消防系统。另外，根据地区性防爆等级要求而选择相应的防爆类型的仪器仪表。在硬件设置上，安全性措施还有很多，如在控制室信号引入点有隔离措施，在雷暴多发地域加装雷击保护装置，控制系统的接地也要自成体系。在软件的设计上设置了操作权限，无论在DCC还是站场，对不同的系统操作人员设置了相应的系统访问密码。最高级别为系统管理员，他能进入系统内部修改数据库和程序；最低级别是操作员，他仅能进行MMI的日常操作。一、对油气管道SCADA系统的要求4.4、SCADA系统的安全性要求2/2/2023391.安全性--防爆仪器仪表，软件的设计，网络安全控制软件是安全设计的重要一环，它直接对工艺设备进行操作，从软件设计上要充分考虑逻辑条件的关联及互锁，稍有疏漏就可能酿成严重的生产事故。另外，三级控制模式的设计，即使自控系统全部失灵也能通过手动操作保证管线的安全运行。如果SCADA系统与企业网连接，尤其当企业网与Internet连接时，系统设计就必须考虑网络安全问题，在软件/硬件方面采取积极的措施，防止SCADA系统因不良分子的浸入而遭受破坏。安全性存在于SCADA系统设计的方方面面，只有考虑周详，设计严密才能保障管线的生产安全。2/2/2023402.先进性--国际先进水平无论是硬件的选型还是软件的选型方面都应达到国际先进水平。3.可靠性好在设计SCADA系统时要专门进行可靠性设计，采取一系列可靠性技术。一般输油管道的SCADA系统既要求具有很高的先进性有要具有很高的可靠性，在设计上可用性要求达到99％以上。为了保证这一高的可靠性，首先要求系统具有容错能力，要求非关键元器件的故障不能影响整个系统的正常运行；其次对关键设备采取冗余配置，如服务器、控制器采用双CPU配置。另外，模块化设计、抗干扰和防雷击措施、热插拔技术和故障的自诊断等一系列措施，也保证了系统可靠性的提高。SCADA系统承包商的选择也是决定系统可靠性的关键。在比选承包商时，既要考察系统所采用的硬件，更要考察采用的软件，从操作系统、视窗软件到系统、应用软件等方面一一考察。2/2/2023414.冗余性为了实现系统的高可靠性，要求SCADA系统中重要的关键设备具有很强的容错能力，对它们采取冗余配置。基于这一要求，一般调控中心采用双服务器、双以太网；站控系统双服务器以及PLC采用双CPU配置。冗余配置的工作模式为主从方式，当主机（Master）在线工作时，从机（Slave）处于热备状态，它时刻监视主机的工作状态，并从主机获取数据，使从机与主机数据库保持完全一致。当主机一旦出现故障，从机就立刻将主机的工作接管过来，自动由从机变成主机，这一切换要求做到无扰动，以不使管道输送发生任何突变；而发生故障的主机修复后则变为从机，这时系统的主从关系发生了一次转换。2/2/2023425.开放性开放性设计是当今系统设计的基本要求，它要求计算机软硬件厂家共同遵守OSI国际标准，以实现不同厂家之间的异种计算机设备间的通讯。虽然开放性是针对计算机设备间通讯提出的要求，但也给用户提供了很多方便。用户在设备采购和软件选择时可以不必限定在一家厂商，而可在多家厂商之间进行挑选，增加了选择余地和灵活性。开放性也给系统的维护带来便利，如计算机的更新换代。6.模块化模块化是指软件和硬件设计的一种方法。按照该方法，SCADA系统具有了积木式结构，从而使用户可根据生产要求灵活地进行系统配置。模块化设计地优点是系统易于维护、扩展方便。特别是对于长输管道站场分布较广，某一站出现问题，专业人员不能及时赶到现场处理，由于是模块化设计，现场非专业人员，可在专业人员的电话指导下也可进行更换，从而保证生产的正常运行。2/2/2023437.扩展性系统的扩展性是对未来提出的要求。现阶段由于条件不成熟，系统规模受到限制。如将来系统规模可能扩大，系统在设计之初就必须加以考虑，给系统的扩展留有余地和弹性。一个系统能否扩展，扩展能力有多大，这主要取决于系统所选软件的性能和硬件容量。设计人员要在系统的整体性能，如响应速度、通讯速率和计算机资源两方面进行优化考虑，最终确定一个合理的系统扩展规模。2/2/2023448.可操作性、可维护性好（1）SCADA系统管理者和使用者是生产技术人员和操作人员，操作界面必须友好，易于操作。（2）系统组态软件是SCADA系统的重要组成部分，系统开发人员在用它生成系统时要灵活方便。（3）人机界面的设计是重点，需要控制人员和工艺人员密切配合，共同设计出一个界面要友好且便于操作的MMI.为了方便操作员对管线进行监控，应该对画面的进行详细的规划，包括全线的画面，各站的详细画面，关键设备及关键参数重点显示，辅助画面及参数可以根据操作员的需要显示，对具有对比性的参数坐在同一画面中，使画面重点突出，尽量让操作员在近可能短的时间内获取他们所需要的信息。（4）硬件模块能够热插拔，逻辑程序注释清楚，端子接线图标注释清晰都将给系统的操作维护带来极大的方便。2/2/202345一、对油气管道SCADA系统的要求5.开放性—便利、灵活性6.模块化--易于维护、扩展方便7.扩展性--是对未来提出的要求8.可操作性、可维护性好--界面要友好2/2/202346二、SCADA系统的其他安全性要求1.电源系统2.环境要求3.信号安全要求4.软件的设计要求5.实现管道的三级控制6.硬件及网络安全方面2/2/202347二、SCADA系统的其他安全性要求1.电源系统SCADA系统中，无论是调控中心还是站场的PLC，除了利用正常的电网外，均采用不间断设备（UPS），用户需要提供两路独立的220V、50Hz单相交流电源，每一路供电都有不间断电源作为后备。系统配有自动隔离稳压器，防止电源输入波动对系统的干扰。所有系统电源都是冗余配置，以便在维护时可移去一电源而不影响对整个系统(包括扩展部分)负载的供电。2.环境要求应根据有关规范和系统本身的要求，保证温度和湿度在合理的范围内。如温度10～28，40～80％的湿度。2/2/2023482.环境要求应根据有关规范和系统本身的要求，保证温度和湿度在合理的范围内。如温度10～28，40～80％的湿度。3.信号安全要求现场所有信号进入系统时先经过安全栅，起到隔离干扰信号的作用。对于接地系统，施工单位应按照工程设计文件的规定进行施工，符合规范，确保SCADA系统的安全。3.1“保护地“的连接现场控制柜的保护地铜块与现场控制柜相连，各个现场控制柜的保护地之间可以通过铜电缆串联在一起，最后一滴接入大地。“保护地”接地电阻应小于4欧。2/2/2023493.2“工作地”地连接“系统地”在有条件地情况下，可以与在柜内与“保护地”连接。或者采用单独接地，若现场地系统地不良，建议采用浮空方式，即单列模块＋24V地不接入大地；或根据干扰消除效果把某列＋24V地接地，接地电阻小于4欧。3.3“屏蔽地”的连接“屏蔽地”通过柜内各个分汇流排汇入总汇流排，再一点接入大地。现场信号的屏蔽层要求单端接到屏蔽地汇流排。通讯电缆屏蔽层也要与屏蔽地汇流排连接。接地电阻小于4欧。2/2/202350系统设置3个级别的用户，最高级别为系统管理员，它能够进入系统内部修改数据库和程序；第二级别为工艺管理员，赋予具有一定权限的人（如调度，站场的技术员站场等）；最低级别为操作员级，仅能进行日常的操作。控制软件是安全设计的重要的一环，从软件设计上充分考虑逻辑关系的关联及互锁，通过使用三级控制，就算自控系统失灵，也能通过手动操作保证管线的安全。为了防止操作员访问其它软件和操作系统,对系统进行安全设置。（1）阻止操作员关闭计算机。（2）通过屏蔽任务管理器和浏览器，阻止操作员浏览或执行其它的应用软件（3）禁止操作员锁死计算机（4）操作员登陆或退出操作站的记录将被写入管理员日志中,操作日志便于管理员将来进行检查。4.软件的设计要求2/2/2023515.实现管道的三级控制管道的控制设计分为三级，第一级：调度控制中心集中监视与控制；第二级：站控制室的站控；第三级：设备的就地手动控制。在一般情况下，使用第一级控制，这是SCADA系统设计的目的控制级。当通信出现故障或控制中心主计算机发生故障时，可使用第二级控制，这是一种后备手段，当发生紧急事故或设备检修时，可使用第三级控制。（1）中控室集中控制模式中控室控制模式包括全线启输、全线停输、停输再启、批输下载、水击联锁及正常的设备操作控制。注：在中控室控制模式下，站控不起作用！2/2/202352（2）站场控制模式站场控制模式下，各分输站的每台泵的启停、阀门的开关均是通过站内服务器应用程序中的软件开关按钮来实现。

注：在站控模式下，中控不起作用！（3）现场手动控制模式现场手动控制模式下，是通过在现场的工作人员操作现场设备的硬件启停开关来实现设备的启停控制，但设备自身保护有效。注：在现场手动控制模式下，中控模式和站控模式都不起作用！（4）权限的切换为了保证命令的唯一性，确保操作的独立性，需设定操作权限。一般情况下全线为中控模式，如某个站需要切回站控操作，由调控中心调度员通过权限切换画面给该站分配站控权限，如遇到紧急情况（如调控中心与该站通讯中断），那么由该站具有一定级别的人员在调控中心允许后输入特殊密码，把该站的控制抢夺为站控操作，处理完毕，再恢复中控控制。2/2/2023536.硬件及网络安全方面6.1通过屏蔽系统服务器的光驱、软驱、USB口的方式严禁外来软件接入SCADA系统。6.2一般不与企业网相连，如果连接必须从软件和硬件上采取积极的措施，防止不法分子攻击。6.3安装任何软件必须进行评估，是否对SCADA系统的正常运行产生影响，严格经过审批程序。2/2/2023544.5、SCADA系统维护

一、日常的维护内容按照巡检内容的要求，严格进行巡检并做好记录。1.检查环境条件（温度、湿度等）使其满足系统正常运行的要求。2.检查供电系统是否正常。3.保证电缆接头、端子、转接件不被碰撞，接触良好。4.检查服务器的运行情况，主、备服务器工作是否正常。5.检查整个网络是否正常。6.检查系统风扇是否正常（包括机柜风扇和服务器风扇）。2/2/2023557.检查控制器的工作情况，主、备控制器工作是否正常。8.检查卡件工作情况。9.检查数据记录、归档情况，是否正常工作。10.检查软件运行情况，包括画面调用，数据显示。11.定期做好有关设备的卫生工作。12.联锁切除与投用（1）联锁切除与投用需要通过正规的审批程序完成，切除或投用之前，相关施工单位提交切除和投用申请单。（2）联锁切除前，各管理专业已经签字同意，并要求采取相关的安全措施。（3）施工单位根据回馈的申请单的内容进行施工。（4）施工完成后，提交申请单并附上作业结果。根据申请单对重新投用联锁条件2/2/202356二、组态修改在实际运行过程中，有时需要对组态内容增加或修改完善，那么应遵守以下原则：1.具有本公司系统维护上岗资格的工程师方可进行。2.所有的修改必须有依据，包括修改的原因，修改的内容，并存档。3.如果生产过程进行修改，不应影响生产的正常运行，并经调度员的许可，并做好有关安全措施。4.修改完成后，应进行测试，并观察一段时间，符合要求后方可认为此次修改完成，并告知调度员，解除安全措施。

2/2/202357三、故障处理

1.常见故障1.1普通现场仪表信号显示不正常如普通压力表、流量表、液位计等；现场信号的问题一般有几个方面：a.现场元件坏；b.变送器故障；连线问题，包括信号线接反、松动、脱落；c.卡件或通道故障；d.系统设置有问题。采取的措施：