SCADA系統(tǒng)技術的分析 - 全文

　　一、SCADA系統(tǒng)介紹

　　SCADA是SupervisoryControIAndDataAcquiSitionSystem（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）的縮寫，SCADA系統(tǒng)是對分布距離遠，生產(chǎn)單位分散的生產(chǎn)系統(tǒng)的一種數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制系統(tǒng)。它應用領域很廣，可以應用于電力、冶金、石油、化工等領域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領域，其中在電力系統(tǒng)中的應用更為廣泛，發(fā)展技術也最為成熟。它在遠動系統(tǒng)中占重要地位，可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調節(jié)以及各類信號報警等各項功能，即我們所知的“四遙”功能。RTU（遠程終端單元），F(xiàn)TU（饋線終端單元）是它的重要組成部分。在現(xiàn)今的變電站綜合自動化建設中起了相當重要的作用。它是架構在PC之上的生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)。當然不同領域的應用，所需功能也不盡相同，但是它們都具有以下基本特色：圖形操作介面；系統(tǒng)狀態(tài)動態(tài)模擬；即時和歷史資料趨勢曲線顯示；警報處理系統(tǒng)；資料獲取取與記錄；報表輸出。

　　二、SCADA模塊構成

　　SCADA系統(tǒng)會包括以下的子系統(tǒng)：

　　1、人機界面（humanmachineinterface，簡稱HMI）是一個可以顯示程序狀態(tài)的設備，操作員可以依此設備監(jiān)控及控制程序。

　　人機界面（或簡稱為HMI）一個可以顯示程序狀態(tài)的設備，操作員可以依此設備監(jiān)控及控制程序。HMI會鏈接到SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫及軟件，讀取相關信息，以顯示趨勢、診斷數(shù)據(jù)及相關管理用的信息，如定期維護程序、物流信息、特定傳感器或機器的細部線路圖、或是可以協(xié)助故障排除的專家系統(tǒng)。

　　HMI系統(tǒng)常會用圖像的方式顯示系統(tǒng)的信息，而且會用圖像模擬實際的系統(tǒng)。操作員可以看到待控制系統(tǒng)的示意圖。例如一個連接到管路的泵浦圖標，可以顯示泵浦正在運轉，及管路中液體的流量，操作員可以使泵浦停機，HMI軟件會顯示管路中液體流量隨時間下降。模擬圖會包括線路圖及示意圖來表示制程中的元素，也可能用制程設備的圖片，上面再加上動畫說明制程情形。

　　SCADA系統(tǒng)的HMI軟件一般會包括繪圖軟件，可以讓系統(tǒng)維護者修改系統(tǒng)在HMI中的呈現(xiàn)方式。呈現(xiàn)方式可以簡單到只有屏幕上的燈號，用燈號表示現(xiàn)場實際的狀態(tài)情形，也可以復雜到是用多臺投影機顯示摩天大樓中所有的電梯位置或是鐵路中所有列車的位置。

　　實現(xiàn)SCADA系統(tǒng)時，警告處理是很重要的一個部份。系統(tǒng)會監(jiān)控指定的警告條件是否成立，以確定是否有警告事件發(fā)生。當有警告事件時，系統(tǒng)會采取對應的行動，例如啟動一個或多個警告指示，或發(fā)出電子郵件或短信給系統(tǒng)管理者或SCADA操作員，告知已有警告事件。SCADA操作員需確認警告事件，有些警告事件在確認后其警告指示就會關閉，也有一些警告指示要在警告條件清除后才會關閉。

　　2、（計算機）監(jiān)控系統(tǒng)可以采集數(shù)據(jù)，也可以提交命令監(jiān)控程序的進行。

　　3、遠程終端控制系統(tǒng)（RemoteTerminalUnit，簡稱RTU）連接許多程序中用到的傳感器，數(shù)據(jù)采集（Dataacquisition）后將數(shù)字的數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控系統(tǒng)。

　　遠程終端控制系統(tǒng)（RTU）可連接到其他設備。RTU可將設備上的電氣信號轉換為數(shù)字的值，例如一個開關或閥開/關的狀態(tài)，或是儀器量測到的壓力、流量、電壓或電流。也可以借由信號轉換及傳送信號來控制設備，例如特定開關或閥的打開/關閉，或是設置一個泵浦的速度。

　　4、可編程邏輯控制器（programmablelogiccontroller，簡稱PLC）因為其價格便宜，用途廣泛，也常用作現(xiàn)場設備，取代特殊功能的遠程終端控制系統(tǒng)。

　　SCADA是調度管理層，PLC是現(xiàn)場設備層。PLC系統(tǒng)，即可編程控制器，適用于工業(yè)現(xiàn)場的測量控制，現(xiàn)場測控功能強，性能穩(wěn)定，可靠性高，技術成熟，使用廣泛，價格合理。SCADA的重點是在監(jiān)視、控制，可以實現(xiàn)部分邏輯功能，基本用于上位；PLC單純的實現(xiàn)邏輯功能和控制，不提供人機界面，實現(xiàn)操作需借助與按鈕指示燈、HMI以及SCADA系統(tǒng)；

　　5、通信網(wǎng)絡則是提供監(jiān)控系統(tǒng)及RTU（或PLC）之間傳輸數(shù)據(jù)的管道。

　　傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)會使用廣播、串行或是調制解調器來達到通信的機能，有些大型的SCADA系統(tǒng)（例如發(fā)電廠或鐵路）也常會使用架構在同步光網(wǎng)絡（SONET）或同步數(shù)字體系（SDH）上的以太網(wǎng)或網(wǎng)絡協(xié)議。SCADA系統(tǒng)中的遠程管理或監(jiān)視機能常稱為遙測。

　　三、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)

　　SCADA是指一個可以監(jiān)控及控制所有設備的集中式系統(tǒng)，或是在由分散在一個區(qū)域（小到一個工廠，大到一個國家）中許多系統(tǒng)的組合。其中大部份的控制是由遠程終端控制系統(tǒng)（RTU）或PLC進行，主系統(tǒng)一般只作系統(tǒng)監(jiān)控層級的控制。例如在一個系統(tǒng)中，由PLC來控制制程中冷卻水的流量，而SCADA系統(tǒng)可以讓操作員改變流量的目標值，設置需顯示及記錄的警告條件（例如流量過低，溫度過高）。PLC或RTU會利用回授控制來控制流量或溫度，而SCADA則監(jiān)控系統(tǒng)的整體性能。

　　數(shù)據(jù)采集（Dataacquisition）由RTU或PLC進行，包括讀取傳感器數(shù)據(jù)，依SCADA需求通信傳送設備的狀態(tài)報告。數(shù)據(jù)有特定的格式，控制室中的操作員可以用HMI了解系統(tǒng)狀態(tài)，并決定是否要調整RTU（或PLC）的控制，或是暫停正常的控制，進行特殊的處理。數(shù)據(jù)也會傳送到歷史記錄器（Operationalhistorian），一般會是架構在商用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)上，以便追蹤趨勢并進行分析。

　　SCADA系統(tǒng)會配合分散式數(shù)據(jù)庫使用，一般稱為標簽數(shù)據(jù)庫（tagdatabase），其中的數(shù)據(jù)元素稱為標簽（tag）或點（point）。一個點表示一個單一的輸入或輸出值，可能是由系統(tǒng)所監(jiān)視或是控制。點可以是硬件（hard）的或是軟件（soft）的。一個硬件的點表示系統(tǒng)中實際的輸入或是輸出，而軟件的點則是根據(jù)其他點進行數(shù)學運算或邏輯運算后的結果（有些系統(tǒng)會把所有的點都視為軟件的點，無視其實際上是硬件或軟件）。一個點通常都是會以數(shù)據(jù)-時間戳記對的方式存儲，其中有數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)計算或記錄時的時間戳記。一個點的歷史記錄即可以用一連串的數(shù)據(jù)-時間戳記對所表示。常常也會在存儲時加上其他的信息，例如現(xiàn)場設備或PLC暫存器的路徑，設計的注解及警告信息。

　　四、主要應用

　　SCADA系統(tǒng)的主要應用在樓宇自動化；生產(chǎn)線管理；機械人、機件臂系統(tǒng)；其它生產(chǎn)行業(yè)；無人工作站系統(tǒng)等方面

　　舉例無人工作站系統(tǒng)具體實例有：無線通訊基站網(wǎng)；郵電通訊機房空調網(wǎng)；電力系統(tǒng)配電網(wǎng)；鐵路系統(tǒng)電力系統(tǒng)調度網(wǎng)；鐵路系統(tǒng)道口，信號管理系統(tǒng)；壩體、隧道、橋梁、機場和碼頭等安全監(jiān)控網(wǎng)；石油和天然氣等各種管道監(jiān)控管理系統(tǒng)；地鐵、鐵路自動收費系統(tǒng)；交通安全監(jiān)側；城市供熱、供水系統(tǒng)監(jiān)控和調度；環(huán)境、天文和氣象無人檢測網(wǎng)絡的管理；其它各種需要實時監(jiān)控的設備。

　　在高速公路電力SCADA系統(tǒng)中包含兩個層次，一是分步式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也就是通常所說的下位機；另一個是數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)，即中心上位機HMI（HumanMachineInterface）系統(tǒng)。

　　在高速公路電力SCADA監(jiān)控系統(tǒng)中心的上位機部分，監(jiān)控主站通常采用局域網(wǎng)絡方式如傳輸速率為10MBPS/100MBPS自適應的以太網(wǎng)，構成以計算機設備為核心，以功能為模塊，以節(jié)點為單元的調度中心系統(tǒng)。

　　監(jiān)控子站系統(tǒng)通常由數(shù)據(jù)采集設備和通訊接口設備構成，稱為RTU。監(jiān)控子站與主站的通信通道可為遠程拔號、載波、微波、光纖、無線、專線ISDN等多種形式，SCADA系統(tǒng)支持多種通訊規(guī)約。

　　整個SCADA系統(tǒng)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通訊總體上采取的是客戶/服務（Client/Server）模式，即被稱為“按需求傳送數(shù)據(jù)”的方式。這種方式有以下優(yōu)點：1、使網(wǎng)絡向擔大大減輕；2、提高了網(wǎng)絡中各個節(jié)點之間的相互獨立性；3、極其簡便系統(tǒng)的擴充；3、多路徑訪問能力。

　　下面以廣州市北部地區(qū)（新國際機場）高速公路的電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)為例，敘述高速公路電力SCADA監(jiān)控系統(tǒng)一般的配置及功能。

　　廣州機場高速公路從三元里至新國際機場，全線設置一套電力監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)，對所管轄的變電所、變配電所及箱式變電站等供電設施進行監(jiān)控管理，該監(jiān)控系統(tǒng)由設在蚌湖控制中心大樓內的控制站，數(shù)據(jù)傳輸通道設在沿線的各被控站設備組成，被控站包括九個變電所，一個中心變配電所和入個箱式變電站。

　　并且，系統(tǒng)在設計時，控制站設備的容量及通信接口容量充分考慮到了規(guī)劃中北延線供電設備的管理。

　　根據(jù)廣州機場高速公路電力監(jiān)控SCADA系統(tǒng)方案，以及高速公路現(xiàn)場的情況，選定了Schneider公司的Compact系列PLC產(chǎn)品來構成系統(tǒng)的下位機。除數(shù)據(jù)采集外，其強大的編程功能保證了系統(tǒng)的各類控制功能的需求?，F(xiàn)場中我們所需的采樣數(shù)據(jù)可分類模擬量輸入（AI）、離散量輸入（DI）和離散量輸出（DO）三類。

　　Quantum系列PLC組成系統(tǒng)的通訊前置機；此系列PLC的CPU采用Intel586133MHz芯片，具有極高的數(shù)據(jù)處理能力，在通訊方面可提供多種通信方式。通訊前置機通過網(wǎng)橋與系統(tǒng)下位機的PLC控制（采樣）單元相聯(lián)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議的轉換。而通訊前置機與上位機系統(tǒng)則通過以太網(wǎng)協(xié)議直接相聯(lián)。

　　SCADA監(jiān)控系統(tǒng)的上位機，采用工業(yè)控制機和WINDOWS2000作為基礎的硬件平臺和軟件平臺，同時用iFIX軟件開發(fā)圖形化的操作員節(jié)點和維護員節(jié)點，能夠有效的實現(xiàn)SCADA結點機和PLC設備的無縫連接；界面的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)庫的管理。報警和安全機制都能很好的實現(xiàn)。用VC++編程開發(fā)工具共同開發(fā)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與后臺處理機。其內部設置了動態(tài)實時數(shù)據(jù)庫、歷史記錄數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控對象數(shù)據(jù)庫等多種關系型數(shù)據(jù)庫。