scada监控与数据采集技术

监控与数据采集技术SCADACh1 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）下位机功能：数据采集 下位机配置的各种输入设备（DI、AI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、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WinConLinCon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）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。 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）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。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。 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 楼宇自动化 生产线管理它 机械人、机件臂系统 其它生产行业 无人工作站系统 主要无人值守工作站u无线通讯基站网； u邮电通讯机房空调网；u电力系统配电网；u铁路系统电力系统调度网；u铁路系统道口，信号管理系统；u坝体、隧道、桥梁、机场和码头等安全监控网；u石油和天然气等各种管道监控管理系统；u地铁、铁路自动收费系统；u交通安全监侧；u城市供热、供水系统监控和调度；u环境、天文和气象无人检测网络的管理；u其它各种需要实时监控的设备。