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SCADA系統(tǒng)概述

發(fā)布時間:2021-08-19 14:29:13 最后更新:2021-08-19 15:30:27 瀏覽次數(shù):4779
1.什么是SCADA系統(tǒng)?
SCADA的英文是Supervisory Control And Data Acquisition,譯成中文就是監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集。從其名稱可以看出,其包含兩個層次的功能:數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。下圖所示為一個市政工程SCADA系統(tǒng)。

                      SCADA系統(tǒng)實例一污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)

1.1定義
SCADA系統(tǒng)是一類功能強大的計算機遠程監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它綜合利用了計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù),完成了對測控點分散的各種過程或設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集,本地或遠程的自動控制,以及生產(chǎn)過程的全面實時監(jiān)控,并為安全生產(chǎn)、調(diào)度、管理、優(yōu)化和故障診斷提供必要和完整的數(shù)據(jù)及技術(shù)手段。
1.2特點
一般來講,SCADA系統(tǒng)特指分布式計算機測控系統(tǒng),主要用于測控點十分分散、分布范圍廣泛的生產(chǎn)過程或設(shè)備的監(jiān)控,通常情況下,測控現(xiàn)場是無人或少人值守。

2.SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
上位機:側(cè)重監(jiān)控功能
下位機:直接控制功能
通信網(wǎng)絡(luò):實現(xiàn)上、下位機數(shù)據(jù)交換如下圖所示。
從其結(jié)構(gòu)可以看出,SCADA系統(tǒng)具有控制分散、管理集中的“集散控制系統(tǒng)”的特征。

                                                                 SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1下位機
(1)下位機功能:
數(shù)據(jù)采集
下位機配置的各種輸入設(shè)備(DI、Al等)進行數(shù)據(jù)采集。
控制
下位機配置的各種輸出設(shè)備(DO、AO等)對現(xiàn)場設(shè)備進行控制下位機接收上位機的監(jiān)控,并且向上位機傳輸各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

(2)下位機類型:
遠程終端單元RTU 
RTU(Remote Terminal Unit,RTU)是安裝在遠程現(xiàn)場的電子設(shè)備,用來監(jiān)視和測量安裝在遠程現(xiàn)場的傳感器和設(shè)備。它在提高信號傳輸可靠性、減輕主機負擔(dān)、減少信號電纜用量、節(jié)省安裝費用等方面的優(yōu)點也得到用戶的肯定。

RTU的功能:
RTU的主要作用是進行數(shù)據(jù)采集及本地控制,進行本地控制時作為系統(tǒng)中一個獨立的工作站,這時RTU可以獨立的完成連鎖控制、前饋控制、反饋控制、PID等工業(yè)上常用的控制調(diào)節(jié)功能;進行數(shù)據(jù)采集時作為一個遠程數(shù)據(jù)通訊單元,完成或響應(yīng)本站與中心站或其它站的通訊和遙控任務(wù)。

RTU的配置與程序執(zhí)行:
RTU的主要配置有CPU模板、I/O(輸入/輸出)模板、通訊接口單元,以及通訊機、天線、電源、機箱等輔助設(shè)備。
RTU能執(zhí)行的任務(wù)流程取決于下載到CPU中的程序。應(yīng)用程序可用工程中常用的編程語言編寫,如梯形圖、C語言等。
有些設(shè)備采用C語言編程。

RTU的特點:
(1)同時提供多種通訊端口和通訊機制。
(2)提供大容量程序和數(shù)據(jù)存儲空間。
(3)高度集成的、更緊湊的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。
(4)更適應(yīng)惡劣環(huán)境應(yīng)用的品質(zhì)。

PLC(中、小型)
典型的小型PLC產(chǎn)品有三菱的FX2N系統(tǒng)PLC、西門子的S7200系統(tǒng)、OMRON的CPM1A等。
一些中、大型的SCADA系統(tǒng)的下位機會選用中型的PLC產(chǎn)品,如三菱的Q系列、西門子的S7-300、A-B公司的ControlLogix和施耐德的Quantum系列等。

PAC(可編程自動化控制器)
作為一種開放型的自動化控制設(shè)備,PAC在SCADA系統(tǒng)的下位機的應(yīng)用逐步增多,主要的產(chǎn)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和研華公司的ADAM-5510EKW等。

智能儀表
在一些側(cè)重數(shù)據(jù)采集、信息集中管理與遠程監(jiān)管的應(yīng)用中,遠程控制功能要求較低。在這類SCADA系統(tǒng)中,大量使用各種現(xiàn)場儀表做下位機,如智能流量計量表、冷量熱量表、智能巡檢儀等。

2.2上位機
(1)上位機組成:
上位機系統(tǒng)通常包括SCADA服務(wù)器、工程師站、操作員站、WEB服務(wù)器等,這些設(shè)備通常采用以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。
實際的SCADA系統(tǒng)上位機系統(tǒng)到底如何配置還是根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和要求而定。根據(jù)安全性要求,上位機系統(tǒng)還可以實現(xiàn)冗余,即配置兩臺SCADA服務(wù)器,當(dāng)一臺出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)自動卻換到另外一臺工作。

(2)上位機功能:
數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)顯示。
遠程監(jiān)控。
報警和報警處理。
事故追憶和趨勢分析。>與其他應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)合。

(3)選用工控機或商用機
在SCADA系統(tǒng)發(fā)展初期,上位機系統(tǒng)普遍采用工控機。因為工控機在商用計算機上進行了改裝與加固,以適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的要求,主要體現(xiàn)在:硬件結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)可靠性、抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)性等。
然而,近年來,隨著商業(yè)機可靠性的不斷增強,以及商用機與工控機之間較大的價格差距,SCADA系統(tǒng)選用商用機做上位機已經(jīng)十分普遍。對于可靠性要求高的場合,可以通過熱備等方式來實現(xiàn)。

2.3通信網(wǎng)絡(luò)
通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信,是SCADA系統(tǒng)的重要組成部分。與一般的過程監(jiān)控相比,通信網(wǎng)絡(luò)在SCADA系統(tǒng)中分演的作用更為重要,這主要因為SCADA系統(tǒng)監(jiān)控的過程大多具有地理分散的特點,如無線通信機站系統(tǒng)的監(jiān)控。
(1)上位機系統(tǒng)間網(wǎng)絡(luò):
主要是連接上位機、服務(wù)器、通信設(shè)備、打印設(shè)備的局域網(wǎng)絡(luò)。
上位機還可以設(shè)置WEB服務(wù)器,提供遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。
(2)下位機系統(tǒng)間網(wǎng)絡(luò):
包括連接I/O設(shè)備與控制器的現(xiàn)場總線,各種設(shè)備級總線等。
(3)連接上、下位機的通信網(wǎng)絡(luò):
這部分網(wǎng)絡(luò)最復(fù)雜,形式最多樣,是SCADA系統(tǒng)的重要特點。

2.4檢測和執(zhí)行設(shè)備
(1)檢測元件
SCADA系統(tǒng)中監(jiān)控的參數(shù)按照數(shù)據(jù)類型可以分為模擬量、數(shù)字量和脈沖量等,模擬量包括溫度、壓力、物位、流量等典型過程參數(shù)和其他各種參數(shù),而數(shù)字量包括設(shè)備的啟/停狀態(tài)等。
這些信號的獲取要靠各種檢測元件(傳感器)實現(xiàn)。
(2)執(zhí)行器
執(zhí)行設(shè)備接受下位機(控制器)的輸出,改變操縱變量,使生產(chǎn)過程按照預(yù)定要求正常運行。在不同的行業(yè)中,執(zhí)行器類別不一樣,如在生產(chǎn)過程監(jiān)控中,各種氣動執(zhí)行器得到廣泛應(yīng)用,典型的就是氣動薄膜調(diào)節(jié)閥,還有各種開關(guān)閥門。而在制造業(yè)中,各種步進電機、變頻器、伺服電機等調(diào)速設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。

3.SCADA系統(tǒng)典型架構(gòu)
SCADA系統(tǒng)的發(fā)展三個階段:
集中式SCADA系統(tǒng)階段
分布式SCADA系統(tǒng)階段
網(wǎng)絡(luò)式SCADA系統(tǒng)
3.1集中式SCADA系統(tǒng)
所有監(jiān)控功能依賴于一臺主機,采用廣域網(wǎng)連接現(xiàn)場RTU和主機。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較簡單,開放性差,功能較弱。
網(wǎng)絡(luò)化SCADA系統(tǒng)以各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ),控制結(jié)構(gòu)更加分散化,信息管理更集中。
客戶機/服務(wù)器(C/S)。
瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)(B/S),支持Internet應(yīng)用,以滿足遠程監(jiān)控需要。
與第二代SCADA系統(tǒng)相比,第三代SCADA系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更加開放,兼容性更好,可以無縫集成到全廠綜合自動化系統(tǒng)中。
由于SCADA系統(tǒng)的規(guī)模可以從幾百點到幾萬點,用戶對SCAD系統(tǒng)的需求是多樣的,因此對其系統(tǒng)架構(gòu)提出了很高的要求。
SCADA系統(tǒng)屬于典型的分布式計算機應(yīng)用系統(tǒng),在這樣的系統(tǒng)中,體系結(jié)構(gòu)是軟件系統(tǒng)中最本質(zhì)的東西,良好的體系結(jié)構(gòu)意味著普適、高效和穩(wěn)定。由于體系結(jié)構(gòu)是對復(fù)雜事務(wù)的一種抽象,良好的體系結(jié)構(gòu)是普遍適用的,它可以高效地處理多種多樣的個體需求。同時,體系結(jié)構(gòu)在一定的時間內(nèi)保持穩(wěn)定。當(dāng)需求發(fā)生變化時,程序員可以不用修改系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。


3.2客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)
C/S結(jié)構(gòu)中客戶機和服務(wù)器之間的通信以
“請求一響應(yīng)”的方式進行。客戶機先向服務(wù)器發(fā)出請求,服務(wù)器再響應(yīng)這個請求,如圖1.3所示。
C/S結(jié)構(gòu)最重要的特征是:它不是一個主從環(huán)境,而是一個平等的環(huán)境,即C/S系統(tǒng)中各計算機在不同的場合既可能是客戶機,也可能是服務(wù)器。在C/S應(yīng)用中,用戶只關(guān)心完整地解決自己的應(yīng)用問題,而不關(guān)心這些應(yīng)用問題由系統(tǒng)中哪臺或哪幾臺計算機來完成。

                                          客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)

如在SCADA系統(tǒng)中,當(dāng)SCADA服務(wù)器向PLC請求數(shù)據(jù)時,它是客戶機,而當(dāng)其他操作站向SCADA服務(wù)器請求服務(wù)時,它就是服務(wù)器。顯然,這種結(jié)構(gòu)可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢,將任務(wù)合理分配到客戶端和服務(wù)器端來實現(xiàn),降低了系統(tǒng)的通訊開銷。

3.3瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)隨著Internet的普及和發(fā)展,以往的主機/終端和C/S結(jié)構(gòu)都無法滿足當(dāng)前的全球網(wǎng)絡(luò)開放、互連、信息隨處可見和信息共享的新要求,于是就出現(xiàn)了B/S型結(jié)構(gòu),如圖所示。


                                                                           瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)

B/S結(jié)構(gòu)最大特點是:用戶可以通過瀏覽器去訪問Internet上的文本、數(shù)據(jù)、圖像、動畫、視頻點播和聲音信息,這些信息都是由許許多多的Web服務(wù)器產(chǎn)生的,而每一個Web服務(wù)器又可以通過各種方式與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器連接,大量的數(shù)據(jù)實際存放在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是:客戶機統(tǒng)一采用瀏覽器,這不僅讓用戶使用方便,而且使得客戶端不存在維護的問題

3.4兩種結(jié)構(gòu)比較
(1)B/S模式的優(yōu)點和缺點
B/S結(jié)構(gòu)的優(yōu)點表現(xiàn)在:
具有分布性特點,可以隨時隨地進行查詢、瀏覽等業(yè)務(wù)處理。
業(yè)務(wù)擴展簡單方便,通過增加網(wǎng)頁即可增加服務(wù)器功能。
維護簡單方便,只需要改變網(wǎng)頁,即可實現(xiàn)所有用戶的同步更新。>開發(fā)簡單,共享性強。

B/S結(jié)構(gòu)的缺點表現(xiàn)在:
個性化特點明顯降低,無法實現(xiàn)具有個性化的功能要求。
操作是以鼠標(biāo)為最基本的操作方式,無法滿足快速操作的要求。
頁面動態(tài)刷新,響應(yīng)速度明顯降低。
功能弱化,難以實現(xiàn)傳統(tǒng)模式下的特殊功能要求。

(2)C/S模式的優(yōu)點和缺點
C/S結(jié)構(gòu)的優(yōu)點表現(xiàn)在:
由于客戶端實現(xiàn)與服務(wù)器的直接相連,沒有中間環(huán)節(jié),因此響應(yīng)速度快。
操作界面漂亮、形式多樣,可以充分滿足客戶自身的個性化要求。
C/S結(jié)構(gòu)的管理信息系統(tǒng)具有較強的事務(wù)處理能力,能實現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程。

C/S結(jié)構(gòu)的缺點表現(xiàn)在:
需要專門的客戶端安裝程序,分布功能弱,針對點多面廣且不具備網(wǎng)絡(luò)條件的用戶群體,不能夠?qū)崿F(xiàn)快速部署安裝和配置。
兼容性差,對于不同的開發(fā)工具,具有較大的局限性。若采用不同工具,需要重新改寫程序。
開發(fā)成本較高,需要具有一定專業(yè)水準(zhǔn)的技術(shù)人員才能完成。

4.SCADA、PLC與DCS
SCADA系統(tǒng)集中了PLC系統(tǒng)的現(xiàn)場測控功能強和DCS系統(tǒng)的組網(wǎng)通訊能力的兩大優(yōu)點,性能價格比高,特別適合測控點極為分散,對控制的要求不是特別高的場合。
PLC系統(tǒng),即可編程控制器系統(tǒng),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(shù)成熟,使用廣泛,價格合理。
PLC多作為SCADA系統(tǒng)的下位機。

DCS系統(tǒng)(集散控制系統(tǒng)),適用于測控點數(shù)多、測控精度高、測控速度快的工業(yè)現(xiàn)場,其特點是分散控制和集中監(jiān)視,具有組網(wǎng)通訊能力、測控功能強、運行可靠、易于擴展、組態(tài)方便、操作維護簡便,但系統(tǒng)的價格昂貴。
SCADA系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)為上、下位機的結(jié)構(gòu),下位機完成設(shè)備的直接控制,而上位機側(cè)重于信息集中管理,上、下位機通過通信網(wǎng)絡(luò)連接。由于SCADA系統(tǒng)的控制對象分布可能極為分散,因此,SCADA系統(tǒng)的通信通常比DCS要復(fù)雜,通信的形式也會多種多樣。
SCADA系統(tǒng)可以集成不同廠家的各種測控產(chǎn)品,開放性更好。而某一過程的DCS控制系統(tǒng)通常是某固定型號的。

5.SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用
在電力系統(tǒng)中,SCADA系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛,技術(shù)發(fā)展也最為成熟。
它作為能量管理系統(tǒng)(EMS系統(tǒng))的一個最主要的子系統(tǒng),有著信息完整、提高效率、正確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢,現(xiàn)已經(jīng)成為電力調(diào)度不可缺少的工具。
它對提高電網(wǎng)運行的可靠性、安全性與經(jīng)濟效益減輕調(diào)度員的負擔(dān),實現(xiàn)電力調(diào)度自動化與現(xiàn)代化有著不可替代的作用。

具體應(yīng)用:
樓宇自動化
生產(chǎn)線管理它
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)
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