1、工业控制系统及应用工业控制系统及应用SCADA系统篇系统篇华东理工大学自动化系华东理工大学自动化系王华忠王华忠 Ch1 SCADA系统概述一、什么是SCADA系统 SCADA的英文是Supervisory Control And Data Acquisition，译成中文就是监督控制与数据采集。从其名称可以看出，其包含两个层次的功能：数据采集 监控、管理 图1.1所示为一个污水处理厂SCADA系统。图1.1(a)SCADA系统实例污水处理厂监控系统 图1.1（b)SCADA系统实例油田监控系统 原油（天然气）井站、油气地面开采集输、原油（天然气）处理联 合 站、输 油（气）管道的自动化。1、定
2、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系统组成与结构上位机：侧重监控与管理功能下位机：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
3、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、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）对现场设备进行直接控制。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。
4、北京安控公司的Super32-LP微功耗RTU，是面向工业现场信号采集和控制的小型RTU。采用微功耗设计，内置GPRS通信模块和Zigbee无线通信接口，配合SZ系列无线仪表，极其方便的组成自来水和燃气管网测压系统。特别适合在小点数的数据采集领域使用。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
5、、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
6、和施耐德的Quantum系列等。图1.3所示为下位机程序 图1.3 下位机程序示例（三菱电机PLC）a、西门子S7-200 b、三菱电机FX2N整体式可编程控制器 a、西门子S7-300 b、三菱A系列 c、A-B Control Logix模块式可编程控制器 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：G E F a n u c 公 司 的PACSystemsRX3i7i、NI公司的Compact FieldPoint、Beckoff公司 的CX1000、泓格科技的WinConLinCon系列
7、、PAC-7186EX、A-B公司的CompactLogix和研华公司的ADAM-5510EKW等。泓格科技的WinCon 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。上位机人机界面如图1.4所示。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
8、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。图1.4 上位机人机界面（2 2）上位机功能：）上位机功能：数据采集和状态显示 SCADA系统的首要功能就是数据采集，即首先通过下位机采集测控现场数据，然后上位机通过通信网络从众多的下位机中采集数据，进行汇总、记录和显示。通常情况下，下位机不具有数据记录功能，只有上位机才能完整地记录和保持各种类型的数据，为各种分析和应用打下基础。远程监控。u 由于上位机采集数据具有全面性和完整性，监控中心的控制管理也具有全局性，能更好地实现整个系统的合理、优化运行。特别是对许多常年无人值守的现场，远程监控是安全生产的重要保证。u 远程监控的实
9、现不仅表现在管理设备的开、停及其工作方式，如手动还是自动，还可以通过修改下位机的控制参数来实现对下位机运行的管理和监控。报警和报警处理 SCADA系统上位机的报警功能对于尽早发现和排除测控现场的各种故障，保证系统正常运行起重要作用。上位机上可以以多种形式显示发生的故障的名称、等级、位置、时间和报警信息的处理或应答情况。上位机系统可以同时处理和显示多点同时报警，并且对报警的应答做记录。事故追忆和趋势分析。上位机系统的运行记录数据，如报警与报警处理记录、用户管理记录、设备操作记录、重要的参数记录与过程数据的记录对于分析和评价系统运行状况是必不可少的。对于预测和分析系统的故障，快速地找到事故的原因并
10、找到恢复生产的最佳方法是十分重要的，这也是评价一个SCADA系统其功能强弱重要的指标之一。与其他应用系统的结合 工业控制的发展趋势就是管控一体化，也称为综合自动化，典型的系统架构就是ERPMESPCS三级系统结构，如图1.5所示，SCADA系统就属于PCS层，是综合自动化的基础和保障。这就要求SCADA系统是开放的系统，可以为上层应用提供各种信息，也可以接收上层系统的调度、管理和优化控制指令，实现整个企业的优化运行。图1.5 综合自动化体系结构 （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
11、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。在一个大型的SCADA系统，包含多种层次的网络，如设备层总线，现场总线；在控制中心有以太网；而连接上、下位机的通信形式更是多样，既有有线
12、通信，也有无线通信，有些系统还有微波、卫星等通信方式。（1 1）上位机系统：）上位机系统：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：）下位机系统：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。在一些应用中，现场布线不方便，会采用短距离无线通信。（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、
13、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、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系统的发展经历了集中式SCADA系统阶段、分布式SCADA系统阶段和网络式SCADA系统三个阶段。集中式SCADA系统是所有的监控功能依赖于一台主机
14、（mainframe），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。现场RTU几乎无控制功能，只侧重数据采集。第二代SCADA系统逐步向网络化、分布式过渡，但是使用的是专业网络，专业协议，但开放性较差。现场RTU具有控制功能。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。系统普遍以客户机服务器（CS）和浏览器服务器结构（BS）为基础，多数系统结构上包含这两者结构，但以CS结构为主，BS结构主要是为了支持Internet应用，以满足远程监控的需要。现场控制设备具有较强的控制功能和通信能力。与第二代SCADA系统相比，第三代SCADA系统在
15、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。第三代SCADA系统在软、硬件上开放性好，采用国际标准或主流的网络和通信协议。同时，PLC在SCADA系统中的应用更加普通。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
16、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
17、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，
18、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
19、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系统的应用1、计算机控制系统分类、计算机控制系统分类 数数 字字 计计 算算 机机CRT打印机打印机报报 警警过程输入通道过程输入通道 测量变送测量变送 测量变送测量
20、变送被被 控控 生生 产产 过过 程程执行机构执行机构 人人 计算机巡回检测和操作指导系统计算机巡回检测和操作指导系统直接数字控制直接数字控制(DDC)计算机计算机CRT打印机打印机报报 警警操作台操作台过程输入通道过程输入通道 测量变送测量变送 测量变送测量变送被被 控控 生生 产产 过过 程程过程输出通道过程输出通道 执行机构执行机构 执行机构执行机构 监督控制计算机监督控制计算机(SCC)CRT打印机打印机报警报警DDC计算机或调节器计算机或调节器输入通道输入通道 输出通道输出通道被被 控控 生生 产产 过过 程程操作台操作台输入通道输入通道计算机监督控制（计算机监督控制（SCC）系统）
21、系统控制台控制台控制台控制台过程控制计算机过程控制计算机控制单元控制单元控制单元控制单元多路采集器多路采集器可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器数据通道数据通道工程师工程师/操作员控制台操作员控制台其他系统其他系统分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统2、典型的工业控制系统、典型的工业控制系统 典型的工业控制系统系统包括两大类：（1）SCADA系统（2）集散控制系统 完整的计算机控制系统除了包括控制器以往，还应该有完整的人机界面，可以进行监控、报警、报表、数据记录等功能。现场总线控制系统是一类新型的工业控制系统，目前其应用还没有得到大规模的普及。还有一类计算机控制系统，采用工控机或商用计算机做主
22、机，配上I/O模块，如A/D、D/A、DI、DO等。采用高级语言或组态软件编写控制程序。这种控制方式只适用于一些对控制要求不高的小系统。上述方式，近年还可以采用分布式数据采集模块，通过数字通信的方式与控制软件通信，这样可以节约电缆。2、SCADA系统与其它计算机控制系统的比较 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
23、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。随着技术的不断进步，各种控制方案层出不穷，一个具体的工业控
24、制问题可以有不同的解决方案。但总体上来说，还是遵循传统的思路，即在制造业的控制中，还是首选PLC，而过程控制系统首选DCS。而对于监控点十分分散的控制过程，多数还是会选SCADA系统，只是随着应用的不同，下位机的选择会有不同。当然，由于控制技术的不断融合，在实际应用中，有些控制系统的选型还是具有一定的灵活性。极大地提高了生产和运行管理的安全性能和可靠程度。极大地减低了生产人员面临恶劣工作环境的可能性，保证了工作过程中第一位的人员的安全性。通过生产过程的集中控制和管理，极大地提高企业作为一个整体效率的竞争能力，提高了产品质量和生产的效率。系统通过对设备生产趋势的保留和处理，可提高预测突发事件的能
25、力，在紧急情况下的快速反应和处理能力，可极大地减少生命和财产的损失，从而可带来潜在的社会和经济效益。2、采用SCADA系统的好处在电力系统中，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。3、典型应用领域（1）电力SCADA SCADA在铁道电气化远动系统上的应用较早，在保证电气化铁路的安全可靠供电，提高铁路
26、运输的调度管理水平上起到了很大的作用。在铁道电气化SCADA系统的发展过程中，随着计算机的发展，不同时期有不同的产品，同时我国也从国外引进了大量的SCADA产品与设备，这些都带动了铁道电气化远动系统向更高的目标发展。（2）铁道电气化SCADA系统（3）武广高铁SCADA系统 在武广高铁上采用SCADA技术建立了铁路防灾系统。武广高铁全长995公里，有10个车站，3个数据调度中心，分别位于武昌新火车站、长沙火车站和广州南站内。全线共设置155个防灾监控单元，包括2处监控数据处理设备、2处调度监控设备。该系统实现了对远程无人值守站点、环境恶劣站点的监控。系统设有风速监测站点109个、雨量监测站点5
27、1个、异物监测站点125个楼宇自动化 生产线管理机械人、机件臂系统 其它生产行业无人工作站系统 （3）其它应用领域无人值守工作站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。本章主要知识点什么是SCADA系统。SCADA系统功能、结构、组成。SCADA系统典型架构。SCADA系统与其它计算机控制系统的比较。SCADA系统的应用 本课程学习 分专题介绍 远程学习结合面授、辅导 实验教学 要求：熟悉VB语言、PLC 考试方式：开卷
