SCADA系统全面介绍

 

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现在北方的热电公司、热力公司对热网供气管网采取的数据远程采集监控系统就是一种典型的SCADA系统，简单的说就是通过二次仪表将温度、压力、流量、掉电时间等参数通过GPRS，或者485总线的方式传送到控制调度中心的实现这样一个功能的系统，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统作为生产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之一，它包含两个层次的含义：一是分步式的数据采集系统，即智能数据采集系统，也就是通常所说的下位机；另一个是数据处理和显示系统，即上位机HMI（Human Machine Interface）系统。 下位机一般意义上通常指硬件层上的，即各种数据采集设备，如各种RTU、 FTU、PLC及各种智能控制设备等等。这些智能采集设备与生产过程和事务管理的设备或仪表相结合，时感知设备各种参数的状态，并将这些状态信号转换成数字信号，并通过特定数字通信网络传递到HMI系统中。必要的时候，这些智能系统也可以向设备发送控制信号。上位机HMI系统在接受这些信息后，以适当的形式如声音、图形、图象等方式显示给用户，以达到监视的目的，同时数据经过处理后，告知用户设备各种参数的状态（报警、正常或报警恢复），这些处理后的数据可能会保存到数据库中，也可能通过网络系统传输到不同的监控平台上，还可能与别的系统（如MIS，GIS）结合形成功能更加强大的系统；HMI还可以接受操作人员的指示，将控制信号发送到下位机中，以达到控制的目的。<o:p></o:p>

-------------------------------------------------------------------------------- 上位机与下位机结合的SCADA系统，作为操作员平台和中央监控系统，已经和将要广泛地应用到工业生产和事物管理的各个领域，主要有：楼宇自动化 开放性能良好的SCADA系统可作为楼宇设备运行与管理子系统，监控房屋设施的各项设备事务，如门警、电梯运营、消防系统、照明系统、空调系统、水工、备用电力系统等等的自动化管理；生产线管理 用于监控和协调生产线上各种设备正常有序的运营和产品数据的配方管理；无人工作站系统 用于集中监控无人看守系统的正常运行，这种无人值班系统广泛分布在以下行业：<o:p></o:p>

无线通讯基站网；<o:p></o:p>

邮电通讯机房空调网；<o:p></o:p>

电力系统配电网；<o:p></o:p>

铁路系统电力系统调度网；<o:p></o:p>

铁路系统道口，信号管理系统；<o:p></o:p>

坝体、隧道、桥梁、机场和码头等安全监控网；<o:p></o:p>

石油和天然气等各种管道监控管理系统；<o:p></o:p>

地铁、铁路自动收费系统；<o:p></o:p>

交通安全监侧；<o:p></o:p>

城市供热、供水系统监控和调度；<o:p></o:p>

钢铁工业高炉安全监控系统；<o:p></o:p>

环境、天文和气象无人检测网络的管理；<o:p></o:p>

各种工业锅炉监控保护系统；<o:p></o:p>

其它各种需要实时监控的设备。<o:p></o:p>

机械人、机件臂系统 用于监视和控制机械人的生产作业；<o:p></o:p>

其它生产行业 如大型轮船生产运营、粮库质量和安全监测、设备维修故障检测、高速公路流量监控和记费系统等。<o:p></o:p>

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-------------------------------------------------------------------------------- 这些行业在应用了SCADA系统后，可以取得了以下社会和经济效益：<o:p></o:p>

极大地提高了生产和运行管理的安全性能和可靠程度；   生产配方管理的自动化可大大提高产品的质量和生产的效率；   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； <o:p></o:p>

可大大地减少不必要的人工浪费； <o:p></o:p>

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；   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，<o:p></o:p>

从而可带来潜在的社会和经济效益。 1.SCADA系统的功能要求<o:p></o:p>

SCADA系统，从传统用户的角度来讲主要解决以下三个问题：<o:p></o:p>

设备各种参数状态数据的采集和控制信息的发送 这部分涉及两个含义：<o:p></o:p>

一是怎样采集设备参数状态数据？它通常由智能设备生产厂家解决，及作为下位机在市场中出售，并提供可编程的通讯协议和协议处理芯片；

二是设备生产状态数据如何传递到上位机系统处理？目前上位机通常通过标准串口或IO卡运行专用的上层采集模块，从下位机中实时地采集设备各种参数和发送控制信息；解决问题效率的高低表现在采集周期的长短上，这也是衡量一个系统是否适合于某个行业的一个重要指标。目前上位机可达到平均毫秒级的采集周期。<o:p></o:p>

监控参数的图形动画表达和报警处理 报警作为监控的一个重要目的，是所有上位机系统必须解决的问题。如果说各种图形、图象、动画、声音等方式用于表达设备的各种参数运行状态是必不少的话，那么若上位机系统不能有效的处理设备的报警状态，所有的表现形式都是多余的。评价上位机系统可靠性和高效性的一个重要指标是看它能否不遗漏地处理多点同时报警。<o:p></o:p>

事故追忆和趋势分析 监控的另外一个目的是评价生产设备的运转情况和预测系统可能发生的事故。在发生事故时能快速地找到事故的原因，并找到恢复生产的最佳方法。从这个意义出发，实时历史数据的保留和系统操作情况记录变得非常重要。因而评价一个SCADA系统，其功能强弱最为重要的指标之一就是对实时历史数据记录和查询的准确和高效。<o:p></o:p>

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-------------------------------------------------------------------------------- 现代计算机软硬件技术的发展和应用的需要，又使得SCADA系统还要能解决以下一些问题：<o:p></o:p>

与管理信息系统（MIS）的结合 在现代企业中，生产过程管理和企业日常事物管理的结合是不可分割的，信息流的分层次流动适合于不同的管理需要，而且地域和行政部门的分布，在企业集团化管理的趋势下变得越来越明显，因此现代SCADA系统除了生产设备的分步式管理之外，上位机系统的分布式要求变得越来越重要。评价一个SCADA系统功能的强弱，其网络数据库功能将是一个不可缺少的评价指标。<o:p></o:p>

与地理信息系统（GIS）的结合 SCADA系统应用面临的众多领域中，对地理信息系统的要求越来越高。从这种角度上说，将一个适合于工业和事物管理的地理信息系统嵌套于SCADA系统中，将带来不可估量的效益，从而也是评价SCADA系统的一个重要指标。<o:p></o:p>

为了满足以上要求，从计算机软硬件技术要求来看，SCADA系统作为一个应用软件系统，它涉及到IT技术的方方面面，集中强调以下几种技术的综合利用：<o:p></o:p>

通讯技术：面临多种通讯协议模式如：ASCII、RTU等，通讯方式表现为同步、异步和主被动结合等，通讯媒体包括有线和无线方式； 计算机网络技术：应用表现为标准局域网、广域网、拨号网络、串口组网等等，协议包括TCP/IP、专用协议等，系统结构囊括点对点、客户/服务器等方式； 分布式数据库技术：强调实时高性能数据库的应用和与通用数据库的开放接口等等； <o:p></o:p>

编译技术：由于SCADA系统应用领域的特殊性，不同的应用对监控各方面的要求均不一样，因而，SCADA系统通常提供可编程功能，由于效率要求和保护二次开发知识产权的关系，设计一个好的专用语言,并提供一个好的编译系统将是至关重要的；   操作系统技术：SCADA系统面临的应用需要一个多任务、并发控制的系统结构，因此在开发系统时需要引入先进的调度算法和运行机制；   可靠性保障技术：由于SCADA系统应用的特殊性，系统通常需要提供多种可靠性保障技术，包含硬件如备用网络技术、备用数据采集设备和软件（如备用运行系统）等等，以及软件的多机热备用技术； <o:p></o:p>

多媒体技术：需要结合动画、声音、图形图象等多媒体技术的综合应用，以便真实客观地反映设备生产过程的状态和方便事务管理的要求； 图形用户界面技术：由于SCADA系统面临的用户的计算机应用能力参差不齐，方便易学的图形用户界面是极为必要的； <o:p></o:p>

-------------------------------------------------------------------------------- 2.SCADA系统现状和主要问题<o:p></o:p>

基于PC机Windows平台的SCADA上位机系统是目前发展的趋势，特别是基于95/98/NT平台的SCADA系统。目前，国际和国内市场上基于以上两种平台，应用比较广泛的SCADA上位机系统有：WondWare的InTouch、西门子公司的WinCC、澳大利亚的CiTech、美国Interlution公司的Fix、意大利LogoSystem的LogView等，这些系统较好地解决了传统SCADA上位机系统的功能主要方面：<o:p></o:p>

数据采集与控制信息发送 提供基于进程间通讯的数据采集方法（主要表现为开发DDE服务程序），并且已开发了常用的多种智能数据采集设备的服务程序；<o:p></o:p>

报警处理 具有多点同时报警处理功能，提供报警信息的显示，登录，部分提供用户应答功能；<o:p></o:p>

历史趋势显示与记录 <o:p></o:p>

提供基于专用实时数据库的监控点数据的记录、查询和图形曲线显示。<o:p></o:p>

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同时，针对管理和控制的需要，这些系统还提供以下工业过程控制和管理中相当有帮助的功能：<o:p></o:p>

配方管理功能：控制系统按一定的配方完成生产管理； <o:p></o:p>

网络通讯功能：提供非透明网络通讯机制，可以构筑上位机的分布式监控处理功能；   开放系统功能：提供基于DDE数据交换机制与其它应用程序交换数据，部分提供ODBC与其它系统数据库系统连接。 -------------------------------------------------------------------------------- 但是这些系统在完成以下功能时具有明显的缺陷：<o:p></o:p>

与企业MIS系统的结合性能差； <o:p></o:p>

不具备GIS功能； <o:p></o:p>

网络通讯不透明，不适合开发现代企业基于局域或专线网的网状层次结构监控管理系统； <o:p></o:p>

数据采集速度有待进一步提高； <o:p></o:p>

系统事故追忆能力差； <o:p></o:p>

缺乏高效能的控制任务调度算法的支持。 -------------------------------------------------------------------------------- 针对国内的需要，这些系统有明显的弱点：<o:p></o:p>

本地化差：虽然部分系统已经汉化，但是中国市场中某些行业规范，他们很难满足； <o:p></o:p>

价格昂贵：这些系统，动则上万美元，很难为国内一般应用所接受。 -------------------------------------------------------------------------------- 同国外系统相比，大部分国产通用系统主要是模仿国外系统开发的，具有较高的性能价格比，本地化能力较强，但是仍然具有诸如：与MIS集成能力差、GIS功能薄弱、多任务调度能力差，事故追忆和诊断能力缺乏等等致命的弱点，要满足企业级和行业部门级大型集中监控管理GIS系统的要求，还需要相当的时间。而且人力资源以及资金限制使得它们可能在很长时间内只能维持对现有系统功能的维护和补充。在这种情况下，国内对于大型监控项目的开发还需要系统集成公司开发专用的结合MIS，GIS和SCADA的系统来满足需要。<o:p></o:p>

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