SCADA系统是远程数据采集和监控。和DCS、PLC一样,是工业过程自动化和信息化不可或缺的基本系统。
SCADA系统
SCADA是SupervisoryControI And Data AcquiSition System (数据采集与监视控制系统)的缩写,SCADA系统是对分布距离远,生产单位分散的生产系统的一种数据采集、监视和控制系统。
它应用领域很广,可以应用于电力、冶金、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域,其中在电力系统中的应用更为广泛,发展技术也最为成熟。它在远动系统中占重要地位,可以对现场的运行设备进行监视和控制,以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能,即我们所知的“四遥”功能。
RTU(远程终端单元),FTU(馈线终端单元)是它的重要组成部分。在现今的变电站综合自动化建设中起了相当重要的作用。它是架构在PC 之上的生产自动化控制系统。当然不同领域的应用,所需功能也不尽相同,但是它们都具有以下基本特色:图形操作介面;系统状态动态模拟;即时和历史资料趋势曲线显示;警报处理系统;资料获取取与记录;报表输出。
某污水处理厂监控系统
SCADA系统发展历程
SCADA系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。SCADA系统发展到今天已经经历了四代。
第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统,如电力自动化研究院为华北电网开发的SD176系统以及在日本日立公司为我国铁道电气化远动系统所设计的H-80M系统。这一阶段是从计算机运用到SCADA系统时开始到70年代。
第二代是80年代基于通用计算机的SCADA系统,在第二代中,广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站,操作系统一般是通用的UNIX操作系统。在这一阶段,SCADA系统在电网调度自动化中与经济运行分析,自动发电控制(AGC)以及网络分析结合到一起构成了EMS系统(能量管理系统)。
第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统,并且系统不具有开放性,因而系统维护,升级以及与其它联网构成很大困难。
90年代按照开放的原则,基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的EMS/SCADA系统称为第三代。这一阶段是我国SCADA/EMS系统发展最快的阶段,各种最新的计算机技术都汇集进SCADA/EMS系统中。这一阶段也是我国对电力系统自动化以及电网建设投资最大的时期,国家投资2700亿元改造城乡电网可见国家对电力系统自动化以及电网建设的重视程度。
第四代SCADA/EMS系统的主要特征是采用Internet技术、面向对象技术、神经网络技术以及JAVA技术等技术,继续扩大SCADA/EMS系统与其它系统的集成,综合安全经济运行以及商业化运营的需要。
SCADA系统的模块构成
SCADA系统会包括以下的子系统:
1、人机界面(或简称为HMI)
一个可以显示程序状态的设备,操作员可以依此设备监控及控制程序。HMI会链接到SCADA系统的数据库及软件,读取相关信息,以显示趋势、诊断数据及相关管理用的信息,如定期维护程序、物流信息、特定传感器或机器的细部线路图、或是可以协助故障排除的专家系统。
HMI系统常会用图像的方式显示系统的信息,而且会用图像模拟实际的系统。操作员可以看到待控制系统的示意图。例如一个连接到管路的泵浦图标,可以显示泵浦正在运转,及管路中液体的流量,操作员可以使泵浦停机,HMI软件会显示管路中液体流量随时间下降。模拟图会包括线路图及示意图来表示制程中的元素,也可能用制程设备的图片,上面再加上动画说明制程情形。
SCADA系统的HMI软件一般会包括绘图软件,可以让系统维护者修改系统在HMI中的呈现方式。呈现方式可以简单到只有屏幕上的灯号,用灯号表示现场实际的状态情形,也可以复杂到是用多台投影机显示摩天大楼中所有的电梯位置或是铁路中所有列车的位置。
实现SCADA系统时,警告处理是很重要的一个部份。系统会监控指定的警告条件是否成立,以确定是否有警告事件发生。当有警告事件时,系统会采取对应的行动,例如启动一个或多个警告指示,或发出电子邮件或短信给系统管理者或SCADA操作员,告知已有警告事件。SCADA操作员需确认警告事件,有些警告事件在确认后其警告指示就会关闭,也有一些警告指示要在警告条件清除后才会关闭。
2、(计算机)监控系统
可以采集数据,也可以提交命令监控程序的进行。
3、远程终端控制系统(Remote Terminal Unit,简称RTU)
可连接许多程序中用到的传感器,数据采集(Data acquisition)后将数字的数据传送给监控系统。
远程终端控制系统(RTU)可连接到其他设备。RTU可将设备上的电气信号转换为数字的值,例如一个开关或阀开/关的状态,或是仪器量测到的压力、流量、电压或电流。也可以借由信号转换及传送信号来控制设备,例如特定开关或阀的打开/关闭,或是设置一个泵浦的速度。
4、可编程逻辑控制器(programmable logic controller,简称PLC)
因为其价格便宜,用途广泛,也常用作现场设备,取代特殊功能的远程终端控制系统。
SCADA是调度管理层,PLC是现场设备层。PLC系统,即可编程控制器,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。SCADA的重点是在监视、控制,可以实现部分逻辑功能,基本用于上位;PLC单纯的实现逻辑功能和控制,不提供人机界面,实现操作需借助与按钮指示灯、HMI以及SCADA系统;
5、通信网络
是提供监控系统及RTU(或PLC)之间传输数据的管道。
传统的SCADA系统会使用广播、串行或是调制解调器来达到通信的机能,有些大型的SCADA系统(例如发电厂或铁路)也常会使用架构在同步光网络(SONET)或同步数字体系(SDH)上的以太网或网络协议。SCADA系统中的远程管理或监视机能常称为遥测。
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(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。
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(C/S)和浏览器/服务器结构(B/S)为基础,多数系统结构上包含这两者结构,但以C/S结构为主,B/S结构主要是为了支持Internet应用,以满足远程监控的需要。
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SCADA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。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
C/S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。
C/S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C/S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C/S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。
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C/S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B/S型结构。
B/S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)B/S模式的优点和缺点
B/S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。
B/S 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)C/S模式的优点和缺点
C/S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。
C/S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。
C/S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。
SCADA与DCS、PLC之间的区别
工业控制系统涵盖了多种类型的控制系统,之前我们讲过分布式控制系统(DCS)、可编程逻辑控制器(PLC),它们和数据采集与监控系统(SCADA)较常见又容易混淆。那么,SCADA、DCS和PLC三者之间有何区别呢?
DCS
DCS系统,即分布式控制系统,主要是用于在同一地理位置环境下,控制生产过程的系统。
DCS系统采用集中监控的方式协调本地控制器以执行整个生产过程。通过模块化生产系统,DCS减少了单个故障对整个系统的影响。在许多现代化系统中,DCS系统与企业系统之间设置接口以便能够将生产过程体现在业务整体运作中。
DCS系统常用于炼油、污水处理厂、发电厂、化工厂和制药厂等工控领域。这些系统通常用于过程控制或离散控制系统。
SCADA
SCADA系统,即数据采集与监控系统,是工业控制的核心系统,主要是用于控制分散的资产以便进行与控制同样相同重要的集中数据采集。
SCADA系统集成了数据采集系统、数据传输系统和HMI软件,以提供集中的监视和控制,以便进行过程的输入和输出。SCADA系统的设计用来收集现场信息,将这些信息传输到计算机系统,并且用图像或文本的形式显示这些信息。因此,操作员可以从集中的位置实时地监视和控制整个系统,根据每个系统的复杂性和相关设置,控制任何一个单独的系统,自动执行相关操作或任务,这也可以由操作员命令来自动执行。
SCADA系统主要是用于分布式系统,如水处理、石油天然气管道、电力传输和分配系统、铁路和其他公共运输系统。
PLC
PLC系统,即可编程逻辑控制器。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置,目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能,建立柔性的程控系统。国际电工委员会(IEC)颁布了对PLC的规定:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。