SCADA是英文Supervisory Control and Data Acquisition的简称,即监控与数据采集系统。SCADA系统基本原理,是以电子计算机为中心系统,对场站运行设备进行数据监测和远程控制,通常指工业控制系统,即用于工业、公用事业或基础设施的计算机监视控制系统。SCADA系统是一项集成了包括了计算机控制技术、软件工程技术、监控网络技术、PLC/RTU技术、工业仪表技术等多种技术在内的系统工程,通过对多种技术的集成实现其数据采集与监视控制功能。SCADA系统运行的本质过程可以概括为：将现场运行实况通过传感器进行感受并转换为标准的电信号,再通过数模转换技术将电信号转换为数字信息,最终通过数据通信技术将信息传输至中心站,完成实时监测；同时中心站可以通过发送数据指令控制执行器实现远程实时控制。
以燃气应用为例,SCADA系统通过通信网络,对天然气管网关键站点进行实时监测,从而掌握整个管网的生产运行,确保管网压力、流量等参数在正常范围内运行,遇异常情况或参数达到所设定报警限制,系统进行报警,提示操作人员注意,并通过SCADA系统发出控制指令,调控现场设备。
SCADA系统已广泛应用于电力、燃气、供水、污水处理以及环境监测等各领域。各领域工作职能不同,但基本概念和原理相同：实现对现场的运行设备进行实时远程监视、数据采集、测量、信号报警等各项功能,中心系统能作数据存储、处理和分析,为管理和决策提供适用的各种信息。通过SCADA系统实现对燃气输气管网的全线远程监控,不仅可以实现对控制工艺的改进,提高企业管理水平,而且将在确保安全生产基础上获得更大的经济效益。
知识拓展
系统的组成
SCADA系统的组成主要包括硬件设备和软件两大类。硬件设备主要分为现场数据采集和控制设备,网络通讯传输设备,上位的数据存储、计算和应用的服务器、工作站,打印机等设备;软件产品主要有监控组态软件和接口软件等。
1)硬件设备
(1)现场设备
①变送器:传感器是一种获取信息的装置,可以把物理量或化学量变换成可以利用的(电)信号的转换器件。它能感受被测量,并按照一定规律转换成可用的输出信号。传感器输出的信号有多种形式,如电压、电流、频率和脉冲等,输出信号的形式由传感器的原理确定。当传感器的输出为规定的标准信号时,则称为变送器。
②执行器:执行器又称终端控制元件(Final Controlling Element),一般由执行机构和调节机构组成。在工业监控系统中,执行器受控制器的指令信号,经执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移,去控制调节机构,改变被控对象进、出的能量或物料,以实现过程的自动控制。执行器按其能源形式分为气动、电动和液动三大类,它们各有特点,适用于不同的场合。
在燃气管网中应用最为广泛的是电动执行器。
③RTU/PLC控制终端:远程终端装置RTU(Remote Terminal Unit)和可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)是燃气现场数据采集和控制的常见设备。
现场数据都是通过控制终端站进行采集并上传至服务器。PLC/ RTU从模块构成上看,可分为两类,即固定I/O及端口式和模块式。组成部分一般包括地板、电源模块、CPU模块、通信模块、模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块。
(2)网络通信传输设备
①交换机:交换机是一种基于网络主机的硬件地址(Media Access Control,MAC)识别,通过封装转发数据包实现网络内数据传送与交换的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址,并把其存放在内部地址表中,通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径,使数据帧直接由源地址到达目的地址。
②路由器:所谓“路由”,是指把数据从一个地方传送到另一个地方的行为和动作,而路由器正是执行这种行为动作,选择最佳的路由线路的网络设备。路由器通常用于连接多个网络或网段,实现其互通与互联。
③防火墙:从狭义上说防火墙是指安装了防火墙软件的主机或路由器系统;从广义上说防火墙还包括整个网络的安全策略和安全行为。总之防火墙是一种网络安全保障手段,是网络通信时执行的一种访问控制尺度,其主要目标就是通过控制入、出一个网络的权限,并迫使所有连接都经过这样的检查,防止一个需要保护的网络遭受外界因素的干扰和破坏。
(3)上位设备
上位系统一般包括服务器、工作站、打印机、时钟同步、大屏幕显示系统、UPS电源等。
①服务器:服务器是一种高性能计算机,作为网络的节点,存储、处理计算机网络上大部分的数据、信息,因此也被称为网络的灵魂。服务器的构成与微型计算机(微机)基本相似,有处理器、硬盘、内存、系统总线等,它们是针对具体的网络应用特别制订的,因而与微机相比,服务器在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面有着显著的优势。一般SCADA系统由实时数据服务器、历史数据服务器以及一些其他应用或者专用系统的服务器组成,例如Web发布服务器、GIS服务器、域管理服务器等。
实时数据服务器是SCADA系统的核心并且占有最重要的地位。所有通过RTU/PLC从现场变送器采集的实时数据通过通讯网络,被传输至实时数据服务器。这些数据通过软件系统的汇总、分析、计算等处理后在操作员工作站进行显示。
②工作站:工作站是一种高档的微型计算机,通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大的内存储器和外部存储器,并且具有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能以及联网功能。一般的系统监视、组态配置等工作需要在工作站上完成。典型的SCADA系统工作站包括操作员工作站、工程师站、培训工作站等。随着技术的发展和应用的增多,操作员工作站一般被配置成双屏或多屏显示。
③打印机:打印机是用于进行事件、文档、图像的打印输出,按照介质的不同分为激光打印机、喷墨打印机和针式色带打印机等。SCADA系统一般包括报警和事件打印机、报表打印机等。报警和事件打印机一般采用针式打印机、用于打印系统中的报警记录和操作员的操作记录等,用于事件的记录和分析。报表和图像打印机一般采用激光打印机。通常在大的系统中打印机都通过打印服务器与服务器、工作站连接。
④时钟同步服务器:时钟同步服务器用于在服务器、工作站和RTU等设备间进行时钟的同步,确保所有数据的时钟标签保持一致。时钟同步服务器一般通过GPS地球同步卫星上获取标准时钟信号信息,将这些信息在网络中传输,网络中需要时间信号的设备如计算机,控制器等设备就可以与标准时钟信号同步。
2)软件
工业监控的发展经历了手动控制、仪表控制和计算机控制等几个阶段。特别是随着集散控制系统的发展和在流程工业控制中的广泛应用,集散控制中采用组态工具来开发控制系统应用软件的技术得到了广泛的认可。随着PC的普及和计算机控制在众多行业应用中的增加,以及人们对工业自动化的要求不断提高,传统的工业控制软件已无法满足应用的需求和挑战。
随着微电子技术、计算机技术、软件工程和控制技术的发展,作为用户无须改变运行程序源代码的软件平台工具—组态软件(Configuration Software)便逐步产生并不断发展。由于组态软件在实现工业控制的过程中免去了大量繁琐的编程工作,解决了长期以来控制工程人员缺乏丰富的计算机专业知识与计算机专业人员缺乏控制工程现场操作技术和经验的矛盾,极大地提高了自动化工程的开发效率及工控软件的可靠性。近年来,组态软件不仅在中小型工业控制系统中广泛应用,也成为大型SCADA系统开发人机界面和监控应用最主要的应用软件,在配电自动化、智能楼宇、农业自动化、能源监控等领域也得到了众多应用。
(1)组态软件
不同的组态软件在系统运行方式、操作和使用上都会有自己的特色,但它们总体上都具有以下特点:
①简单灵活的可视化操作界面:组态软件多采用可视化、面向窗口的开发环境,符合用户的使用习惯和要求。以窗口或画面为单位,构造用户运行系统的图形界面,使组态工作既简单直观,又灵活多变。用户可以使用系统的默认架构,也可以根据需要自己组态配置,生成各种类型和风格的图形界面以及组织这些图形界面。
②实时多任务特性:实时多任务特性是工控组态软件的重要特点和工作基础。在实际工业控制中,同一台计算机往往需要同时进行数据的采集、处理、存储、检索、管理、输出,算法的调用,实现图形、图表的显示、报警输出、实时通信等多个任务。实时多任务特性是衡量系统性能的重要指标,特别是对于大型系统,这一点尤为重要。
③强大的网络功能:可支持C/S模式,实现多点数据传输;能运行于基于TCP/IP网络协议的网络上,利用Internet浏览器技术实现远程监控;提供基于网络的报警系统、基于网络的数据库系统、基于网络的冗余系统;实现以太网与不同的现场总线之间的通信。
④高效的通信能力:简单地说,组态软件的通信即上位机与下位机的数据交换。开放性是指组态软件能够支持多种通信协议,能够与不同厂家生产的设备互连,从而实现完成监控功能的上位机与完成数据采集功能的下位机之间的双向通信,它是衡量工控组态软件通信能力的标准。能够实现与不同厂家生产的各种工控设备的通信是工控组态软件得以广泛应用的基础。
⑤开放的接口:接口开放可以包括两个方面的含义。
第一方面就是用户可以很容易地根据自己的需要,对组态软件的功能进行扩充。由于组态软件是通用软件,而用户的需要是多方面的,因此,用户或多或少都要扩充通用版软件的功能,这就要求组态软件留有这样的接口。例如,现有的不少组态软件允许用户可以方便地用VB或VC＋等编程工具自行编制或定制所需的设备构件,装入设备工具箱,不断充实设备工具箱。有些组态软件提供了一个高级开发向导,自动生成设备驱动程序的框架,给用户开发I/O设备驱动程序工作提供帮助。用户还可以使用自行编写动态链接库DLL的方法在策略编辑器中挂接自己的应用程序模块。
第二方面是组态软件本身是开放系统,即采用组态软件开发的人机界面要能够通过标准接口与其他系统通信,这一点在目前强调信息集成的时代特别重要。人机界面处于综合自动化系统的最底层,它要向制造执行系统等上层系统提供数据,同时接受其调用。此外,用户自行开发的一些先进控制或其他功能程序也要通过与人机界面或实时数据库的通信来实现。
⑥多样化的报警功能:组态软件提供多种不同的报警方式,具有丰富的报警类型,方便用户进行报警设置,并且系统能够实时显示报警信息,对报警数据进行存储和应答,并可定义不同的应答类型,为工业现场安全、可靠运行提供了有力的保障。
⑦良好的可维护性:组态软件由几个功能模块组成,主要的功能模块以构件形式来构造,不同的构件有着不同的功能,且各自独立,易于维护。
⑧丰富的设备对象图库和控件:对象图库是分类存储的各种对象(图形、控件等)的图库。组态时,只需要把各种对象从图库中取出,放置在相应的图形画面上。也可以自己按照规定的形式制作图形加入图库中。通过这种方式,可以解决软件重用的问题,提高工作效率,也方便定制许多面向特定行业应用的图库和控件。
⑨丰富生动的画面:组态软件多以图像、图形、报表、曲线等形式,为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等相关信息;用大小变化、颜色变化、明暗闪烁、移动翻转等多种方式增加画面的动态显示效果;对图元、图符对象定义不同的状态属性,实现动画效果,还为用户提供了丰富的动画构件,每个动画构件都对应一个特定的动画功能。
(2)软件体系结构
①C/S结构:C/S软件体系结构即客户端(Client)/服务器(Server)体系结构,是为实现资源共享而提出的。其将应用一分为二,服务器(后台)负责数据管理,客户端(前台)完成与用户的交互任务。其基本的工作方式为客户端把SQL语言、文件系统的调用以及其他请求通过网络送到服务器中,服务器接受请求、完成计算并将结果通过网络发回客户应用程序,网络上流通的仅仅是请求信息和结果信息,服务器进行的计算对客户应用程序透明。这种结构分散了处理任务,在数据库管理系统中存储所有的数据,对基本数据结构担负主要的职责,对数据完整性、管理和安全性进行严格的统一控制。方便系统管理员备份数据、定期维护数据和服务器。
所以基于C/S结构的功能模块具有以下特点:安全性要求高,具有较强的交互性,使用者活动范围相对固定,要求处理大量的实时的数据。
针对C/S结构的特点,通常在工业调控中心系统中,工作站与数据服务器大都组建C/S结构模式,从而有效保证调度监控数据处理的实时性、高效性与安全性。
②B/S结构:B/S软件体系结构即浏览器(Browser)/服务器(Server)结构,是随着Internet技术的兴起,对C/S体系结构的一种变化或者改进的结构。在B/S体系结构下,用户界面完全通过浏览器实现,一部分事务逻辑在前端实现,但是主要事务逻辑在服务器端实现。B/S体系结构主要是利用不断发展的浏览器技术,结合浏览器的多种脚本语言,用通用浏览器就实现了原来需要复杂的专用软件才能实现的强大功能,节约了开发成本。基B/S体系结构的软件系统的安装、修改和维护全在服务器端解决。用户在使用系统时,仅仅需要一个浏览器就可运行全部的模块,并且很容易在运行时自动升级。B/S体系结构还提供了异种设备、异种网络、异种应用服务的联机、联网、统一服务的最现实的开放性基础。
使用B/S模式的功能模块具有以下特点:使用者活动范围变化大,安全性要求相对较低,功能变动频繁。
针对B/S结构的特点,应用中集成基于B/S模式的Web发布系统,充分满足系统门户信息发布的需求。系统工作站与数据服务器组建C/S模式的同时,与Web服务器组建B/S模式,从而实现两种模式的互备与互补。
③C/S与B/S混合结构:在实际应用中越来越多的采用集成C/S 与B/S混合结构模式,可以充分发挥该两种模式的优点,实现优势互补。采用C/S与B/S混合结构的中心站软件系统通常由三层组成:通信软件子系统、数据服务软件子系统、应用软件子系统。
·通信软件子系统实现对系统监控组网、网络操作系统平台、网络通信协议、网络接口服务、网络平台管理、监控数据远程实时采集等软件的集成,并为其上层系统-数据服务子系统提供数据支持。
·数据服务子系统实现对服务器操作系统、数据库软件平台(实时数据库、关系型数据库等)、数据服务(Web Services、DCOM组件、数据接口服务、中间件等)软件的集成,并为其上层系统-应用软件子系统提供数据支持。
·应用软件子系统实现对应用客户端操作系统、组态应用软件、工具软件、各类人机界面软件的集成,从而最终满足用户对系统的操作使用需求。
通过分层结构,大大提高了系统集成“高内聚、低耦合”的程度,并降低了系统中各组成部分相互关联与依赖复杂度,同时利于各层软件与资源的复用,从而有效地提高了系统的性能价格比。
(3)网络操作系统软件
典型网络操作系统特点是:硬件独立,可以在各种网络平台上运行、网络安全、系统管理、应用程序。应用于调度监控领域的网络操作系统主要是Windows和Unix。
①Windows操作系统:Windows操作系统平台凭借其在稳定性、扩展性、开放性、易操作维护性等方面的能力可以全面、充分地满足调度监控领域的应用需求。并且越来越多国际知名品牌的组态软件厂商都在不断地将微软的相关标准与技术应用于组态软件,从而实现其对监控需求的更好满足。
②Unix操作系统(特点):
·稳定性:Unix系统已经被事实证明具有极强的稳定性,许多Unix服务器可以连续运行数年而不会停机。与Unix服务器相比, Windows服务器由于各种原因需要重启的频率较高,例如驱动程序崩溃或需要安装微软公司提供的补丁或升级软件包等情况。和Windows相比,Unix的安全漏洞更少,并且更易于通过定制和管理其网络与服务实现防止恶意入侵。
·病毒抵抗性:攻击Windows系统的病毒越来越多,例如宏病毒、蠕虫病毒、拒绝服务攻击病毒等等。病毒攻击有时会导致整个系统和网络数小时甚至数日不能正常工作,这对于SCADA系统来说是难以接受的。Unix服务器不会被以上病毒所感染,即便出现系统中的某些工作站不幸被感染而停机的情况,Unix服务器仍然能够继续正常运行并为其他工作站提供服务,从而既降低了系统的管理费用又提高了其连续不停机的时间。
·多进程处理能力:一个SCADA服务器可能有数百甚至数千个进程/线程在同时运行。Unix可以更好地管理服务器内存和其他资源以支持更多的应用,并且通过更好地对多任务进行管理可防止某些进程独占CPU的情况。
·强大的网络和输入/输出能力:与Windows相比,Unix拥有更强大的网络和文件输入/输出能力。中等配置的服务器即可以其极快的响应速度为数百名用户提供文件、数据库及网络服务,在这点上,Windows系统难以与之相比。
12.1.1 SCADA系统的功能
SCADA系统主要功能是对现场运行参数进行实时采集、计算,实现对现场工艺设备的运行情况进行自动、连续的监视管理和数据统计,远程操作现场设备,为燃气供应平衡、安全运行提供必要的辅助决策信息。
1)数据采集
中心站通过通信链路对远程终端站进行扫描式的数据采集,采集到的数据打包后按照事先约定的协议传入SCADA系统实时数据服务器,服务器将对数据包进行解析和集中,并对需要计算和处理的数据进行处理。通信协议可采用符合国际工业标准的工业以太网通信协议（如Modbus、DNP3.0等)。这些协议被世界上大多数主要SCADA集成商和设备供应商采用。
2)数据显示与查询
操作员站和工程师站通过以太网将系统采集的数据以直观、友好的图形方式表现给用户。显示界面直观、清晰、明快,不易产生误解。动态数据、图形和静态图形的显示色彩鲜艳、主次分明,用户通过简单的鼠标操作实现显示界面切换。任何一台操作员站都能够完成系统提供的全部功能,通过显示系统可以方便地将操作界面进行全景或局部显示。
显示界面主要包括：
（1)管网图动态实时显示
管网图以管网分布图为背景,在管网图上终端站所处相应位置显示该站点的参数数据,见图12.1。显示包括：
·管网分布图；
·各终端站点相对位置；
·各终端站点参数值；
·各终端站回路总图等。
图12.1 管网图界面
管网图显示包括缩略图显示和详细图显示。缩略图主要突出主要管网和重要站点重要参数的数据显示。详细图是覆盖整个管网系统详细信息的图形加数据显示界面。各站点的地理位置能快速、清晰地反映在管网图界面上。
（2)工艺流程图动态实时显示
系统可以对终端站的工艺变量、全线工艺设备运行状态进行监视；可显示终端站的内部工艺流程图,工艺流程图以采集的数据（如阀门的开停)为依据,以特定的符号及线段、颜色绘制动态显示管网的运行（如阀门为绿色表示开启,红色表示关断)；可显示站场整体流程,也可分区显示或者采用缩放功能显示。系统同时将采集的模拟数据实时显示在站点内部工艺图相应位置上,对于装有电动控制阀的站,可用图形和数字两种方式给出阀门的开度和开/关状态。终端站里的主要设备（阀门、仪表等)的规格、型号、品牌在工艺流程上用相近似的二维图显示,流程中标有主要参数数值、设备运行状态、报警提示。
（3)站内设备布置图
系统可以显示站场的内部设备布置图,用来作为设备管理、故障查找的依据。
（4)曲线显示界面
曲线显示界面以友好、直观的曲线显示各种参数的趋势,包括：实时趋势曲线（实时显示参数值的变化趋势)；历史趋势曲线（显示监控点参数值在某一段时间内变化趋势)。可以选择多个监控参数同时比较分析。工程师站和各台操作员站都具有曲线显示功能,见图12.2。
图12.2 历史曲线显示
（5)参数列表
以数据列表的方式显示系统全部参数的列表。以便于操作员查询系统内全部参数的实时数据。工程师站和各操作员站都具有参数列表显示功能,见图12.3。
3)控制指令下发
具有授权的操作人员可以通过工作站对远程终端设备进行控制,这种控制通过界面操作即可实现。控制功能包括设备控制和站点控制。
（1)设备控制
SCADA系统通过图像显示及表格形式提供监控功能,操作员可以通过如下方式进行控制：
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