SCADA数据采集与监数据采集与监视控制系统简介视控制系统简介1一、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：数据采集和监控。图1.1所示为一个市政工程污水处理SCADA系统。图1.1 SCADA系统实例污水处理厂监控系统 1、定义 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、二、SCADA功能功能6l(1)、数据采集DA(Data Acquisition)。l(2)、数据预处理及报警(Calculation & Alarm)。l(3)、事件顺序记录SOE(Sequeue Of Events)。l(4)、事故追忆PDR(Post Disturbance Review)。l(5)、远方控制(Control)。l(6)、远方调整(Adjustment)。 l(7)、趋势曲线(Trend)和棒图(Bargraph)。 l(8)、历史数据存储(History)和制表打印(Report)。 l(9)、系统统一时钟(Clock)。 l(10)、模拟盘接口(Mimic board Interface)。 SCADA功能2.1 数据采集功能1 1）、模拟量采集功能（遥测）、模拟量采集功能（遥测）2 2）、状态量采集功能（遥信）、状态量采集功能（遥信）3 3）、脉冲量采集功能）、脉冲量采集功能4 4）、继电保护及综自信息采集）、继电保护及综自信息采集5 5）、时间信息）、时间信息6 6）、前置机系统的数据采集性能）、前置机系统的数据采集性能SCADA功能2.2 数据处理功能1）、模模拟拟量量处处理理：标度变换；消零飘；越限检查；积分计算和平均值计算；最大值、最小值计算；入库。2）、状状态态量量处处理理：描述电网运行状态（将0/1状态变换为具有物理意义的信息）；告警；状态量的显示。3）、标标牌牌设设置置：对所有设备均可进行挂牌操作，提供警示信息，如：检修、接地、故障、危险、并列等。4）、脉脉冲冲量量处处理理：计算本周期电量；积分电度计算；计算分时电量；信息入库。SCADA功能2.3 计算功能1 1）、总加计算：关口功率、电量总加。）、总加计算：关口功率、电量总加。2 2）、限值计算：计算越限总时间，合格率。）、限值计算：计算越限总时间，合格率。3 3）、累加计算：按时间计算总和，一般是电量。）、累加计算：按时间计算总和，一般是电量。4 4）、功功率率因因数数计计算算：计计算算各各线线路路、主主变变及及一一个个地地区的功率因数。区的功率因数。5 5）、平平衡衡率率计计算算：分分线线路路、变变电电站站或或区区域域进进行行进进出功率平衡的比较（网损）。出功率平衡的比较（网损）。SCADA功能2.4 电网控制功能1 1、遥遥控控操操作作：主主要要指指开开关关的的合合/ /分分操操作作；无无功功补补偿偿设设备备的的投投/ /切切；改改变变有有载载调调压压变变压压器器分分接接头头。可可靠靠性性要要求求极极高高，有有严严格格的的遥控反送校核程序。遥控反送校核程序。2 2、遥遥调调操操作作：类类似似于于遥遥控操作，有严格反校程序。控操作，有严格反校程序。SCADA功能2.5 告警功能1 1）、告告警警类类型型：事事故故报报警警；越越限限报报警警；工工况况变变化报警；正常变位报警。化报警；正常变位报警。2 2）、报报警警方方式式：图图形形，文文字字，语语音音，打打印印，短短信等。信等。3 3）、告警信息入库：带时标存入历史库。）、告警信息入库：带时标存入历史库。2.6 显示功能2.7 报表功能2.8 其他辅助功能 画面调用功能1 1、实时数据及状态画面、实时数据及状态画面l l实时画面实时画面5s5s刷新一次刷新一次l l遥信变位及事故变位立即反映遥信变位及事故变位立即反映l l用颜色区分不同状态用颜色区分不同状态2 2、历史数据及状态画面、历史数据及状态画面l l可调用任一时段的历史数据可调用任一时段的历史数据l l根据历史数据刷新画面根据历史数据刷新画面3 3、事故追忆画面、事故追忆画面l l调出任一事故断面进行事故反演调出任一事故断面进行事故反演画面调用功能4 4、网络拓扑着色、网络拓扑着色l l表达电网结构信息表达电网结构信息l l表达运行状态表达运行状态5 5、调度员操作、调度员操作l l调度员在画面中完成各种调度操作调度员在画面中完成各种调度操作6 6、应用切换、应用切换l l同一画面可以切换不同的应用对象同一画面可以切换不同的应用对象SCADA的图形操作1 1、鼠标操作弹出菜单、鼠标操作弹出菜单2 2、操作选项、操作选项l l参数检索参数检索l l遥控遥控l l遥信对位遥信对位l l变位检索变位检索l lSOESOE检索检索l l遥信封锁遥信封锁l l设置标志牌设置标志牌画面调用及浏览器功能画面调用及浏览器功能3 历史告警浏览1 1）、告警信息）、告警信息 首先实时显示，同时存入历史数据库。首先实时显示，同时存入历史数据库。2 2）、分类）、分类l l遥信变位遥信变位l l其他其他4 历史数据浏览5 图形浏览器三、SCADA系统结构上位机：侧重监控功能下位机：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PLC（中、小型）可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 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和施耐德的Quantum系列等。 PAC（可编程自动化控制器） Programmable Automation Controller 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： 美国通用电气公司GE Fanuc的PACSystemsRX3i7i、美国国家仪器公司NI的Compact FieldPoint、A-B公司的CompactLogix、Beckoff公司 的CX1000、台湾泓格科技的WinConLinCon系列、PAC-7186EX和研华公司的ADAM-5510EKW等。 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。 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。 （2 2）上位机功能：）上位机功能：数据采集和状态显示。远程监控。报警和报警处理。 事故追忆和趋势分析。与其他应用系统的结合。（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。（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。（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、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（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（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。 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，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、PLC与DCS 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 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。五、SCADA系统的应用在电力系统中，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。