工業(yè)自動控制中的SCADA系統(tǒng)

遠程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控為主要功能的SCADA系統(tǒng)和DCS、PLC一樣，是工業(yè)過程自動化和信息化不可或缺的基本系統(tǒng)。

SCADA是SupervisoryControI And Data AcquiSition System （數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）的縮寫，SCADA系統(tǒng)是對分布距離遠，生產(chǎn)單位分散的生產(chǎn)系統(tǒng)的一種數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制系統(tǒng)。

它應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域，其中在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用更為廣泛，發(fā)展技術(shù)也最為成熟。它在遠動系統(tǒng)中占重要地位，可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能，即我們所知的“四遙”功能。

RTU(遠程終端單元)，F(xiàn)TU(饋線終端單元)是它的重要組成部分。在現(xiàn)今的變電站綜合自動化建設(shè)中起了相當重要的作用。它是架構(gòu)在PC 之上的生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)。當然不同領(lǐng)域的應(yīng)用，所需功能也不盡相同，但是它們都具有以下基本特色：圖形操作介面；系統(tǒng)狀態(tài)動態(tài)模擬；即時和歷史資料趨勢曲線顯示；警報處理系統(tǒng)；資料獲取取與記錄；報表輸出。

某污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)

SCADA系統(tǒng)發(fā)展歷程 

SCADA系統(tǒng)自誕生之日起就與計算機技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。SCADA系統(tǒng)發(fā)展到今天已經(jīng)經(jīng)歷了四代。 

第一代是基于專用計算機和專用操作系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)，如電力自動化研究院為華北電網(wǎng)開發(fā)的SD176系統(tǒng)以及在日本日立公司為我國鐵道電氣化遠動系統(tǒng)所設(shè)計的H-80M系統(tǒng)。這一階段是從計算機運用到SCADA系統(tǒng)時開始到70年代。

第二代是80年代基于通用計算機的SCADA系統(tǒng)，在第二代中，廣泛采用VAX等其它計算機以及其它通用工作站，操作系統(tǒng)一般是通用的UNIX操作系統(tǒng)。在這一階段，SCADA系統(tǒng)在電網(wǎng)調(diào)度自動化中與經(jīng)濟運行分析，自動發(fā)電控制（AGC）以及網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)合到一起構(gòu)成了EMS系統(tǒng)（能量管理系統(tǒng)）。

第一代與第二代SCADA系統(tǒng)的共同特點是基于集中式計算機系統(tǒng)，并且系統(tǒng)不具有開放性，因而系統(tǒng)維護，升級以及與其它聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成很大困難。

90年代按照開放的原則，基于分布式計算機網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)的能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍聯(lián)網(wǎng)的EMS/SCADA系統(tǒng)稱為第三代。這一階段是我國SCADA/EMS系統(tǒng)發(fā)展最快的階段，各種最新的計算機技術(shù)都匯集進SCADA/EMS系統(tǒng)中。這一階段也是我國對電力系統(tǒng)自動化以及電網(wǎng)建設(shè)投資最大的時期，國家投資2700億元改造城鄉(xiāng)電網(wǎng)可見國家對電力系統(tǒng)自動化以及電網(wǎng)建設(shè)的重視程度。

第四代SCADA/EMS系統(tǒng)的主要特征是采用Internet技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及JAVA技術(shù)等技術(shù)，繼續(xù)擴大SCADA/EMS系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的集成，綜合安全經(jīng)濟運行以及商業(yè)化運營的需要。

SCADA系統(tǒng)的模塊構(gòu)成

SCADA系統(tǒng)會包括以下的子系統(tǒng)：

1、人機界面（或簡稱為HMI）

一個可以顯示程序狀態(tài)的設(shè)備，操作員可以依此設(shè)備監(jiān)控及控制程序。HMI會鏈接到SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫及軟件，讀取相關(guān)信息，以顯示趨勢、診斷數(shù)據(jù)及相關(guān)管理用的信息，如定期維護程序、物流信息、特定傳感器或機器的細部線路圖、或是可以協(xié)助故障排除的專家系統(tǒng)。

HMI系統(tǒng)常會用圖像的方式顯示系統(tǒng)的信息，而且會用圖像模擬實際的系統(tǒng)。操作員可以看到待控制系統(tǒng)的示意圖。例如一個連接到管路的泵浦圖標，可以顯示泵浦正在運轉(zhuǎn)，及管路中液體的流量，操作員可以使泵浦停機，HMI軟件會顯示管路中液體流量隨時間下降。模擬圖會包括線路圖及示意圖來表示制程中的元素，也可能用制程設(shè)備的圖片，上面再加上動畫說明制程情形。

SCADA系統(tǒng)的HMI軟件一般會包括繪圖軟件，可以讓系統(tǒng)維護者修改系統(tǒng)在HMI中的呈現(xiàn)方式。呈現(xiàn)方式可以簡單到只有屏幕上的燈號，用燈號表示現(xiàn)場實際的狀態(tài)情形，也可以復(fù)雜到是用多臺投影機顯示摩天大樓中所有的電梯位置或是鐵路中所有列車的位置。

實現(xiàn)SCADA系統(tǒng)時，警告處理是很重要的一個部份。系統(tǒng)會監(jiān)控指定的警告條件是否成立，以確定是否有警告事件發(fā)生。當有警告事件時，系統(tǒng)會采取對應(yīng)的行動，例如啟動一個或多個警告指示，或發(fā)出電子郵件或短信給系統(tǒng)管理者或SCADA操作員，告知已有警告事件。SCADA操作員需確認警告事件，有些警告事件在確認后其警告指示就會關(guān)閉，也有一些警告指示要在警告條件清除后才會關(guān)閉。

2、（計算機）監(jiān)控系統(tǒng)

可以采集數(shù)據(jù)，也可以提交命令監(jiān)控程序的進行。

3、遠程終端控制系統(tǒng)（Remote Terminal Unit，簡稱RTU）

可連接許多程序中用到的傳感器，數(shù)據(jù)采集（Data acquisition）后將數(shù)字的數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控系統(tǒng)。

遠程終端控制系統(tǒng)（RTU）可連接到其他設(shè)備。RTU可將設(shè)備上的電氣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字的值，例如一個開關(guān)或閥開/關(guān)的狀態(tài)，或是儀器量測到的壓力、流量、電壓或電流。也可以借由信號轉(zhuǎn)換及傳送信號來控制設(shè)備，例如特定開關(guān)或閥的打開/關(guān)閉，或是設(shè)置一個泵浦的速度。

4、可編程邏輯控制器（programmable logic controller，簡稱PLC）

因為其價格便宜，用途廣泛，也常用作現(xiàn)場設(shè)備，取代特殊功能的遠程終端控制系統(tǒng)。

SCADA是調(diào)度管理層，PLC是現(xiàn)場設(shè)備層。PLC系統(tǒng)，即可編程控制器，適用于工業(yè)現(xiàn)場的測量控制，現(xiàn)場測控功能強，性能穩(wěn)定，可靠性高，技術(shù)成熟，使用廣泛，價格合理。SCADA的重點是在監(jiān)視、控制，可以實現(xiàn)部分邏輯功能，基本用于上位；PLC單純的實現(xiàn)邏輯功能和控制，不提供人機界面，實現(xiàn)操作需借助與按鈕指示燈、HMI以及SCADA系統(tǒng)；

5、通信網(wǎng)絡(luò)

是提供監(jiān)控系統(tǒng)及RTU（或PLC）之間傳輸數(shù)據(jù)的管道。

傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)會使用廣播、串行或是調(diào)制解調(diào)器來達到通信的機能，有些大型的SCADA系統(tǒng)（例如發(fā)電廠或鐵路）也常會使用架構(gòu)在同步光網(wǎng)絡(luò)（SONET）或同步數(shù)字體系（SDH）上的以太網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。SCADA系統(tǒng)中的遠程管理或監(jiān)視機能常稱為遙測。

SCADA系統(tǒng)典型架構(gòu)

SCADA系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了集中式SCADA系統(tǒng)階段、分布式SCADA系統(tǒng)階段和網(wǎng)絡(luò)式SCADA系統(tǒng)三個階段。

集中式SCADA系統(tǒng)是所有的監(jiān)控功能依賴于一臺主機（mainframe），采用廣域網(wǎng)連接現(xiàn)場RTU和主機。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較簡單，開放性差，功能較弱。 

網(wǎng)絡(luò)化SCADA系統(tǒng)以各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，控制結(jié)構(gòu)更加分散化，信息管理更集中。系統(tǒng)普遍以客戶機／服務(wù)器（C／S）和瀏覽器／服務(wù)器結(jié)構(gòu)（B／S）為基礎(chǔ)，多數(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上包含這兩者結(jié)構(gòu)，但以C／S結(jié)構(gòu)為主，B／S結(jié)構(gòu)主要是為了支持Internet應(yīng)用，以滿足遠程監(jiān)控的需要。 

與第二代SCADA系統(tǒng)相比，第三代SCADA系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更加開放，兼容性更好，可以無縫集成到全廠綜合自動化系統(tǒng)中。 由于SCADA系統(tǒng)的規(guī)模可以從幾百點到幾萬點，用戶對SCADA系統(tǒng)的需求是多樣的，因此對其系統(tǒng)架構(gòu)提出了很高的要求。 

SCADA系統(tǒng)屬于典型的分布式計算機應(yīng)用系統(tǒng)，在這樣的系統(tǒng)中，體系結(jié)構(gòu)是軟件系統(tǒng)中最本質(zhì)的東西，良好的體系結(jié)構(gòu)意味著普適、高效和穩(wěn)定。它可以高效地處理多種多樣的個體需求。同時，體系結(jié)構(gòu)在一定的時間內(nèi)保持穩(wěn)定。當需求發(fā)生變化時，程序員可以不用修改系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。 

1、客戶機／服務(wù)器結(jié)構(gòu)

C／S結(jié)構(gòu)中客戶機和服務(wù)器之間的通信以“請求－響應(yīng)”的方式進行。客戶機先向服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器再響應(yīng)這個請求，如圖1.3所示。

C／S結(jié)構(gòu)最重要的特征是：它不是一個主從環(huán)境，而是一個平等的環(huán)境，即C／S系統(tǒng)中各計算機在不同的場合既可能是客戶機，也可能是服務(wù)器。在C／S應(yīng)用中，用戶只關(guān)心完整地解決自己的應(yīng)用問題，而不關(guān)心這些應(yīng)用問題由系統(tǒng)中哪臺或哪幾臺計算機來完成。

如在SCADA系統(tǒng)中，當SCADA服務(wù)器向PLC請求數(shù)據(jù)時，它是客戶機，而當其他操作站向SCADA服務(wù)器請求服務(wù)時，它就是服務(wù)器。顯然，這種結(jié)構(gòu)可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢，將任務(wù)合理分配到客戶端和服務(wù)器端來實現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的通訊開銷。

2、瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)

隨著Internet的普及和發(fā)展，以往的主機／終端和C／S結(jié)構(gòu)都無法滿足當前的全球網(wǎng)絡(luò)開放、互連、信息隨處可見和信息共享的新要求，于是就出現(xiàn)了B／S型結(jié)構(gòu)。 

B／S結(jié)構(gòu)最大特點是：用戶可以通過瀏覽器去訪問Internet上的文本、數(shù)據(jù)、圖像、動畫、視頻點播和聲音信息，這些信息都是由許許多多的Web服務(wù)器產(chǎn)生的，而每一個Web服務(wù)器又可以通過各種方式與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器連接，大量的數(shù)據(jù)實際存放在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是：客戶機統(tǒng)一采用瀏覽器，這不僅讓用戶使用方便，而且使得客戶端不存在維護的問題。 

3、兩種結(jié)構(gòu)比較

（1）B／S模式的優(yōu)點和缺點

B／S結(jié)構(gòu)的優(yōu)點表現(xiàn)在：

• 具有分布性特點，可以隨時隨地進行查詢、瀏覽等業(yè)務(wù)處理。 

• 業(yè)務(wù)擴展簡單方便，通過增加網(wǎng)頁即可增加服務(wù)器功能。 

• 維護簡單方便，只需要改變網(wǎng)頁，即可實現(xiàn)所有用戶的同步更新。 

• 開發(fā)簡單，共享性強。

  
  

B／S 結(jié)構(gòu)的缺點表現(xiàn)在：

• 個性化特點明顯降低，無法實現(xiàn)具有個性化的功能要求。 

• 操作是以鼠標為最基本的操作方式，無法滿足快速操作的要求。 

• 頁面動態(tài)刷新，響應(yīng)速度明顯降低。 

• 功能弱化，難以實現(xiàn)傳統(tǒng)模式下的特殊功能要求。

  
  

（2）C／S模式的優(yōu)點和缺點

C／S結(jié)構(gòu)的優(yōu)點表現(xiàn)在：

• 由于客戶端實現(xiàn)與服務(wù)器的直接相連，沒有中間環(huán)節(jié)，因此響應(yīng)速度快。

• 操作界面漂亮、形式多樣，可以充分滿足客戶自身的個性化要求。 

• C／S結(jié)構(gòu)的管理信息系統(tǒng)具有較強的事務(wù)處理能力，能實現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程。  

  
  

C／S結(jié)構(gòu)的缺點表現(xiàn)在：

• 需要專門的客戶端安裝程序，分布功能弱，針對點多面廣且不具備網(wǎng)絡(luò)條件的用戶群體，不能夠?qū)崿F(xiàn)快速部署安裝和配置。 

• 兼容性差，對于不同的開發(fā)工具，具有較大的局限性。若采用不同工具，需要重新改寫程序。 

• 開發(fā)成本較高，需要具有一定專業(yè)水準的技術(shù)人員才能完成。

SCADA與DCS、PLC之間的區(qū)別

工業(yè)控制系統(tǒng)涵蓋了多種類型的控制系統(tǒng)，之前我們講過分布式控制系統(tǒng)（DCS）、可編程邏輯控制器（PLC），它們和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)較常見又容易混淆。那么，SCADA、DCS和PLC三者之間有何區(qū)別呢？

DCS

DCS系統(tǒng)，即分布式控制系統(tǒng)，主要是用于在同一地理位置環(huán)境下，控制生產(chǎn)過程的系統(tǒng)。

DCS系統(tǒng)采用集中監(jiān)控的方式協(xié)調(diào)本地控制器以執(zhí)行整個生產(chǎn)過程。通過模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)，DCS減少了單個故障對整個系統(tǒng)的影響。在許多現(xiàn)代化系統(tǒng)中，DCS系統(tǒng)與企業(yè)系統(tǒng)之間設(shè)置接口以便能夠?qū)⑸a(chǎn)過程體現(xiàn)在業(yè)務(wù)整體運作中。

DCS系統(tǒng)常用于煉油、污水處理廠、發(fā)電廠、化工廠和制藥廠等工控領(lǐng)域。這些系統(tǒng)通常用于過程控制或離散控制系統(tǒng)。

SCADA

SCADA系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，是工業(yè)控制的核心系統(tǒng)，主要是用于控制分散的資產(chǎn)以便進行與控制同樣相同重要的集中數(shù)據(jù)采集。

SCADA系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和HMI軟件，以提供集中的監(jiān)視和控制，以便進行過程的輸入和輸出。SCADA系統(tǒng)的設(shè)計用來收集現(xiàn)場信息，將這些信息傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)，并且用圖像或文本的形式顯示這些信息。因此，操作員可以從集中的位置實時地監(jiān)視和控制整個系統(tǒng)，根據(jù)每個系統(tǒng)的復(fù)雜性和相關(guān)設(shè)置，控制任何一個單獨的系統(tǒng)，自動執(zhí)行相關(guān)操作或任務(wù)，這也可以由操作員命令來自動執(zhí)行。

SCADA系統(tǒng)主要是用于分布式系統(tǒng)，如水處理、石油天然氣管道、電力傳輸和分配系統(tǒng)、鐵路和其他公共運輸系統(tǒng)。

PLC 

PLC系統(tǒng)，即可編程邏輯控制器。PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。國際電工委員會（IEC）頒布了對PLC的規(guī)定：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。

在工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，PLC作為重要的控制部件，通常應(yīng)用在SCADA和DCS系統(tǒng)中，用于實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的具體操作與工藝控制，通過回路控制提供本地的過程管理。

在SCADA系統(tǒng)中，PLC的功能與RTU（即遠程終端單元）一樣。當用于DCS系統(tǒng)時，PLC被用作具有監(jiān)視控制計劃的本地控制器。同時，PLC也常被用作重要部件配置規(guī)模較小的控制系統(tǒng)。

PLC具有用戶可編程存儲器用于保存實現(xiàn)特定功能的指令，如I/O控制、邏輯、定時、計數(shù)、PID控制、通信、算術(shù)、數(shù)據(jù)和文件處理等。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，PLC也由封閉的私有通訊協(xié)議轉(zhuǎn)而使用開放的公共協(xié)議，大幅度提高了系統(tǒng)的兼容性，方便了系統(tǒng)的維護與更新。

總 結(jié)

由上述內(nèi)容很容易看出：SCADA，DCS是一種概念，而PLC是一種產(chǎn)品，三者不具可比性： 

1、PLC是一種產(chǎn)品，由它可以構(gòu)成SCADA，DCS；

2、DCS 是過程控制發(fā)展起來的，PLC是繼電器—邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展起來的；

3、PLC 是設(shè)備，DCS，SCADA是系統(tǒng)。

狹義地說，DCS主要用于過程自動化，PLC主要用于工廠自動化（生產(chǎn)線），SCADA 主要針對廣域的需求，如油田，綿延千里的管線。如果從計算機和網(wǎng)絡(luò)的角度來說，它們是統(tǒng)一的，之所以有區(qū)別，主要在應(yīng)用的需求， DCS常常要求高級的控制算法。如在煉油行業(yè)，PLC對處理速度要求高，因為經(jīng)常用在聯(lián)鎖上，甚至是故障安全系統(tǒng)，SCADA也有一些特殊要求，如振動監(jiān)測，流量計算，調(diào)峰調(diào)谷等等。

因此，也可以簡單的認為：

• SCADA是調(diào)度管理層

• DCS是廠站管理層

• PLC是現(xiàn)場設(shè)備層