工業自動控制中的SCADA系統

遠程數據采集和監控為主要功能的SCADA系統和DCS、PLC一樣，是工業過程自動化和信息化不可或缺的基本系統。

SCADA是SupervisoryControI And Data AcquiSition System （數據采集與監視控制系統）的縮寫，SCADA系統是對分布距離遠，生產單位分散的生產系統的一種數據采集、監視和控制系統。

它應用領域很廣，可以應用于電力、冶金、石油、化工等領域的數據采集與監視控制以及過程控制等諸多領域，其中在電力系統中的應用更為廣泛，發展技術也最為成熟。它在遠動系統中占重要地位，可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節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)，FTU(饋線終端單元)是它的重要組成部分。在現今的變電站綜合自動化建設中起了相當重要的作用。它是架構在PC 之上的生產自動化控制系統。當然不同領域的應用，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；系統狀態動態模擬；即時和歷史資料趨勢曲線顯示；警報處理系統；資料獲取取與記錄；報表輸出。

某污水處理廠監控系統

SCADA系統發展歷程 

SCADA系統自誕生之日起就與計算機技術的發展緊密相關。SCADA系統發展到今天已經經歷了四代。 

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

第二代是80年代基于通用計算機的SCADA系統，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，操作系統一般是通用的UNIX操作系統。在這一階段，SCADA系統在電網調度自動化中與經濟運行分析，自動發電控制（AGC）以及網絡分析結合到一起構成了EMS系統（能量管理系統）。

第一代與第二代SCADA系統的共同特點是基于集中式計算機系統，并且系統不具有開放性，因而系統維護，升級以及與其它聯網構成很大困難。

90年代按照開放的原則，基于分布式計算機網絡以及關系數據庫技術的能夠實現大范圍聯網的EMS/SCADA系統稱為第三代。這一階段是我國SCADA/EMS系統發展最快的階段，各種最新的計算機技術都匯集進SCADA/EMS系統中。這一階段也是我國對電力系統自動化以及電網建設投資最大的時期，國家投資2700億元改造城鄉電網可見國家對電力系統自動化以及電網建設的重視程度。

第四代SCADA/EMS系統的主要特征是采用Internet技術、面向對象技術、神經網絡技術以及JAVA技術等技術，繼續擴大SCADA/EMS系統與其它系統的集成，綜合安全經濟運行以及商業化運營的需要。

SCADA系統的模塊構成

SCADA系統會包括以下的子系統：

1、人機界面（或簡稱為HMI）

一個可以顯示程序狀態的設備，操作員可以依此設備監控及控制程序。HMI會鏈接到SCADA系統的數據庫及軟件，讀取相關信息，以顯示趨勢、診斷數據及相關管理用的信息，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、或是可以協助故障排除的專家系統。

HMI系統常會用圖像的方式顯示系統的信息，而且會用圖像模擬實際的系統。操作員可以看到待控制系統的示意圖。例如一個連接到管路的泵浦圖標，可以顯示泵浦正在運轉，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，也可能用制程設備的圖片，上面再加上動畫說明制程情形。

SCADA系統的HMI軟件一般會包括繪圖軟件，可以讓系統維護者修改系統在HMI中的呈現方式。呈現方式可以簡單到只有屏幕上的燈號，用燈號表示現場實際的狀態情形，也可以復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SCADA系統時，警告處理是很重要的一個部份。系統會監控指定的警告條件是否成立，以確定是否有警告事件發生。當有警告事件時，系統會采取對應的行動，例如啟動一個或多個警告指示，或發出電子郵件或短信給系統管理者或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閉，也有一些警告指示要在警告條件清除后才會關閉。

2、（計算機）監控系統

可以采集數據，也可以提交命令監控程序的進行。

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

可連接許多程序中用到的傳感器，數據采集（Data acquisition）后將數字的數據傳送給監控系統。

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

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，也常用作現場設備，取代特殊功能的遠程終端控制系統。

SCADA是調度管理層，PLC是現場設備層。PLC系統，即可編程控制器，適用于工業現場的測量控制，現場測控功能強，性能穩定，可靠性高，技術成熟，使用廣泛，價格合理。SCADA的重點是在監視、控制，可以實現部分邏輯功能，基本用于上位；PLC單純的實現邏輯功能和控制，不提供人機界面，實現操作需借助與按鈕指示燈、HMI以及SCADA系統；

5、通信網絡

是提供監控系統及RTU（或PLC）之間傳輸數據的管道。

傳統的SCADA系統會使用廣播、串行或是調制解調器來達到通信的機能，有些大型的SCADA系統（例如發電廠或鐵路）也常會使用架構在同步光網絡（SONET）或同步數字體系（SDH）上的以太網或網絡協議。SCADA系統中的遠程管理或監視機能常稱為遙測。

SCADA系統典型架構

SCADA系統的發展經歷了集中式SCADA系統階段、分布式SCADA系統階段和網絡式SCADA系統三個階段。

集中式SCADA系統是所有的監控功能依賴于一臺主機（mainframe），采用廣域網連接現場RTU和主機。網絡協議比較簡單，開放性差，功能較弱。 

網絡化SCADA系統以各種網絡技術為基礎，控制結構更加分散化，信息管理更集中。系統普遍以客戶機／服務器（C／S）和瀏覽器／服務器結構（B／S）為基礎，多數系統結構上包含這兩者結構，但以C／S結構為主，B／S結構主要是為了支持Internet應用，以滿足遠程監控的需要。 

與第二代SCADA系統相比，第三代SCADA系統在結構上更加開放，兼容性更好，可以無縫集成到全廠綜合自動化系統中。 由于SCADA系統的規模可以從幾百點到幾萬點，用戶對SCADA系統的需求是多樣的，因此對其系統架構提出了很高的要求。 

SCADA系統屬于典型的分布式計算機應用系統，在這樣的系統中，體系結構是軟件系統中最本質的東西，良好的體系結構意味著普適、高效和穩定。它可以高效地處理多種多樣的個體需求。同時，體系結構在一定的時間內保持穩定。當需求發生變化時，程序員可以不用修改系統的體系結構。 

1、客戶機／服務器結構

C／S結構中客戶機和服務器之間的通信以“請求－響應”的方式進行。客戶機先向服務器發出請求，服務器再響應這個請求，如圖1.3所示。

C／S結構最重要的特征是：它不是一個主從環境，而是一個平等的環境，即C／S系統中各計算機在不同的場合既可能是客戶機，也可能是服務器。在C／S應用中，用戶只關心完整地解決自己的應用問題，而不關心這些應用問題由系統中哪臺或哪幾臺計算機來完成。

如在SCADA系統中，當SCADA服務器向PLC請求數據時，它是客戶機，而當其他操作站向SCADA服務器請求服務時，它就是服務器。顯然，這種結構可以充分利用兩端硬件環境的優勢，將任務合理分配到客戶端和服務器端來實現，降低了系統的通訊開銷。

2、瀏覽器/服務器結構

隨著Internet的普及和發展，以往的主機／終端和C／S結構都無法滿足當前的全球網絡開放、互連、信息隨處可見和信息共享的新要求，于是就出現了B／S型結構。 

B／S結構最大特點是：用戶可以通過瀏覽器去訪問Internet上的文本、數據、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服務器產生的，而每一個Web服務器又可以通過各種方式與數據庫服務器連接，大量的數據實際存放在數據庫服務器中。這種結構的最大優點是：客戶機統一采用瀏覽器，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、兩種結構比較

（1）B／S模式的優點和缺點

B／S結構的優點表現在：

• 具有分布性特點，可以隨時隨地進行查詢、瀏覽等業務處理。 

• 業務擴展簡單方便，通過增加網頁即可增加服務器功能。 

• 維護簡單方便，只需要改變網頁，即可實現所有用戶的同步更新。 

• 開發簡單，共享性強。

  
  

B／S 結構的缺點表現在：

• 個性化特點明顯降低，無法實現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。 

• 頁面動態刷新，響應速度明顯降低。 

• 功能弱化，難以實現傳統模式下的特殊功能要求。

  
  

（2）C／S模式的優點和缺點

C／S結構的優點表現在：

• 由于客戶端實現與服務器的直接相連，沒有中間環節，因此響應速度快。

• 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結構的管理信息系統具有較強的事務處理能力，能實現復雜的業務流程。  

  
  

C／S結構的缺點表現在：

• 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絡條件的用戶群體，不能夠實現快速部署安裝和配置。 

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

• 開發成本較高，需要具有一定專業水準的技術人員才能完成。

SCADA與DCS、PLC之間的區別

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

DCS

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

DCS系統采用集中監控的方式協調本地控制器以執行整個生產過程。通過模塊化生產系統，DCS減少了單個故障對整個系統的影響。在許多現代化系統中，DCS系統與企業系統之間設置接口以便能夠將生產過程體現在業務整體運作中。

DCS系統常用于煉油、污水處理廠、發電廠、化工廠和制藥廠等工控領域。這些系統通常用于過程控制或離散控制系統。

SCADA

SCADA系統，即數據采集與監控系統，是工業控制的核心系統，主要是用于控制分散的資產以便進行與控制同樣相同重要的集中數據采集。

SCADA系統集成了數據采集系統、數據傳輸系統和HMI軟件，以提供集中的監視和控制，以便進行過程的輸入和輸出。SCADA系統的設計用來收集現場信息，將這些信息傳輸到計算機系統，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視和控制整個系統，根據每個系統的復雜性和相關設置，控制任何一個單獨的系統，自動執行相關操作或任務，這也可以由操作員命令來自動執行。

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

PLC 

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

在工業自動化和控制系統的網絡體系結構中，PLC作為重要的控制部件，通常應用在SCADA和DCS系統中，用于實現工業設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系統中，PLC的功能與RTU（即遠程終端單元）一樣。當用于DCS系統時，PLC被用作具有監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模較小的控制系統。

PLC具有用戶可編程存儲器用于保存實現特定功能的指令，如I/O控制、邏輯、定時、計數、PID控制、通信、算術、數據和文件處理等。隨著通信技術的發展，PLC也由封閉的私有通訊協議轉而使用開放的公共協議，大幅度提高了系統的兼容性，方便了系統的維護與更新。

總 結

由上述內容很容易看出：SCADA，DCS是一種概念，而PLC是一種產品，三者不具可比性： 

1、PLC是一種產品，由它可以構成SCADA，DCS；

2、DCS 是過程控制發展起來的，PLC是繼電器—邏輯控制系統發展起來的；

3、PLC 是設備，DCS，SCADA是系統。

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。如果從計算機和網絡的角度來說，它們是統一的，之所以有區別，主要在應用的需求， DCS常常要求高級的控制算法。如在煉油行業，PLC對處理速度要求高，因為經常用在聯鎖上，甚至是故障安全系統，SCADA也有一些特殊要求，如振動監測，流量計算，調峰調谷等等。

因此，也可以簡單的認為：

• SCADA是調度管理層

• DCS是廠站管理層

• PLC是現場設備層