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监督控制与数据采集技术---SCADA系统

Ch1 SCADA系统概述
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SCADA系统。
工作站
数据服务器
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。
ENRTUENR PRINT
4BMNCb/s
GD GD GD GD T2 U3
HELP ALPHA
V0 W.X YZ SHIFT
图1.2 SCADA系统结构
RTU
1、下位机
(1)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
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。
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
(2)下位机类型: ➢远程终端单元RTU
RTU(Remote Terminal Unit,RTU) 是安装在远程现场的电子设备,用来监视 和测量安装在远程现场的传感器和设备。 它在提高信号传输可靠性、减轻主机负担、 减少信号电缆用量、节省安装费用等方面 的优点也得到用户的肯定。
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,如图 1.4所示。
客户机 (浏览器)
HTTP请求
查询
Web服务器
HTTP响应
数据库 服务器
图1.4 浏览器/服务器结构
WEB服务器
污水泵站
以太网
Profibus
SCADA 服务器
进水泵房
SCADA 服务器
电台
曝气池
污泥处理
配电间
现场I/O
HUB/MAU
NIC
%UTILIZATION
TAB
GD RE I F
JA KB LC M7 N8 O9
ENRUTENR PRINT
4BMNCb/s
GD GD GD GD T2 U3
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)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。
计。
(4)更适应恶劣环境应用的品质。
➢PLC(中、小型) 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。
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)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。
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。
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
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)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)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)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。
➢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。
WEB客户
工作站
数据服务器
WEB服务器
Internet
以太网
以太网
SCADA 服务器
(或工业以太网)
SCADA 服务器
串口 服务器
Mod5
电台
现场控制
站点
PLC
现场总线
现场总线 I/O设备
HUB/MAU
NIC
%UTILIZATION
TAB
GD RE I F
JA KB LC M7 N8 O9
HELP ALPHA
V0 W.X YZ SHIFT
现场人 机界面
现场I/O
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。
➢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。
➢PAC(可编程自动化控制器)
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:GE Fanuc公司的 PACSystemsRX3i/7i、NI公司的 Compact FieldPoint、Beckoff公司 的 CX1000、泓格科技的WinCon/LinCon 系列、μPAC-7186EX、A-B公司的 CompactLogix和研华公司的ADAM5510EKW等。
客户机
请求 响应
服务器
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。
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)上位机系统: 主要是连接上位机、服务器、通信设备、
➢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)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。
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。
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