SCADA数据采集与监视控制系统简介_kunli
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
➢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。
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、
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
Modem
卫星
GPRS
X2.5
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
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。
➢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S7300、A-B公司的ControlLogix和施耐德的 Quantum系列等。
SCADA数据采集与监 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。
1）、总加计算：关口功率、电量总加。 2）、限值计算：计算越限总时间，合格率。 3）、累加计算：按时间计算总和，一般是电量。 4）、功率因数计算：计算各线路、主变及一个
地区的功率因数。 5）、平衡率计算：分线路、变电站或区域进行
进出功率平衡的比较（网损）。
SCADA功能
2.4 电网控制功能
1、遥控操作：主要指开 关的合/分操作；无功补 偿设备的投/切；改变有 载调压变压器分接头。可 靠性要求极高，有严格的 遥控反送校核程序。
➢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 PACSystemsRX3i／7i、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WinCon／LinCon系列、μPAC7186EX和研华公司的ADAM-5510EKW等。
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、SCADA功能
(1)、数据采集DA(Data Acquisition)。 (2)、数据预处理及报警(Calculation & Alarm)。 (3)、事件顺序记录SOE(Sequeue Of Events)。 (4)、事故追忆PDR(Post Disturbance Review)。 (5)、远方控制(Control)。 (6)、远方调整(Adjustment)。 (7)、趋势曲线(Trend)和棒图(Bargraph)。 (8)、历史数据存储(History)和制表打印(Report)。 (9)、系统统一时钟(Clock)。 (10)、模拟盘接口(Mimic board Interface)。
表达电网结构信息 表达运行状态
5、调度员操作
调度员在画面中完成各种调度操作
6、应用切换
同一画面可以切换不同的应用对象
SCADA的图形操作
1、鼠标操作＋弹出菜单 2、操作选项
参数检索 遥控 遥信对位 变位检索 SOE检索 遥信封锁 设置标志牌
画面调用及浏览器功能
3 历史告警浏览
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 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）、状态量处理：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）、标牌设置：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）、脉冲量处理：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、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。
➢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。
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。
2、遥调操作：类似于遥 控操作，有严格反校程序。
选择对象 发出命令 内部校对 通过前置机向 RTU发令
RTU返回校对结果
确认执行
执行结果返回
SCADA功能
2.5 告警功能
1）、告警类型：事故报警；越限报警；工况变 化报警；正常变位报警。 2）、报警方式：图形，文字，语音，打印，短 信等。 3）、告警信息入库：带时标存入历史库。
6
SCADA功能
2.1 数据采集功能
1）、模拟量采集功能（遥测） 2）、状态量采集功能（遥信） 3）、脉冲量采集功能 4）、继电保护及综自信息采集 5）、时间信息 6）、前置机系统的数据采集性能
SCADA功能
2.2 数据处理功能
1）、模拟量处理：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。
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。
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
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
（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。
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、实时数据及状态画面
实时画面5s刷新一次 遥信变位及事故变位立即反映 用颜色区分不同状态
2、历史数据及状态画面
可调用任一时段的历史数据 根据历史数据刷新画面
3、事故追忆画面
调出任一事故断面进行事故反演
画面调用功能
4、网络拓扑着色
工作站
数据服务器
WEB服务器
ห้องสมุดไป่ตู้
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
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。
1）、告警信息
首先实时显示，同时存入历史数据库。
2）、分类
遥信变位 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。
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
➢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。
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、
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
Modem
卫星
GPRS
X2.5
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
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。
➢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S7300、A-B公司的ControlLogix和施耐德的 Quantum系列等。
SCADA数据采集与监 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。
1）、总加计算：关口功率、电量总加。 2）、限值计算：计算越限总时间，合格率。 3）、累加计算：按时间计算总和，一般是电量。 4）、功率因数计算：计算各线路、主变及一个
地区的功率因数。 5）、平衡率计算：分线路、变电站或区域进行
进出功率平衡的比较（网损）。
SCADA功能
2.4 电网控制功能
1、遥控操作：主要指开 关的合/分操作；无功补 偿设备的投/切；改变有 载调压变压器分接头。可 靠性要求极高，有严格的 遥控反送校核程序。
➢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 PACSystemsRX3i／7i、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WinCon／LinCon系列、μPAC7186EX和研华公司的ADAM-5510EKW等。
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、SCADA功能
(1)、数据采集DA(Data Acquisition)。 (2)、数据预处理及报警(Calculation & Alarm)。 (3)、事件顺序记录SOE(Sequeue Of Events)。 (4)、事故追忆PDR(Post Disturbance Review)。 (5)、远方控制(Control)。 (6)、远方调整(Adjustment)。 (7)、趋势曲线(Trend)和棒图(Bargraph)。 (8)、历史数据存储(History)和制表打印(Report)。 (9)、系统统一时钟(Clock)。 (10)、模拟盘接口(Mimic board Interface)。
表达电网结构信息 表达运行状态
5、调度员操作
调度员在画面中完成各种调度操作
6、应用切换
同一画面可以切换不同的应用对象
SCADA的图形操作
1、鼠标操作＋弹出菜单 2、操作选项
参数检索 遥控 遥信对位 变位检索 SOE检索 遥信封锁 设置标志牌
画面调用及浏览器功能
3 历史告警浏览
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 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）、状态量处理：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）、标牌设置：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）、脉冲量处理：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、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。
➢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。
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。
2、遥调操作：类似于遥 控操作，有严格反校程序。
选择对象 发出命令 内部校对 通过前置机向 RTU发令
RTU返回校对结果
确认执行
执行结果返回
SCADA功能
2.5 告警功能
1）、告警类型：事故报警；越限报警；工况变 化报警；正常变位报警。 2）、报警方式：图形，文字，语音，打印，短 信等。 3）、告警信息入库：带时标存入历史库。
6
SCADA功能
2.1 数据采集功能
1）、模拟量采集功能（遥测） 2）、状态量采集功能（遥信） 3）、脉冲量采集功能 4）、继电保护及综自信息采集 5）、时间信息 6）、前置机系统的数据采集性能
SCADA功能
2.2 数据处理功能
1）、模拟量处理：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。
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。
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
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
（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。
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、实时数据及状态画面
实时画面5s刷新一次 遥信变位及事故变位立即反映 用颜色区分不同状态
2、历史数据及状态画面
可调用任一时段的历史数据 根据历史数据刷新画面
3、事故追忆画面
调出任一事故断面进行事故反演
画面调用功能
4、网络拓扑着色
工作站
数据服务器
WEB服务器
ห้องสมุดไป่ตู้
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
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。
1）、告警信息
首先实时显示，同时存入历史数据库。
2）、分类
遥信变位 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。
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