SCADA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(yuǎn)動系統(tǒng)中占重要地位，可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進(jìn)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(yuǎn)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(dāng)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(dāng)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(jī)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(jī)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(yuǎn)動系統(tǒng)所設(shè)計的H-80M系統(tǒng)。這一階段是從計算機(jī)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(jī)的SCADA系統(tǒng)，在第二代中，廣泛采用VAX等其它計算機(jī)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(jì)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(jī)系統(tǒng)，并且系統(tǒng)不具有開放性，因而系統(tǒng)維護(hù)，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(jī)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(jī)技術(shù)都匯集進(jìn)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(kuò)大SCADA/EMS系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的集成，綜合安全經(jīng)濟(jì)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(jī)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(hù)程序、物流信息、特定傳感器或機(jī)器的細(xì)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(biāo)，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(jī)，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(hù)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(jī)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(dāng)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(rèn)警告事件，有些警告事件在確認(rèn)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(jī)）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(jìn)行。

3、遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(qiáng)，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(jī)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(dá)到通信的機(jī)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(yuǎn)程管理或監(jiān)視機(jī)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(jī)（mainframe），采用廣域網(wǎng)連接現(xiàn)場RTU和主機(jī)。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(jī)／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(yuǎn)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)�？梢詮膸装冱c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(jī)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(dāng)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(jī)／服務(wù)器結(jié)構(gòu)

C／S結(jié)構(gòu)中客戶機(jī)和服務(wù)器之間的通信以“請求－響應(yīng)”的方式進(jìn)行。客戶機(jī)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(jī)在不同的場合既可能是客戶機(jī)，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(jī)來完成。

如在SCADA系統(tǒng)中，當(dāng)SCADA服務(wù)器向PLC請求數(shù)據(jù)時，它是客戶機(jī)，而當(dāng)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(jī)／終端和C／S結(jié)構(gòu)都無法滿足當(dāng)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(jī)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(hù)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(jìn)行查詢、瀏覽等業(yè)務(wù)處理。 

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

• 維護(hù)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(qiáng)。

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(biāo)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(qiáng)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(zhǔn)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�產(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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)械或生產(chǎn)過程�？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(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(kuò)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(yuǎn)程終端單元）一樣。當(dāng)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(hù)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(jī)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(rèn)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