SCADA系统技术的分析

2020/5/18 10:40:32 96 0

一、SCADA系统介绍

SCADA是SupervisoryControIAndDataAcquiSitionSystem(数据采集与监视控制系统)的缩写,SCADA系统是对分布距离远,生产单位分散的生产系统的一种数据采集、监视和控制系统。它应用领域很广,可以应用于电力、冶金、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域,其中在电力系统中的应用更为广泛,发展技术也最为成熟。它在远动系统中占重要地位,可以对现场的运行设备进行监视和控制,以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能,即我们所知的“四遥”功能。RTU(远程终端单元),FTU(馈线终端单元)是它的重要组成部分。在现今的变电站综合自动化建设中起了相当重要的作用。它是架构在PC之上的生产自动化控制系统。当然不同领域的应用,所需功能也不尽相同,但是它们都具有以下基本特色:图形操作介面;系统状态动态模拟;即时和历史资料趋势曲线显示;警报处理系统;资料获取取与记录;报表输出。


二、SCADA模块构成

SCADA系统会包括以下的子系统:
1、人机界面(humanmachineinterface,简称HMI)是一个可以显示程序状态的设备,操作员可以依此设备监控及控制程序。
人机界面(或简称为HMI)一个可以显示程序状态的设备,操作员可以依此设备监控及控制程序。HMI会链接到SCADA系统的数据库及软件,读取相关信息,以显示趋势、诊断数据及相关管理用的信息,如定期维护程序、物流信息、特定传感器或机器的细部线路图、或是可以协助故障排除的专家系统。
HMI系统常会用图像的方式显示系统的信息,而且会用图像模拟实际的系统。操作员可以看到待控制系统的示意图。例如一个连接到管路的泵浦图标,可以显示泵浦正在运转,及管路中液体的流量,操作员可以使泵浦停机,HMI软件会显示管路中液体流量随时间下降。模拟图会包括线路图及示意图来表示制程中的元素,也可能用制程设备的图片,上面再加上动画说明制程情形。
SCADA系统的HMI软件一般会包括绘图软件,可以让系统维护者修改系统在HMI中的呈现方式。呈现方式可以简单到只有屏幕上的灯号,用灯号表示现场实际的状态情形,也可以复杂到是用多台投影机显示摩天大楼中所有的电梯位置或是铁路中所有列车的位置。
SCADA系统技术的分析
实现SCADA系统时,警告处理是很重要的一个部份。系统会监控指定的警告条件是否成立,以确定是否有警告事件发生。当有警告事件时,系统会采取对应的行动,例如启动一个或多个警告指示,或发出电子邮件或短信给系统管理者或SCADA操作员,告知已有警告事件。SCADA操作员需确认警告事件,有些警告事件在确认后其警告指示就会关闭,也有一些警告指示要在警告条件清除后才会关闭。
2、(计算机)监控系统可以采集数据,也可以提交命令监控程序的进行。
3、远程终端控制系统(RemoteTerminalUnit,简称RTU)连接许多程序中用到的传感器,数据采集(Dataacquisition)后将数字的数据传送给监控系统。
远程终端控制系统(RTU)可连接到其他设备。RTU可将设备上的电气信号转换为数字的值,例如一个开关或阀开/关的状态,或是仪器量测到的压力、流量、电压或电流。也可以借由信号转换及传送信号来控制设备,例如特定开关或阀的打开/关闭,或是设置一个泵浦的速度。
4、可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller,简称PLC)因为其价格便宜,用途广泛,也常用作现场设备,取代特殊功能的远程终端控制系统。
SCADA系统技术的分析
SCADA是调度管理层,PLC是现场设备层。PLC系统,即可编程控制器,适用于工业现场的测量控制,现场测控功能强,性能稳定,可靠性高,技术成熟,使用广泛,价格合理。SCADA的重点是在监视、控制,可以实现部分逻辑功能,基本用于上位;PLC单纯的实现逻辑功能和控制,不提供人机界面,实现操作需借助与按钮指示灯、HMI以及SCADA系统;
5、通信网络则是提供监控系统及RTU(或PLC)之间传输数据的管道。
传统的SCADA系统会使用广播、串行或是调制解调器来达到通信的机能,有些大型的SCADA系统(例如发电厂或铁路)也常会使用架构在同步光网络(SONET)或同步数字体系(SDH)上的以太网或网络协议。SCADA系统中的远程管理或监视机能常称为遥测。
三、系统的数据实现

SCADA是指一个可以监控及控制所有设备的集中式系统,或是在由分散在一个区域(小到一个工厂,大到一个国家)中许多系统的组合。其中大部份的控制是由远程终端控制系统(RTU)或PLC进行,主系统一般只作系统监控层级的控制。例如在一个系统中,由PLC来控制制程中冷却水的流量,而SCADA系统可以让操作员改变流量的目标值,设置需显示及记录的警告条件(例如流量过低,温度过高)。PLC或RTU会利用回授控制来控制流量或温度,而SCADA则监控系统的整体性能。
数据采集(Dataacquisition)由RTU或PLC进行,包括读取传感器数据,依SCADA需求通信传送设备的状态报告。数据有特定的格式,控制室中的操作员可以用HMI了解系统状态,并决定是否要调整RTU(或PLC)的控制,或是暂停正常的控制,进行特殊的处理。数据也会传送到历史记录器(Operationalhistorian),一般会是架构在商用的数据库管理系统上,以便追踪趋势并进行分析。
SCADA系统会配合分散式数据库使用,一般称为标签数据库(tagdatabase),其中的数据元素称为标签(tag)或点(point)。一个点表示一个单一的输入或输出值,可能是由系统所监视或是控制。点可以是硬件(hard)的或是软件(soft)的。一个硬件的点表示系统中实际的输入或是输出,而软件的点则是根据其他点进行数学运算或逻辑运算后的结果(有些系统会把所有的点都视为软件的点,无视其实际上是硬件或软件)。一个点通常都是会以数据-时间戳记对的方式存储,其中有数据,以及数据计算或记录时的时间戳记。一个点的历史记录即可以用一连串的数据-时间戳记对所表示。常常也会在存储时加上其他的信息,例如现场设备或PLC暂存器的路径,设计的注解及警告信息。
SCADA系统技术的分析
四、主要应用

SCADA系统的主要应用在楼宇自动化;生产线管理;机械人、机件臂系统;其它生产行业;无人工作站系统等方面
举例无人工作站系统具体实例有:无线通讯基站网;邮电通讯机房空调网;电力系统配电网;铁路系统电力系统调度网;铁路系统道口,信号管理系统;坝体、隧道、桥梁、机场和码头等安全监控网;石油和天然气等各种管道监控管理系统;地铁、铁路自动收费系统;交通安全监侧;城市供热、供水系统监控和调度;环境、天文和气象无人检测网络的管理;其它各种需要实时监控的设备。
在高速公路电力SCADA系统中包含两个层次,一是分步式的数据采集系统,即智能数据采集系统,也就是通常所说的下位机;另一个是数据处理和显示系统,即中心上位机HMI(HumanMachineInterface)系统。
在高速公路电力SCADA监控系统中心的上位机部分,监控主站通常采用局域网络方式如传输速率为10MBPS/100MBPS自适应的以太网,构成以计算机设备为核心,以功能为模块,以节点为单元的调度中心系统。
监控子站系统通常由数据采集设备和通讯接口设备构成,称为RTU。监控子站与主站的通信通道可为远程拔号、载波、微波、光纤、无线、专线ISDN等多种形式,SCADA系统支持多种通讯规约。
整个SCADA系统的网络数据通讯总体上采取的是客户/服务(Client/Server)模式,即被称为“按需求传送数据”的方式。这种方式有以下优点:1、使网络向担大大减轻;2、提高了网络中各个节点之间的相互独立性;3、极其简便系统的扩充;3、多路径访问能力。
下面以广州市北部地区(新国际机场)高速公路的电力自动化监控系统为例,叙述高速公路电力SCADA监控系统一般的配置及功能。
广州机场高速公路从三元里至新国际机场,全线设置一套电力监控(SCADA)系统,对所管辖的变电所、变配电所及箱式变电站等供电设施进行监控管理,该监控系统由设在蚌湖控制中心大楼内的控制站,数据传输通道设在沿线的各被控站设备组成,被控站包括九个变电所,一个中心变配电所和入个箱式变电站。
并且,系统在设计时,控制站设备的容量及通信接口容量充分考虑到了规划中北延线供电设备的管理。
根据广州机场高速公路电力监控SCADA系统方案,以及高速公路现场的情况,选定了Schneider公司的Compact系列PLC产品来构成系统的下位机。除数据采集外,其强大的编程功能保证了系统的各类控制功能的需求。现场中我们所需的采样数据可分类模拟量输入(AI)、离散量输入(DI)和离散量输出(DO)三类。
Quantum系列PLC组成系统的通讯前置机;此系列PLC的CPU采用Intel586133MHz芯片,具有极高的数据处理能力,在通讯方面可提供多种通信方式。通讯前置机通过网桥与系统下位机的PLC控制(采样)单元相联,从而实现网络协议的转换。而通讯前置机与上位机系统则通过以太网协议直接相联。
SCADA监控系统的上位机,采用工业控制机和WINDOWS2000作为基础的硬件平台和软件平台,同时用iFIX软件开发图形化的操作员节点和维护员节点,能够有效的实现SCADA结点机和PLC设备的无缝连接;界面的产生、数据库的管理。报警和安全机制都能很好的实现。用VC++编程开发工具共同开发系统的数据采集与后台处理机。其内部设置了动态实时数据库、历史记录数据库、监控对象数据库等多种关系型数据库。