SCADA系統(tǒng)綜述

二、SCADA系統(tǒng)發(fā)展歷程

SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)，全名為數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)自誕生之日起就與計算機技術的發(fā)展緊密相關。SCADA系統(tǒng)發(fā)展到今天已經經歷了三代。

第一代是基于專用計算機和專用操作系統(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動系統(tǒng)所設計的H-80M系統(tǒng)。這一階段是從計算機運用到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的SCADA系統(tǒng)，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(tǒng)一般是通用的UNIX操作系統(tǒng)。在這一階段，SCADA系統(tǒng)在電網調度自動化中與經濟運行分析，自動發(fā)電控制（AGC）以及網絡分析結合到一起構成了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系統(tǒng)，并且系統(tǒng)不具有開放性，因而系統(tǒng)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(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，各種最新的計算機技術都匯集進SCADA/EMS系統(tǒng)中。這一階段也是我國對電力系統(tǒng)自動化以及電網建設投資最大的時期，國家計劃未來三年內投資2700億元改造城鄉(xiāng)電網可見國家對電力系統(tǒng)自動化以及電網建設的重視程度。2100433B

一、SCADA系統(tǒng)概述

由于各個應用領域對SCADA的要求不同，所以不同應用領域的SCADA系統(tǒng)發(fā)展也不完全相同。

在電力系統(tǒng)中，SCADA系統(tǒng)應用最為廣泛，技術發(fā)展也最為成熟。它作為能量管理系統(tǒng)（EMS系統(tǒng)）的一個最主要的子系統(tǒng)，有著信息完整、提高效率、正確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢，現已經成為電力調度不可缺少的工具。它對提高電網運行的可靠性、安全性與經濟效益，減輕調度員的負擔，實現電力調度自動化與現代化，提高調度的效率和水平中方面有著不可替代的作用。

SCADA在鐵道電氣化遠動系統(tǒng)上的應用較早，在保證電氣化鐵路的安全可靠供電，提高鐵路運輸的調度管理水平起到了很大的作用。在鐵道電氣化SCADA系統(tǒng)的發(fā)展過程中，隨著計算機的發(fā)展，不同時期有不同的產品，同時我國也從國外引進了大量的SCADA產品與設備，這些都帶動了鐵道電氣化遠動系統(tǒng)向更高的目標發(fā)展。

SCADA系統(tǒng)說明

SCADA系統(tǒng)是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統(tǒng)。它可以對現場的運行設備進行監(jiān)視和控制。

由于各個應用領域對SCADA的要求不同，所以不同應用領域的SCADA系統(tǒng)發(fā)展也不完全相同 。

SCADA系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用最為廣泛，技術發(fā)展也最為成熟。它作為能量管理系統(tǒng)（EMS系統(tǒng)）的一個最主要的子系統(tǒng)，有著信息完整、提高效率、正確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)、加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢，現已經成為電力調度不可缺少的工具。它對提高電網運行的可靠性、安全性與經濟效益，減輕調度員，實現電力調度自動化與現代化，提高調度的效率和水平方面有著不可替代的作用。

SCADA在鐵道電氣化遠動系統(tǒng)上的應用較早，在保證電氣化鐵路的安全可靠供電，提高鐵路運輸的調度管理水平起到了很大的作用。在鐵道電氣化SCADA系統(tǒng)的發(fā)展過程中，隨著計算機的發(fā)展，不同時期有不同的產品，同時我國也從國外引進了大量的SCADA產品與設備，這些都帶動了鐵道電氣化遠動系統(tǒng)向更高的目標發(fā)展。

SCADA系統(tǒng)發(fā)展歷程

SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)，全名為數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)自誕生之日起就與計算機技術的發(fā)展緊密相關。SCADA系統(tǒng)發(fā)展已經經歷了三代。

第一代是基于專用計算機和專用操作系統(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動系統(tǒng)所設計的H-80M系統(tǒng)。這一階段是從計算機運用到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的SCADA系統(tǒng)，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(tǒng)一般是通用的UNIX操作系統(tǒng)。在這一階段，SCADA系統(tǒng)在電網調度自動化中與經濟運行分析，自動發(fā)電控制（AGC）以及網絡分析結合到一起構成了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系統(tǒng)，并且系統(tǒng)不具有開放性，因而系統(tǒng)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(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，各種最新的計算機技術都匯集進SCADA/EMS系統(tǒng)中。這一階段也是我國對電力系統(tǒng)自動化以及電網建設投資最大的時期，國家計劃未來三年內投資2700億元改造城鄉(xiāng)電網可見國家對電力系統(tǒng)自動化以及電網建設的重視程度。

第四代SCADA/EMS系統(tǒng)的基礎條件已經誕生。該系統(tǒng)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(xù)擴大SCADA/EMS系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的集成，綜合安全經濟運行以及商業(yè)化運營的需要。 SCADA系統(tǒng)在電氣化鐵道遠動系統(tǒng)的應用技術上已經取得突破性進展，應用上也有迅猛的發(fā)展。由于電氣化鐵道與電力系統(tǒng)有著不同的特點，在SCADA系統(tǒng)的發(fā)展上與電力系統(tǒng)的道路并不完全一樣。在電氣化鐵道遠動系統(tǒng)上已經成熟的產品有由我所自行研制開發(fā)的HY200微機遠動系統(tǒng)以及由西南交通大學開發(fā)的DWY微機遠動系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)性能可靠、功能強大，在保證電氣化鐵道供電安全，提高供電質量上起到了重要的作用，對SCADA系統(tǒng)在鐵道電氣化上的應用功不可沒。

SCADA系統(tǒng)發(fā)展瞻望

SCADA系統(tǒng)在不斷完善，不斷發(fā)展，其技術進步一刻也沒有停止過。當今，隨著電力系統(tǒng)以及鐵道電氣化系統(tǒng)對SCADA系統(tǒng)需求的提高以及計算機技術的發(fā)展，為SCADA系統(tǒng)提出新的要求，概括地說，有以下幾點：

1、SCADA/EMS系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的廣泛集成

SCADA系統(tǒng)是電力系統(tǒng)自動化的實時數據源，為EMS系統(tǒng)提供大量的實時數據。同時在模擬培訓系統(tǒng)，MIS系統(tǒng)等系統(tǒng)中都需要用到電網實時數據，而沒有這個電網實時數據信息，所有其它系統(tǒng)都成為“無源之水”。所以SCADA系統(tǒng)如何與其它非實時系統(tǒng)的連接成為SCADA研究的重要課題；現有的SCADA系統(tǒng)已經成功地實現與DTS（調度員模擬培訓系統(tǒng)）、企業(yè)MIS系統(tǒng)的連接。SCADA系統(tǒng)與電能量計量系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)、水調度自動化系統(tǒng)、調度生產自動化系統(tǒng)以及辦公自動化系統(tǒng)的集成成為SCADA系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。

2、變電所綜合自動化

以RTU、微機保護裝置為核心，將變電所的控制、信號、測量、計費等回路納入計算機系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的控制保護屏，能夠降低變電所的占地面積和設備投資，提高二次系統(tǒng)的可靠性。變電所的綜合自動化已經成為有關方面的研究課題，我國東方電子等公司已經推出相應的產品，但在鐵道電氣化上還處于研究階段。

3、專家系統(tǒng)、模糊決策、神經網絡等新技術研究與應用

SCADA系統(tǒng)主要有以下部分組成：監(jiān)控計算機、遠程終端單元（RTU）、可編程邏輯控制器（PLC）、通信基礎設施、人機界面（HMI）。

使用SCADA概念可以構建大型和小型系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的范圍可以從幾十到幾千個控制回路，具體取決于應用。示例流程包括工業(yè)，基礎設施和基于設施的流程，如下所述：

工業(yè)過程包括制造，過程控制，發(fā)電，制造和精煉，并可以連續(xù)，間歇，重復或離散模式運行。

基礎設施過程可以是公共的或私人的，包括水處理和分配，污水收集和處理，油氣管道，電力輸送和配電以及風力發(fā)電場。

設施流程，包括建筑物，機場，船舶和空間站。他們監(jiān)視和控制暖氣，通風和空調系統(tǒng)（HVAC），通道和能源消耗。

但是，SCADA系統(tǒng)可能存在安全漏洞，因此應對系統(tǒng)進行評估，以識別風險和解決方案，以減輕這些風險。

SCADA系統(tǒng)監(jiān)控計算機

這是SCADA系統(tǒng)的核心，收集過程數據并向現場連接的設備發(fā)送控制命令。 它是指負責與現場連接控制器通信的計算機和軟件，這些現場連接控制器是RTU和PLC，包括運行在操作員工作站上的HMI軟件。 在較小的SCADA系統(tǒng)中，監(jiān)控計算機可能由一臺PC組成，在這種情況下，HMI是這臺計算機的一部分。 在大型SCADA系統(tǒng)中，主站可能包含多臺托管在客戶端計算機上的HMI，多臺服務器用于數據采集，分布式軟件應用程序以及災難恢復站點。 為了提高系統(tǒng)的完整性，多臺服務器通常配置成雙冗余或熱備用形式，以便在服務器出現故障或故障的情況下提供持續(xù)的控制和監(jiān)視。

SCADA系統(tǒng)遠程終端單元

遠程終端單元，也稱為（RTU），連接到過程中的傳感器和執(zhí)行器，并與監(jiān)控計算機系統(tǒng)聯網。 RTU是“智能I / O”，并且通常具有嵌入式控制功能，例如梯形邏輯，以實現布爾邏輯操作。

SCADA系統(tǒng)可編程邏輯控制器

也稱為PLC，它們連接到過程中的傳感器和執(zhí)行器，并以與RTU相同的方式聯網到監(jiān)控系統(tǒng)。 與RTU相比，PLC具有更復雜的嵌入式控制功能，并且采用一種或多種IEC 61131-3編程語言進行編程。 PLC經常被用來代替RTU作為現場設備，因為它們更經濟，多功能，靈活和可配置。

SCADA系統(tǒng)通信基礎設施

這將監(jiān)控計算機系統(tǒng)連接到遠程終端單元（RTU）和PLC，并且可以使用行業(yè)標準或制造商專有協(xié)議。 RTU和PLC都使用監(jiān)控系統(tǒng)提供的最后一個命令，在過程的近實時控制下自主運行。 通信網絡的故障并不一定會停止工廠的過程控制，而且在恢復通信時，操作員可以繼續(xù)進行監(jiān)視和控制。 一些關鍵系統(tǒng)將具有雙冗余數據高速公路，通常通過不同的路線進行連接。

SCADA系統(tǒng)人機界面

人機界面（HMI）是監(jiān)控系統(tǒng)的操作員窗口。它以模擬圖的形式向操作人員提供工廠信息，模擬圖是控制工廠的示意圖，以及報警和事件記錄頁面。 HMI連接到SCADA監(jiān)控計算機，提供實時數據以驅動模擬圖，警報顯示和趨勢圖。在許多安裝中，HMI是操作員的圖形用戶界面，收集來自外部設備的所有數據，創(chuàng)建報告，執(zhí)行報警，發(fā)送通知等。

模擬圖由用來表示過程元素的線圖和示意符號組成，或者可以由工藝設備的數字照片覆蓋動畫符號組成。

工廠的監(jiān)督操作是通過HMI進行的，操作員使用鼠標指針，鍵盤和觸摸屏發(fā)出命令。例如，泵的符號可以向操作員顯示泵正在運行，并且流量計符號可以顯示通過管道泵送了多少流體。操作員可以通過鼠標點擊或屏幕觸摸從模擬器切換泵。 HMI將顯示管道中流體的流量實時減少。

SCADA系統(tǒng)的HMI包通常包含一個繪圖程序，操作員或系統(tǒng)維護人員用來改變這些點在接口中的表示方式。這些表示可以像在屏幕上的交通燈一樣簡單，其代表現場中實際交通燈的狀態(tài)，或者像代表摩天大樓中所有電梯的位置的多投影儀顯示器一樣復雜，或者全部火車上的火車。

“歷史記錄”是HMI中的一項軟件服務，它在數據庫中存儲帶時間戳的數據，事件和報警，可以查詢或用于填充HMI中的圖形趨勢。歷史學家是從數據采集服務器請求數據的客戶端 。

SCADA系統(tǒng)硬件

通常SCADA系統(tǒng)分為兩個層面，即客戶/服務器體系結構。服務器與硬件設備通信，進行數據處理和運算。而客戶用于人機交互，如用文字、動畫顯示現場的狀態(tài)，并可以對現場的開關、閥門進行操作。還有一種“超遠程客戶”，它可以通過Web發(fā)布在Internet上進行監(jiān)控。硬件設備(如PLC)一般既可以通過點到點方式連接，也可以以總線方式連接到服務器上。點到點連接一般通過串口(RS232)，總線方式可以是RS485，以太網等連接方式。

SCADA系統(tǒng)軟件

SCADA由很多任務組成，每個任務完成特定的功能。位于一個或多個機器上的服務器負責數據采集，數據處理（如量程轉換、濾波、報警檢查、計算、事件記錄、歷史存儲、執(zhí)行用戶腳本等）。服務器間可以相互通訊。有些系統(tǒng)將服務器進一步單獨劃分成若干專門服務器，如報警服務器，記錄服務器，歷史服務器，登錄服務器等。各服務器邏輯上作為統(tǒng)一整體，但物理上可能放置在不同的機器上。分類劃分的好處是可以將多個服務器的各種數據統(tǒng)一管理、分工協(xié)作，缺點是效率低，局部故障可能影響整個系統(tǒng) 。

SCADA系統(tǒng)通信

SCADA系統(tǒng)中的通信分為內部通信、與I/O設備通信、和外界通信?？蛻襞c服務器間以及服務器與服務器間一般有三種通信形式，請求式，訂閱式與廣播式。設備驅動程序與I/O設備通訊一般采用請求式，大多數設備都支持這種通訊方式，當然也有的設備支持主動發(fā)送方式。SCADA通過多種方式與外界通信。如OPC，一般都會提供OPC客戶端，用來與設備廠家提供的OPC服務器進行通訊。因為OPC有微軟內定的標準，所以OPC客戶端無需修改就可以與各家提供的OPC服務器進行通訊。