SCADA系統(tǒng)綜述系統(tǒng)介紹

一、SCADA系統(tǒng)概述

由于各個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)CADA的要求不同，所以不同應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用最為廣泛，技術(shù)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(xiàn)已經(jīng)成為電力調(diào)度不可缺少的工具。它對提高電網(wǎng)運行的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)效益，減輕調(diào)度員的負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)電力調(diào)度自動化與現(xiàn)代化，提高調(diào)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(yuǎn)動系統(tǒng)上的應(yīng)用較早，在保證電氣化鐵路的安全可靠供電，提高鐵路運輸?shù)恼{(diào)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(jī)的發(fā)展，不同時期有不同的產(chǎn)品，同時我國也從國外引進(jìn)了大量的SCADA產(chǎn)品與設(shè)備，這些都帶動了鐵道電氣化遠(yuǎn)動系統(tǒng)向更高的目標(biāo)發(fā)展。

二、SCADA系統(tǒng)發(fā)展歷程

SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)，全名為數(shù)據(jù)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(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)歷了三代。

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，國家計劃未來三年內(nèi)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。2100433B

SCADA系統(tǒng)說明

SCADA系統(tǒng)是以計算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。

由于各個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)CADA的要求不同，所以不同應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用最為廣泛，技術(shù)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(xiàn)已經(jīng)成為電力調(diào)度不可缺少的工具。它對提高電網(wǎng)運行的可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)效益，減輕調(diào)度員，實現(xiàn)電力調(diào)度自動化與現(xiàn)代化，提高調(diào)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(yuǎn)動系統(tǒng)上的應(yīng)用較早，在保證電氣化鐵路的安全可靠供電，提高鐵路運輸?shù)恼{(diào)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(jī)的發(fā)展，不同時期有不同的產(chǎn)品，同時我國也從國外引進(jìn)了大量的SCADA產(chǎn)品與設(shè)備，這些都帶動了鐵道電氣化遠(yuǎn)動系統(tǒng)向更高的目標(biāo)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(shù)據(jù)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(jī)技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。SCADA系統(tǒng)發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代。

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，國家計劃未來三年內(nèi)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)的基礎(chǔ)條件已經(jīng)誕生。該系統(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)在電氣化鐵道遠(yuǎn)動系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)上已經(jīng)取得突破性進(jìn)展，應(yīng)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(yuǎn)動系統(tǒng)上已經(jīng)成熟的產(chǎn)品有由我所自行研制開發(fā)的HY200微機(jī)遠(yuǎn)動系統(tǒng)以及由西南交通大學(xué)開發(fā)的DWY微機(jī)遠(yuǎn)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(zhì)量上起到了重要的作用，對SCADA系統(tǒng)在鐵道電氣化上的應(yīng)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(shù)進(jìn)步一刻也沒有停止過。當(dāng)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(jī)技術(shù)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(shù)據(jù)源，為EMS系統(tǒng)提供大量的實時數(shù)據(jù)。同時在模擬培訓(xùn)系統(tǒng)，MIS系統(tǒng)等系統(tǒng)中都需要用到電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)，而沒有這個電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)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(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)已經(jīng)成功地實現(xiàn)與DTS（調(diào)度員模擬培訓(xùn)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(diào)度自動化系統(tǒng)、調(diào)度生產(chǎn)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(jī)保護(hù)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(jī)系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的控制保護(hù)屏，能夠降低變電所的占地面積和設(shè)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(jīng)成為有關(guān)方面的研究課題，我國東方電子等公司已經(jīng)推出相應(yīng)的產(chǎn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)研究與應(yīng)用

SCADA系統(tǒng)主要有以下部分組成：監(jiān)控計算機(jī)、遠(yuǎn)程終端單元（RTU）、可編程邏輯控制器（PLC）、通信基礎(chǔ)設(shè)施、人機(jī)界面（HMI）。

使用SCADA概念可以構(gòu)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(yīng)用。示例流程包括工業(yè)，基礎(chǔ)設(shè)施和基于設(shè)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(fù)或離散模式運行。

基礎(chǔ)設(shè)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(fēng)力發(fā)電場。

設(shè)施流程，包括建筑物，機(jī)場，船舶和空間站。他們監(jiān)視和控制暖氣，通風(fēng)和空調(diào)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(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行評估，以識別風(fēng)險和解決方案，以減輕這些風(fēng)險。

SCADA系統(tǒng)監(jiān)控計算機(jī)

這是SCADA系統(tǒng)的核心，收集過程數(shù)據(jù)并向現(xiàn)場連接的設(shè)備發(fā)送控制命令。 它是指負(fù)責(zé)與現(xiàn)場連接控制器通信的計算機(jī)和軟件，這些現(xiàn)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(jī)可能由一臺PC組成，在這種情況下，HMI是這臺計算機(jī)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(jī)上的HMI，多臺服務(wù)器用于數(shù)據(jù)采集，分布式軟件應(yīng)用程序以及災(zāi)難恢復(fù)站點。 為了提高系統(tǒng)的完整性，多臺服務(wù)器通常配置成雙冗余或熱備用形式，以便在服務(wù)器出現(xiàn)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(yuǎn)程終端單元

遠(yuǎn)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(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。 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(xiàn)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(lián)網(wǎng)到監(jiān)控系統(tǒng)。 與RTU相比，PLC具有更復(fù)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(jìn)行編程。 PLC經(jīng)常被用來代替RTU作為現(xiàn)場設(shè)備，因為它們更經(jīng)濟(jì)，多功能，靈活和可配置。

SCADA系統(tǒng)通信基礎(chǔ)設(shè)施

這將監(jiān)控計算機(jī)系統(tǒng)連接到遠(yuǎn)程終端單元（RTU）和PLC，并且可以使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)的故障并不一定會停止工廠的過程控制，而且在恢復(fù)通信時，操作員可以繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)視和控制。 一些關(guān)鍵系統(tǒng)將具有雙冗余數(shù)據(jù)高速公路，通常通過不同的路線進(jìn)行連接。

SCADA系統(tǒng)人機(jī)界面

人機(jī)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(jī)，提供實時數(shù)據(jù)以驅(qū)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(shè)備的所有數(shù)據(jù)，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(shè)備的數(shù)字照片覆蓋動畫符號組成。

工廠的監(jiān)督操作是通過HMI進(jìn)行的，操作員使用鼠標(biāo)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(biāo)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(hù)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(xiàn)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(fù)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(wù)，它在數(shù)據(jù)庫中存儲帶時間戳的數(shù)據(jù)，事件和報警，可以查詢或用于填充HMI中的圖形趨勢。歷史學(xué)家是從數(shù)據(jù)采集服務(wù)器請求數(shù)據(jù)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(wù)器體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器與硬件設(shè)備通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運算。而客戶用于人機(jī)交互，如用文字、動畫顯示現(xiàn)場的狀態(tài)，并可以對現(xiàn)場的開關(guān)、閥門進(jìn)行操作。還有一種“超遠(yuǎn)程客戶”，它可以通過Web發(fā)布在Internet上進(jìn)行監(jiān)控。硬件設(shè)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(wù)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(wǎng)等連接方式。

SCADA系統(tǒng)軟件

SCADA由很多任務(wù)組成，每個任務(wù)完成特定的功能。位于一個或多個機(jī)器上的服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理（如量程轉(zhuǎn)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(wù)器間可以相互通訊。有些系統(tǒng)將服務(wù)器進(jìn)一步單獨劃分成若干專門服務(wù)器，如報警服務(wù)器，記錄服務(wù)器，歷史服務(wù)器，登錄服務(wù)器等。各服務(wù)器邏輯上作為統(tǒng)一整體，但物理上可能放置在不同的機(jī)器上。分類劃分的好處是可以將多個服務(wù)器的各種數(shù)據(jù)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(nèi)部通信、與I/O設(shè)備通信、和外界通信?？蛻襞c服務(wù)器間以及服務(wù)器與服務(wù)器間一般有三種通信形式，請求式，訂閱式與廣播式。設(shè)備驅(qū)動程序與I/O設(shè)備通訊一般采用請求式，大多數(shù)設(shè)備都支持這種通訊方式，當(dāng)然也有的設(shè)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(shè)備廠家提供的OPC服務(wù)器進(jìn)行通訊。因為OPC有微軟內(nèi)定的標(biāo)準(zhǔn)，所以O(shè)PC客戶端無需修改就可以與各家提供的OPC服務(wù)器進(jìn)行通訊。