SCADA系统教程-SCADA系统

第一章SCADA系统1.1.SCADA系统的意义SCADA是SupervisoryControIAndDataAcquiSitionSystem的缩写，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。了解生产情况是实施科学生产的基础，如果生产过程分布很近，可以采用就近控制的办法，就地接线，就地监视，就地控制，对于复杂的过程生产采用DCS系统控制的比较多，也有采用PLC的或者专业控制器。而对于生产各个环节分布距离非常远的，比如几公里，几十公里，几百公里甚至几千公里的，如变电站，天然气管线，油田，自来水管网，随着技术的发展，人们慢慢发展出远程采集监视控制系统，称为SCADA系统。SCADA系统与其他系统的区别在于：分布区域广泛主站与控制对象距离远监控终端的工作条件苛刻通讯系统复杂多变通讯系统不保证可靠传输1.2.SCADA系统的构成SCADA系统主要包括三部分组成，主站端，通讯系统和远程终端单元主站一般采用先进的计算机，有着良好的图形支持，现在采用PC计算机和WINDOWS系统居多，在历史上，曾经有很多系统采用UNIX系统和XWINDOWS图形界面。一个主站可能的分站数量从几十到几百、几千个不等。通讯系统就非常复杂了，有线的包括音频电缆、载波电缆、光纤、电力载波等，无线的包括电台、卫星、微波等。远程终端单元(RTUorTeleControl)的品种也很多，大的系统由很多机柜组成，小的系统可能就是一个小盒子。1.3.SCADA的主站系统SCADA系统的主站过去由很多著名的系统是基于UNIX操作系统家族和XWINDOW图形界面的。随着计算机系统的发展，特别是PC机的发展，PC机和PC机上运行的操作系统在扮演着越来越重要的角色。庞大的主站系统一般包括如下内容：通讯前置系统，主要负责解析各种不同的规约，完成通讯接口数据处理，包括数据转发。包括前置计算机，串口池或者MODEM池，机架，防雷措施和网络接口。实时数据库系统，主要包括运行实时数据库的服务器。工程师工作站，负责系统的组态、画面制作和系统的各种维护。生产调度工作站，是监控系统的主要用户，显示画面，画面浏览，实现各种报警等。各种监控工作站，主要用于特别庞大的系统，几个人已经无法监控的情况，这时会根据需要，设立各种的监控工作站，每个工作站有人员工作。历史数据库服务器，是SCADA系统保存历史数据的服务器。WEB服务器，是现在SCADA主站系统的一个流行趋势，只要用户装有浏览器软件，得到相应的授权，就可以访问相应的他关心的数据。上层应用工作站，主要用于实时数据和历史数据的挖掘工作。在电力系统比如潮流分析，负荷预测，事故追忆，电网稳定性分析，能量管理等等。在自来水行业包括管网压力损耗分析，管网经济性分析，管网漏失分析等。在采油工程上，包括示功图显示，示功图分析，泵况分析，功图计产等等。作为SCADA主站系统，大的系统可能有几十个上百个工作站，多个服务器。为了保证系统的可靠性，采用双前置系统，多服务器系统，两个网络。但是对于简单的SCADA主站系统可能就只有一台计算机，运行一套软件。各种不同应用的SCADA系统，可以说大部分是相同的或者类似的。但是各个行业有各个行业的特点，每个行业所关心的东西不一样。比如电力行业非常关心每个线路电压电流功率，而对于自来水行业就不是特别关心这些数据，而关心管道的压力流量等。这样就形成了不同行业的系统。也有通用的人机界面使用，但是这种界面一般无法满足各个行业的特殊需要。1.4.SCADA的通讯系统SCADA通讯系统是最丰富多彩的，有很多通讯方式是很多人都没有听说过的。一般分类大体可以分为两类，有线和无线，但是随着通讯技术的发展，基于各种网络的通讯方式也发展很快，这种通讯方式很难归结到有线或者无线的范畴，所以也单独作为一类。有线方式比较多：音频电缆，架空明线，载波电缆，同轴电缆，光纤，电力载波等。在有线上传输大体分为基带传输和调制传输，基带传输是在介质上传输的是数字信号，可能也要经过信号变化。调制解调传输要经过模拟数字变换的传输。很多介质既可以作为基带传输也可以作为调制传输。无线方式主要包括:电台、微波、卫星、光线、声波等手段。网络方式是通讯系统架构在一个计算机网络之上，比如帧中继，ATM.，IP网，这种通讯方式可能是有线的也可能是无线的，甚至多次跨越无线和有线。其性能也明显区分于有线和无线系统。比如不用考虑误码，不用考虑报文的大小，不考虑系统的拓扑结构，但是网络的时延可能比较大。通过GPRS网络或者CDMA传输SCADA系统数据就是典型的例子。1.5.SCADA的远方终端单元SCADA系统远程终端单元有一个专门的词汇RTU。现在术语中称为TeleControl。RTU一般包括通讯处理单元、开关量采集单元、脉冲量采集单元、模拟量采集单元、模拟量输出单元，开关量输出单元和脉冲量输出单元等构成。还有一些其他的接口方式，比如电力变压器的分接头，气象的格雷码接口，水文的BCD码接口等等。远方的通讯一般和RTU安装在一起，这样便于接线。现在的RTU出来完成本身的数据采集工作和协议处理之外，还要完成和各种IED设备的接口和协议转换工作。而且RTU的通讯处理单元的能力越来越强大，而相应的采集工作却在逐渐的弱化，由各种IED设备代替了。RTU在中国电力系统的最大发展就是用交流采样算法直接计算线路的电压、电流、有功功、无功功率、功率因数、频率、谐波等，取代了传统的电力变送器，降低了成本，降低了接线复杂度，减少了误差环节，提高了精度。而今综合了保护、远动、计量的设备已经出现了，而传统的远动已经基本退出了历史舞台。在其他行业的发展限于作者的知识范围，无法多写。SCADA主站系统2.1.概述主站一般采用先进的计算机，有着良好的图形支持，现在采用PC计算机和WINDOWS系统居多，在历史上，曾经有很多系统采用UNIX系统和XWINDOWS图形界面。一个主站可能的分站数量从几十到几百、几千个不等。SCADA主站系统主要包括计算机硬件和计算机软件构成。作为SCADA主站系统，大的系统可能有几十个上百个工作站，多个服务器。为了保证系统的可靠性，采用双前置系统，多服务器系统，两个网络。但是对于简单的SCADA主站系统可能就只有一台计算机，运行一套软件。软件主要包括如下模块：1规约接口模块2实时数据库软件3图形界面4制图软件5历史数据软件6上层应用软件7报警模块2.2.系统硬件构成庞大的主站系统一般包括如下硬件内容：通讯前置系统，主要负责解析各种不同的规约，完成通讯接口数据处理，包括数据转发。包括前置计算机、串口池或者MODEM池，机架，防雷措施和网络接口。根据系统的规模可能有一个，两个甚至多个前置计算机。串口池是多个串口构成的集合，有两种方式，一种是插在计算机上的多串口卡，一种是以太网接口的多串口服务器。MODEM池是多个MODEM的集合，可以采用多个MODEM或者采用DSP技术的集成式MODEM（一个接口可以提供30个MODEM）。各种数据网关把各种不同的协议进行解析，转换成统一的数据存储于实时数据库中。某种意义上前置系统是一种特殊的网关设备。实时数据库系统，主要包括运行实时数据库的服务器。工程师工作站，负责系统的组态、画面制作和系统的各种维护。生产调度工作站，是监控系统的主要用户，显示画面，画面浏览，实现各种报警等。各种监控工作站，主要用于特别庞大的系统，几个人已经无法监控的情况，这时会根据需要，设立各种的监控工作站，每个工作站有人员工作。历史数据库服务器，是SCADA系统保存历史数据的服务器。WEB服务器，是现在SCADA主站系统的一个流行趋势，只要用户装有浏览器软件，得到相应的授权，就可以访问相应的他关心的数据。上层应用工作站，主要用于实时数据和历史数据的挖掘工作。在电力系统比如潮流分析，负荷预测，事故追忆，电网稳定性分析，能量管理等等。在自来水行业包括管网压力损耗分析，管网经济性分析，管网漏失分析等。在采油工程上，包括示功图显示，示功图分析，泵况分析，功图计产等等。支撑硬件：因为SCADA系统要求365D×24H连续工作，电源系统要求比较苛刻，除了双回供电，还要求有保证系统供电的UPS系统，甚至柴油发电机。用于系统输出的打印机系统方便用户了解工作状态的模拟屏系统，这是因为有时整个SCADA系统的画面过于庞杂，而调度人员可能关心的数据没有那么多，而且在计算机的屏幕上无法全面显示，为了调度人员了解全局，需要一个N平方米的模拟屏显示，而且有些操作可以在模拟屏上演练。大型投影装置，主要方式有背投，投影仪，电视墙等，其原因基本与模拟屏类似，可以降低调度人员的劳动强度。安装机柜和布线空调系统，为了系统可靠工作和人员的舒适性，需要空调系统，而且这样的空调系统不同于家庭空调，可能要求24小时工作。2.3.系统软件构成系统软件庞大而复杂，其软件划分有时候类似于盲人摸象，怎么看都有其道理。软件划分的目的是为了软件的编制和维护。一个好的软件架构超过一堆程序员的辛苦努力。软件划分的方法一般分为模块方法，把软件划成很多的模块，软件通过模块通讯的方法进行耦合，对于简单的程序一般采用模块法。模块间的接口只要定义清楚，修改一个模块不会影响到其它模块的功能。还有一种划分方法是层次法，把软件分为很多层，软件是按照层次关系进行操作，比如对于操作系统就必须按照层次进行分析，层次法的好处对于某一层不满意，只有层间的关系划分得很合理，就可以重新编写一个层替换原来的层，而不需要修改其它代码。而实际上对于复杂的软件系统一般采用的是模块层次的划分方法，既要按照层的概念定义操作的层次关系，又要按照模块的方法划分同层间的模块关系。监控系统的层次构成如下，但实际为了软件编制的方便和软件的效率，也未必完全按照这个层次模型进行划分和编写，因为完全模块化和层次化后系统的效率可能很低，影响性能，允许跨层次的访问，一般不允许跨模块的访问。上层应用软件数据挖掘软件状态分析软件WEB发表图形界面图形工具报警历史数据其它应用实时数据库数据库服务器/GIS服务器规约接口OPCOLE其它接口操作系统硬件驱动图形接口文件系统网络系统2.3.1.规约接口模块从软件划分的角度看规约接口模块是整个监控软件直接和控制设备打交道的，从监控系统的数据来源来看它是最底层的数据提供者，它所服务的对象是实时数据库。它是系统数据的来源，也是系统操作执行的输出模块。一般按照规约不同，进行模块的划分，不同的规约采用不同的模块实现，OPC和OLE由专门的模块实现，不同的OPC和OLE采用不同的模块实现。规约的实现有的是没有层次的，很多也是有层次的。具有层次的规约好处在于在一种通讯模式下的规约很容易在其它通讯模式下实现。规约的调度可以采用单线程或者多线程的方式，单线程实现简单，容易管理，但是效率低。多线程的优点在于效率高，缺点是编写复杂管理复杂。所有的规约都可以用有限状态机模型进行描述，采用状态机，画出状态转移图后，编写程序时，可以非常清楚状态间的转移和转移条件，避免进入死状态或者出现饿死的状态。其实规约很多都是有其层次结构的，一般包括物理层、链路层和应用层（不可能采用七层模型，那样太复杂效率太低，软件编写业太复杂），实现时也按照层次实现。协议的分层是指协议报文的头和内容的关系，下层一般把上层的数据作为载荷使用。规约接口模块可以由软件在前置系统实现，也可以通过硬件（网关设备）实现。所有的数据都写入实时数据库。现在SCADA系统的规约很多，关于规约的问题在其它章节阐述。2.3.2.实时数据库先进的监控组态软件都有一个实时数据库作为整个系统数据处理、数据组织和管理的核心。也有人称其为数据词典。实时数据库与基于传统数据库技术的数据库（如：关系数据库）在原理、实现技术、功能和系统性能方面有很大的不同。集成了实时数据库功能的组态软件的应用范围更为广阔，尤其是在时间关键型应用中。但实时数据库并不是数据库技术和实时系统两者的简单结合，它在概念、理论、技术、方法和机制方面具备自身特点。如：数据库的结构与组织；数据处理的优先级控制、调度和并发控制协议与算法；数据和事务特性