SCADA系統(tǒng)認知及設(shè)計方法——課證融通課程SCADA系統(tǒng)認知1SCADA系統(tǒng)設(shè)計21.SCADA系統(tǒng)認知SCADA是英文“SupervisoryControlAndDataAcquisition”的簡稱，直譯成中文就是“監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集”，有些文獻也簡稱位監(jiān)控系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)的監(jiān)控功能是通過人機界面來實現(xiàn)的，即操作人員可以通過人機界面監(jiān)視被控系統(tǒng)的運行。從SCADA系統(tǒng)名稱可以看出，其包含兩個層次的基本功能：數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。1.SCADA系統(tǒng)認知SCADA系統(tǒng)在控制層面上至少具有兩層結(jié)構(gòu)以及連接這兩層子系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，這兩層子系統(tǒng)是處于測控現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集與控制終端設(shè)備（通常稱為下位機）和位于中控室的集中監(jiān)視、管理和遠程監(jiān)控計算機（上位機）。復雜的SCADA系統(tǒng)可以有多個現(xiàn)場監(jiān)控中心，每個監(jiān)控中心與一定數(shù)量的現(xiàn)場控制站通信，完成一定范圍內(nèi)設(shè)備監(jiān)控。上一層的調(diào)度中心再與現(xiàn)場監(jiān)控中心通信，對整個現(xiàn)場設(shè)備進行遠程監(jiān)控，對整個被控設(shè)備、過程進行集中管理。1.SCADA系統(tǒng)認知SCADA系統(tǒng)作為生產(chǎn)過程和事務(wù)管理自動化最為有效的計算機軟硬件系統(tǒng)之一，它包含3個部分：第一個是分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也就是通常所說的下位機；第二個是過程監(jiān)控與管理系統(tǒng)，即上位機；第三個是數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，包括上位機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、下位機網(wǎng)絡(luò)，以及將上、下位機系統(tǒng)連接發(fā)通信網(wǎng)絡(luò)。SCADA系統(tǒng)的這三個組成部分的功能不同，但三者的有效集成則構(gòu)成了功能強大的SCADA系統(tǒng)，完成對整個過程的有效監(jiān)控。通信網(wǎng)絡(luò)上位機下位機1.SCADA系統(tǒng)認知一般下位機可以是遠程終端單元RTU、各種中、小型PLC、可編程自動化控制器、智能儀表中的一種；上位機包括SCADA服務(wù)器、工程師站、操作員站、Web服務(wù)器等，這些設(shè)備通常采用以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)；通信網(wǎng)絡(luò)在SCADA系統(tǒng)中扮演重要作用，在一個大型的SCADA系統(tǒng)中，包含多種層次的網(wǎng)絡(luò)，如設(shè)備層總線，現(xiàn)場總線；在控制中心有以太網(wǎng)，而連接上、下位機的通信形式更是多樣，既有有線通信，也有無線通信，有些系統(tǒng)還有微波、衛(wèi)星等通信方式。從智能制造單元系統(tǒng)集成應用平臺的功能應用和需求看，其屬于典型的SCADA系統(tǒng)，進行控制系統(tǒng)方案設(shè)計時，可按照SCADA系統(tǒng)的設(shè)計方法進行設(shè)計。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計SCADA系統(tǒng)設(shè)計原則隨著控制技術(shù)的發(fā)展，SCADA系統(tǒng)在很多行業(yè)都可以有不同的解決方案，而且這些方案各有特點，很難比較說哪個更好。在設(shè)計時，可以考慮以下的原則與要求，選取一個綜合指標好的方案。（1）可靠性當下位機工作環(huán)境比較惡劣時，將存在著各種干擾，因此在系統(tǒng)設(shè)計時必須立足于系統(tǒng)長期、可靠和穩(wěn)定的運行。因為一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，輕者影響生產(chǎn)，重者造成事故，甚至人員傷亡。因此，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，要把系統(tǒng)的可靠性放在首位，以確保系統(tǒng)安全、可靠和穩(wěn)定地運行。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計（2）先進性先進的SCADA系統(tǒng)不僅具有很高的性能，滿足生產(chǎn)過程所提出的各種要求和性能指標，而且對于生產(chǎn)過程的優(yōu)化運行和實施其他綜合自動化措施都是有好處的。先進的SCADA系統(tǒng)通常都符合許多新的行業(yè)標準，采用了許多先進的設(shè)計理念與先進設(shè)備，因此可以確保系統(tǒng)在較長時間內(nèi)穩(wěn)定可靠工作。當然，也不能片面追求系統(tǒng)的先進性而忽視系統(tǒng)開發(fā)、應用及維護的成本和實現(xiàn)上的復雜性與技術(shù)風險。（3）實時性SCADA系統(tǒng)的實時性，表現(xiàn)在對內(nèi)部和外部事件能快速、及時的響應，并做出相應的處理，不丟失信息，不延誤操作。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計（4）開放性SCADA系統(tǒng)多是采用系統(tǒng)集成的辦法實現(xiàn)的，即系統(tǒng)的軟、硬件是不同廠家的產(chǎn)品，因此首先要保證所選用設(shè)備具有較好的開放性，以方便系統(tǒng)的集成；其次，SCADA系統(tǒng)作為企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的最底層，既要向上層MES或EPR系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，也要接受這些系統(tǒng)的調(diào)度。系統(tǒng)的開放性還是實現(xiàn)系統(tǒng)功能擴展和升級的重要基礎(chǔ)。在系統(tǒng)設(shè)計時一定要避免所設(shè)計的系統(tǒng)是“自動化孤島”，導致系統(tǒng)的功能得不到充分發(fā)揮。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計（5）經(jīng)濟性在滿足SCADA系統(tǒng)性能指標（如可靠性、實時性、開放性）的前提下，盡可能地降低成本，保證性能價格比較高，為用戶節(jié)約成本。此外，還要盡可能地提高系統(tǒng)投運后的產(chǎn)出，即為企業(yè)創(chuàng)造一定的經(jīng)濟效益和社會效益，這才是SCADA系統(tǒng)的最大作用，也是用戶最歡迎的。SCADA系統(tǒng)設(shè)計原則可靠性先進性實時性開放性經(jīng)濟性可操作性與可維護性2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計（6）可操作性與可維護性操作方便表現(xiàn)在操作簡單、直觀形象和便于掌握，且不要求操作人員一定要熟練掌握計算機知識才能操作，對于一些升級的系統(tǒng)，在新系統(tǒng)設(shè)計時要兼顧原有的操作習慣?？删S護性體現(xiàn)在維修方便，易于查找和排除故障。系統(tǒng)應多采用標準的功能模塊式結(jié)構(gòu)，便于更換故障模塊，并在功能模塊上安裝工作狀態(tài)指示燈和監(jiān)測點，便于維修人員檢查。另外，有條件的話，配置故障檢測與診斷程序，用來發(fā)現(xiàn)和查找故障。在系統(tǒng)設(shè)計時堅持以人為本是確保系統(tǒng)具有可操作性和可維護性的重要手段和途徑。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計SCADA系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)步驟SCADA系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)主要包括三個部分的內(nèi)容：上位機系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)、下位機系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)、通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與開發(fā)。SCADA系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)具體內(nèi)容會隨系統(tǒng)規(guī)模、被控對象、控制方式等不同而有所差異，但系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的基本內(nèi)容和主要步驟大致相同。在進行設(shè)計前，首先要深入了解生產(chǎn)過程的工藝流程、特點；主要的檢測點與控制點及它們的分布情況；明確控制對象所需要實現(xiàn)的動作與功能；確定控制方案；了解用戶對監(jiān)控系統(tǒng)是否有特殊的要求；了解用戶對系統(tǒng)安全性與可靠性的需要；了解用戶的使用和操作要求；了解用戶的投資概算等。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計在了解以上基本信息后，就可以開始總體設(shè)計。（1）首先要統(tǒng)計系統(tǒng)中所有的I/O點，包括模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出等，確定這些點的監(jiān)控要求，如控制、記錄、報警等。（2）在此基礎(chǔ)上，根據(jù)監(jiān)控點的分布情況確定SCADA系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，主要包括上位機的數(shù)量和分布、下位機的數(shù)量和分布、網(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備等。在SCADA系統(tǒng)中，拓撲結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵，一個好的拓撲結(jié)構(gòu)可以確保系統(tǒng)的監(jiān)控功能被合理分配，網(wǎng)絡(luò)負荷均勻，有利于系統(tǒng)功能的發(fā)揮和穩(wěn)定運行。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計拓撲結(jié)構(gòu)確定后，就可以初步確定SCADA系統(tǒng)中上位機的功能要求與配置，上位機系統(tǒng)的安裝地點和監(jiān)控中心的設(shè)計；確定下位機系統(tǒng)的配置及其監(jiān)控設(shè)備和區(qū)域分布；確定通信設(shè)備的功能要求和可能的通信方式及其使用和安裝條件；在這3個方面確定后，編寫相應的技術(shù)文檔，與業(yè)主及相關(guān)的技術(shù)人員對總體設(shè)計進行論證，以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計。至此，SCADA系統(tǒng)的總體設(shè)計就初步完成了。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計總體設(shè)計了解信息I/O點拓撲結(jié)構(gòu)上位機功能要求與配置等下位機配置與分布等通信功能要求與通信方式等2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計在SCADA系統(tǒng)設(shè)計時，還要注意系統(tǒng)功能的實現(xiàn)方式，即系統(tǒng)中的一些監(jiān)控功能既能由硬件實現(xiàn)，也能由軟件實現(xiàn)。因此，在系統(tǒng)設(shè)計時，硬件和軟件功能的劃分要綜合考慮，以決定哪些功能由硬件實現(xiàn)，哪些功能由軟件來完成。一般采用硬件實現(xiàn)時速度比較快，可以節(jié)省CPU的大量時間，但系統(tǒng)會比較復雜、價格也比較高；采用軟件實現(xiàn)比較靈活、價格便宜，但要占用CPU較多的時間，實時性也會有所降低。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計所以，一般在CPU時間允許的情況下，盡量采用軟件實現(xiàn)，如果系統(tǒng)控制回路較多、CPU任務(wù)較重，或某些軟件設(shè)計比較困難，則可考慮用硬件完成。硬件實現(xiàn)實時性好系統(tǒng)復雜，價格高軟件實現(xiàn)占用CPU時間多，實時性較差價格便宜靈活性好2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計工作站控制需求工作站的控制需求包括以下幾點：（1）總控單元可對其他各單元進行分布式管理控制；（2）能監(jiān)視工作站的傳感器信號，控制工作站的相關(guān)執(zhí)行元件；（3）各單元可通過網(wǎng)線連接通信?？刂品桨冈O(shè)計工作站由PLC作為邏輯控制，總控單元使用兩個PLC進行通信控制，在執(zhí)行單元處單獨設(shè)計一個PLC進行伺服運動控制