SCADA系統(tǒng)認(rèn)知及設(shè)計(jì)方法——課證融通課程SCADA系統(tǒng)認(rèn)知1SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)21.SCADA系統(tǒng)認(rèn)知SCADA是英文“SupervisoryControlAndDataAcquisition”的簡(jiǎn)稱(chēng)，直譯成中文就是“監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集”，有些文獻(xiàn)也簡(jiǎn)稱(chēng)位監(jiān)控系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)的監(jiān)控功能是通過(guò)人機(jī)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即操作人員可以通過(guò)人機(jī)界面監(jiān)視被控系統(tǒng)的運(yùn)行。從SCADA系統(tǒng)名稱(chēng)可以看出，其包含兩個(gè)層次的基本功能：數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。1.SCADA系統(tǒng)認(rèn)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(cè)控現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集與控制終端設(shè)備（通常稱(chēng)為下位機(jī)）和位于中控室的集中監(jiān)視、管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）。復(fù)雜的SCADA系統(tǒng)可以有多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心，每個(gè)監(jiān)控中心與一定數(shù)量的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)監(jiān)控中心通信，對(duì)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)整個(gè)被控設(shè)備、過(guò)程進(jìn)行集中管理。1.SCADA系統(tǒng)認(rèn)知SCADA系統(tǒng)作為生產(chǎn)過(guò)程和事務(wù)管理自動(dòng)化最為有效的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)之一，它包含3個(gè)部分：第一個(gè)是分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也就是通常所說(shuō)的下位機(jī)；第二個(gè)是過(guò)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)，即上位機(jī)；第三個(gè)是數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，包括上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)，以及將上、下位機(jī)系統(tǒng)連接發(fā)通信網(wǎng)絡(luò)。SCADA系統(tǒng)的這三個(gè)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(qiáng)大的SCADA系統(tǒng)，完成對(duì)整個(gè)過(guò)程的有效監(jiān)控。通信網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)下位機(jī)1.SCADA系統(tǒng)認(rèn)知一般下位機(jī)可以是遠(yuǎn)程終端單元RTU、各種中、小型PLC、可編程自動(dòng)化控制器、智能儀表中的一種；上位機(jī)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(gè)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(chǎng)總線；在控制中心有以太網(wǎng)，而連接上、下位機(jī)的通信形式更是多樣，既有有線通信，也有無(wú)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(yīng)用平臺(tái)的功能應(yīng)用和需求看，其屬于典型的SCADA系統(tǒng)，進(jìn)行控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，可按照SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)，很難比較說(shuō)哪個(gè)更好。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮以下的原則與要求，選取一個(gè)綜合指標(biāo)好的方案。（1）可靠性當(dāng)下位機(jī)工作環(huán)境比較惡劣時(shí)，將存在著各種干擾，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須立足于系統(tǒng)長(zhǎng)期、可靠和穩(wěn)定的運(yùn)行。因?yàn)橐坏┛刂葡到y(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(jì)過(guò)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(yùn)行。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）先進(jìn)性先進(jìn)的SCADA系統(tǒng)不僅具有很高的性能，滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程所提出的各種要求和性能指標(biāo)，而且對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化運(yùn)行和實(shí)施其他綜合自動(dòng)化措施都是有好處的。先進(jìn)的SCADA系統(tǒng)通常都符合許多新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用了許多先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念與先進(jìn)設(shè)備，因此可以確保系統(tǒng)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定可靠工作。當(dāng)然，也不能片面追求系統(tǒng)的先進(jìn)性而忽視系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、應(yīng)用及維護(hù)的成本和實(shí)現(xiàn)上的復(fù)雜性與技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。（3）實(shí)時(shí)性SCADA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，表現(xiàn)在對(duì)內(nèi)部和外部事件能快速、及時(shí)的響應(yīng)，并做出相應(yīng)的處理，不丟失信息，不延誤操作。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)（4）開(kāi)放性SCADA系統(tǒng)多是采用系統(tǒng)集成的辦法實(shí)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(kāi)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(dòng)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(kāi)放性還是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能擴(kuò)展和升級(jí)的重要基礎(chǔ)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一定要避免所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是“自動(dòng)化孤島”，導(dǎo)致系統(tǒng)的功能得不到充分發(fā)揮。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)（5）經(jīng)濟(jì)性在滿(mǎn)足SCADA系統(tǒng)性能指標(biāo)（如可靠性、實(shí)時(shí)性、開(kāi)放性）的前提下，盡可能地降低成本，保證性能價(jià)格比較高，為用戶(hù)節(jié)約成本。此外，還要盡可能地提高系統(tǒng)投運(yùn)后的產(chǎn)出，即為企業(yè)創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，這才是SCADA系統(tǒng)的最大作用，也是用戶(hù)最歡迎的。SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則可靠性先進(jìn)性實(shí)時(shí)性開(kāi)放性經(jīng)濟(jì)性可操作性與可維護(hù)性2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)（6）可操作性與可維護(hù)性操作方便表現(xiàn)在操作簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)知識(shí)才能操作，對(duì)于一些升級(jí)的系統(tǒng)，在新系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧原有的操作習(xí)慣。可維護(hù)性體現(xiàn)在維修方便，易于查找和排除故障。系統(tǒng)應(yīng)多采用標(biāo)準(zhǔn)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(cè)點(diǎn)，便于維修人員檢查。另外，有條件的話(huà)，配置故障檢測(cè)與診斷程序，用來(lái)發(fā)現(xiàn)和查找故障。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)堅(jiān)持以人為本是確保系統(tǒng)具有可操作性和可維護(hù)性的重要手段和途徑。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)步驟SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)主要包括三個(gè)部分的內(nèi)容：上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)具體內(nèi)容會(huì)隨系統(tǒng)規(guī)模、被控對(duì)象、控制方式等不同而有所差異，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的基本內(nèi)容和主要步驟大致相同。在進(jìn)行設(shè)計(jì)前，首先要深入了解生產(chǎn)過(guò)程的工藝流程、特點(diǎn)；主要的檢測(cè)點(diǎn)與控制點(diǎn)及它們的分布情況；明確控制對(duì)象所需要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作與功能；確定控制方案；了解用戶(hù)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)是否有特殊的要求；了解用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)安全性與可靠性的需要；了解用戶(hù)的使用和操作要求；了解用戶(hù)的投資概算等。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)在了解以上基本信息后，就可以開(kāi)始總體設(shè)計(jì)。（1）首先要統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中所有的I/O點(diǎn)，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(diǎn)的監(jiān)控要求，如控制、記錄、報(bào)警等。（2）在此基礎(chǔ)上，根據(jù)監(jiān)控點(diǎn)的分布情況確定SCADA系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要包括上位機(jī)的數(shù)量和分布、下位機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵，一個(gè)好的拓?fù)浣Y(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(fù)荷均勻，有利于系統(tǒng)功能的發(fā)揮和穩(wěn)定運(yùn)行。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定后，就可以初步確定SCADA系統(tǒng)中上位機(jī)的功能要求與配置，上位機(jī)系統(tǒng)的安裝地點(diǎn)和監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)；確定下位機(jī)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(gè)方面確定后，編寫(xiě)相應(yīng)的技術(shù)文檔，與業(yè)主及相關(guān)的技術(shù)人員對(duì)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行論證，以?xún)?yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。至此，SCADA系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)就初步完成了。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)了解信息I/O點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上位機(jī)功能要求與配置等下位機(jī)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(jì)在SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，還要注意系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方式，即系統(tǒng)中的一些監(jiān)控功能既能由硬件實(shí)現(xiàn)，也能由軟件實(shí)現(xiàn)。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)現(xiàn)，哪些功能由軟件來(lái)完成。一般采用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)速度比較快，可以節(jié)省CPU的大量時(shí)間，但系統(tǒng)會(huì)比較復(fù)雜、價(jià)格也比較高；采用軟件實(shí)現(xiàn)比較靈活、價(jià)格便宜，但要占用CPU較多的時(shí)間，實(shí)時(shí)性也會(huì)有所降低。2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)所以，一般在CPU時(shí)間允許的情況下，盡量采用軟件實(shí)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(jì)比較困難，則可考慮用硬件完成。硬件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性好系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格高軟件實(shí)現(xiàn)占用CPU時(shí)間多，實(shí)時(shí)性較差價(jià)格便宜靈活性好2.SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作站控制需求工作站的控制需求包括以下幾點(diǎn)：（1）總控單元可對(duì)其他各單元進(jìn)行分布式管理控制；（2）能監(jiān)視工作站的傳感器信號(hào)，控制工作站的相關(guān)執(zhí)行元件；（3）各單元可通過(guò)網(wǎng)線連接通信。控制方案設(shè)計(jì)工作站由PLC作為邏輯控制，總控單元使用兩個(gè)PLC進(jìn)行通信控制，在執(zhí)行單元處單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)PLC進(jìn)行伺服運(yùn)動(dòng)控制