SCADA系统介绍.pdf

1、SCADA系 统 及 其 应 用项 晓 春 刘 广 魁（ 黑 龙 江 省 计 算 中 心 ） （ 北 方 交 通 大 学 ） 摘 要 本 文 介 绍 了 SCADA 系 统 的 基 本 概 念 ， 详 细 分析 了 MOSCAD 系 统 ， 与 PLC、 DCS 系 统 进 行 了 比 较 ，并 给 出 应 用 实 例 。关 键 词 SCADA MOSCADl SCADA 系 统 简 介l.l SCADA 系 统SCADA（ SupervisOr COntrOI And Data Acgui-sitiOn） 系 统 ， 即 监 测 监 控 及 数 据 采 集 系 统 。 它可 以 实 时 采

2、集 现 场 数 据 ， 对 工 业 现 场 进 行 本地 或 远 程 的 自 动 控 制 ， 对 工 艺 流 程 进 行 全 面 、实 时 的 监 视 ， 并 为 生 产 、 高 度 和 管 理 提 供 必 要的 数 据 。SCADA 系 统 主 要 应 用 于 水 利 、 石 油 、 供电 等 行 业 中 ， 用 于 地 理 环 境 恶 劣 无 人 值 守 的环 境 下 进 行 远 程 控 制 。SCADA 系 统 的 主 要 结 构 包 括 远 程 控 制单 元 RTU（ RemOte TerminaI Unit） 、 通 讯 网 络 及中 心 站 。 RTU： 主 要 作 用 是 进 行

3、 数 据 采 集 及 本 地控 制 ， 进 行 本 地 控 制 时 作 为 系 统 中 一 个 独 立的 工 作 站 ， 这 时 RTU 可 以 独 立 的 完 成 连 锁 控制 、 包 括 前 馈 控 制 、 反 馈 控 制 、 PDI 等 工 业 上常 用 的 控 制 调 节 功 能 ； 进 行 数 据 采 集 时 作 为一 远 程 据 通 讯 单 元 ， 完 成 或 响 应 本 站 与 中 心站 与 中 心 站 或 其 它 站 的 讯 和 遥 控 任 务 。它 的 主 要 配 置 有 CPU 模 板 、 I/O 模 板 、 通讯 接 口 单 元 ， 以 及 通 信 机 （ RADIO）

4、、 天 线 、 电源 、 机 箱 等 辅 助 设 备 。RTU能 执 行 的 任 务 流 程 取 决 于 下 载 到CPU 中 的 程 序 ， CPU 的 程 序 可 用 工 程 中 常 用的 编 程 语 言 编 写 ， 如 ： 梯 形 图 、 功 能 块 、 流 程图 、 C 语 言 等 。I/O 模 板 上 的 I/O 通 道 是 RTU 与 现 场 信号 的 接 口 ， 这 些 接 口 在 符 合 工 业 标 准 的 基 础上 有 多 种 样 式 ， 满 足 多 种 信 号 类 型 。 I/O 模板 一 般 都 插 接 于 RTU 的 总 线 板 槽 上 ， 通 过 总线 与 CPU 相

5、 连 。 这 种 结 构 易 于 I/O 模 板 的更 换 和 扩 展 。除 I/O 通 道 外 ， RTU 的 另 一 个 重 要 的 接口 是 RTU 的 通 讯 端 口 ， RTU 具 有 多 个 通 讯 端口 ， 以 便 支 持 多 个 通 讯 链 路 。 系 统 的 通 讯 网 络 ： 主 要 用 于 RTU 与 中心 站 通 讯 及 与 其 它 RTU 通 讯 。链 路 种 类 ， 如 ： 无 线 、 有 线 、 微 波 、 光 纤 。RTU 可 支 持 的 通 信 方 式 为 ： 中 心 站 触 发 的 通信 方 式 和 RTU 触 发 的 通 信 方 式 。中 心 站 触 发

6、的 通 信 方 式 包 括 ：轮 询 方 式 ： 由 系 统 设 置 一 个 时 间 周 期 ， 每隔 一 个 时 间 段 系 统 进 行 一 次 查 询 ， 收 集 中 心站 所 需 要 的 现 场 数 据 。广 播 方 式 ： 由 中 心 站 向 所 有 RTU 或 某 分组 内 的 RTU 下 发 命 令 。控 制 命 令 下 发 方 式 ： 如 下 发 开 、 关 控 制 命令 ， 修 改 报 警 及 控 制 权 限 ， 在 通 讯 上 有 较 高 的优 先 级 。RTU 触 发 的 通 信 方 式 包 括 ： 事 件 触 发 方式 ， 突 发 传 输 方 式 ， RTU 对 RTU

7、的 通 讯 。RTU 可 以 在 程 序 中 根 据 现 场 情 况 设 置 条 件 ，以 便 在 非 常 情 况 下 中 心 站 突 发 数 据 ， 这 种 突发 方 式 在 通 讯 中 有 较 高 的 传 输 优 先 级 。 RTU与 RTU 之 间 也 可 以 进 行 数 据 传 输 ， 这 种 数 据传 输 要 靠 编 程 来 实 现 。 中 心 站 ： 中 心 站 是 一 个 局 域 网 ， 可 包 含9l自 动 化 技 术 与 应 用 VOI.l9， NO.6 2000 年 第 6 期多 个 工 作 站 和 支 持 网 络 功 能 的 设 备 ， 以 完 成不 同 的 工 作 。

8、它 通 过 中 心 站 软 件 管 理 系 统 数据 库 ， 每 个 人 工 作 站 通 过 组 态 画 面 监 测 现 场站 点 ， 下 发 控 制 命 令 进 行 控 制 ， 并 完 成 工 况图 、 统 计 曲 线 、 报 表 等 SCADA 软 件 的 标 准 功能 。综 上 所 述 ， SCADA 系 统 具 有 以 下 功 能 ：!数 据 采 集!本 地 和 远 程 控 制!多 种 通 讯 介 质 联 接!易 于 重 新 配 置!本 地 和 远 程 诊 断系 统 结 构 如 图 l：图 l SCADA 系 统 总 体 结 构 示 意 图系 统 工 作 过 程 如 下 ： 中 心 站

9、 通 过 组 态 软件 （ 如 ： 工 况 图 、 趋 势 图 等 ） 监 视 现 场 的 工 作 情况 ， 监 控 数 据 来 源 于 中 心 站 定 期 轮 询 和 RTU的 主 动 突 发 。 而 且 中 心 站 可 以 下 发 控 制 命令 ， 仅 当 这 时 RT 响 应 中 心 站 的 控 制 命 令 ， 其它 时 候 ， RTU 独 立 的 按 照 自 己 的 程 序 流 程 进行 数 据 I/O、 发 出 和 响 应 通 讯 任 务 、 完 成 逻 辑和 控 制 功 能 。 如 查 中 心 站 和 下 位 机 协 议 不 相同 时 ， 前 端 接 口 单 元 FIU（ Fron

10、t - End interfaceUnit） 用 来 进 行 协 议 转 换 ， 如 果 协 议 相 同 ， 则不 需 要 FIU。l.2 SCADA 与 PLC、 DCS 系 统 的 比 较PLC 系 统 ， 即 可 编 程 控 制 器 ， 适 用 于 工 业现 场 的 测 量 控 制 ， 现 场 测 控 功 能 强 ， 性 能 稳定 ， 可 靠 性 高 ， 技 术 成 熟 ， 使 用 广 泛 ， 价 格 合理 ， 但 只 局 限 于 有 线 通 信 场 合 。DCS 系 统 ， 即 集 散 式 控 制 系 统 ， 属 90 年代 国 际 先 进 水 平 大 规 模 控 制 系 统 。 它

11、适 用 于测 控 点 数 多 、 测 控 精 度 高 、 测 控 速 度 快 的 工 业现 场 ， 其 特 点 是 分 散 控 制 和 集 中 监 视 ， 具 有 组网 通 信 能 力 、 测 控 功 能 强 、 运 行 可 靠 、 易 于 扩展 、 组 态 方 便 、 操 作 维 护 简 便 ， 但 系 统 的 价 格昂 贵 。SCADA 系 统 ， 即 分 布 式 数 据 采 集 和 监 控系 统 ， 属 中 小 规 模 的 测 控 系 统 。 它 集 中 了PLC 系 统 的 现 场 测 控 功 能 强 和 DSC 系 统 的 信息 的 系 统 共 享 和 组 网 通 信 能 力 的 两

12、 大 优 点 ，性 能 价 格 比 高 ， 尤 其 MOSCAD 系 统 ， 既 可 配有 限 通 信 系 统 ， 又 可 配 无 线 通 信 系 统 ， 而 无 线通 信 系 统 尤 为 适 合 地 域 广 阔 的 应 用 环 境 。2 产 品 举 例 MOSCAD 产 品 是 MOTOROLA 公 司 设计 、 生 产 的 最 新 一 带 SCADA 产 品 。 它 的 核 心是 32 位 CPU 和 32 位 数 字 协 处 理 器 ， 具 有 极强 的 运 算 处 理 能 力 。 它 集 完 备 的 本 地 测 控 功能 和 完 善 的 网 络 通 信 功 能 与 一 体 ， 其 独

13、特 的网 络 通 信 协 议 MOSCAD 的 数 据 链 路 通 讯协 议 MDLC（ MOSCAD Date Link Communica-tion） 能 保 证 在 极 其 亚 劣 的 电 磁 环 境 中 十 分 可靠 的 通 信 。 MOSCAD 远 程 终 端 设 备 （ RTU） 是 用 功能 很 强 的 微 处 理 器 和 软 件 制 造 的 ， 被 优 化 设计 用 于 对 远 端 设 备 的 监 视 和 控 制 。 它 具 有 本地 处 理 和 控 制 能 力 。 每 个 RTU 可 作 为 一 个独 立 的 设 备 工 作 ， 根 据 从 本 地 和 远 距 离 得 到的

14、状 态 、 条 件 和 数 值 执 行 本 地 功 能 ， 或 与 其 他单 元 交 换 信 息 。 MOSCAD RTU 采 用 模 块 化 结 构 ， 除 CPU02 SCADA系 统 及 其 应 用模 块 外 ， 还 有 各 种 数 字 量 输 入 /输 出 ， 模 拟 量输 入 /输 出 及 混 合 型 输 入 /输 出 模 块 ， 及 其 他特 殊 功 能 模 板 。 MOSCAD RTU 可 支 持 不 同 的 通 信 链 路如 ： 常 规 无 线 VHF/UHF 信 道 ， DFM（ DirectlyFreguency MOdulatiOn） RADIO， 集 群 RADIO，有

15、 限 信 道 包 括 专 线 和 租 用 线 路 ， 模 拟 微 波 、 数字 微 波 、 公 用 服 务 电 话 网 及 LAN 和 串 行 口 通信 。 系 统 采 用 的 通 信 协 议 ： 支 持 多 协 议 ， 包括 系 统 本 身 自 带 的 MDLC 协 议 ， 控 制 中 常 用的 MODBUS 协 议 ， A - B 公 司 的 PLC 协 议 以及 TCP/IP 协 议 ， 并 可 由 FIU 进 行 协 议 之 间 的转 换 。 MDLC 是 优 化 设 计 用 于 点 到 多 点 的 通信 网 络 如 无 线 网 络 或 MULTIDROP 链 路 中 ， 它不 是 用

16、 于 点 到 点 的 通 讯 网 络 的 。 这 一 协 议 保证 了 覆 盖 范 围 广 阔 的 网 络 之 内 的 节 点 间 能 够准 确 有 效 的 通 信 。 符 合 ISO 推 荐 的 七 层 标 准OSI 的 高 效 协 议 。MDLC是 专 为 无 线 电 使 用 开 发 的 ， 通 过 采 用先 进 的 数 据 包 发 送 技 术 ， 允 许 在 RTU 和 中 央计 算 机 之 间 传 输 大 量 数 据 。 依 靠 MDLC 协 议中 灵 活 的 数 据 帧 ， 接 收 点 只 要 求 重 新 发 送 失去 的 或 不 正 确 的 帧 。 这 样 做 就 不 需 要 重

17、复 发送 已 正 确 接 收 的 帧 ， 可 最 有 效 的 利 用 空 中 时间 。 MDLC 可 以 根 据 环 境 条 件 改 变 通 信 帧长 ， 将 受 环 境 干 扰 的 可 能 降 至 最 低 的 限 度 。可 在 同 一 频 点 的 无 线 通 道 上 工 作 ， 节 省 频 点 ，而 MDLC 保 证 了 其 通 讯 质 量 的 可 靠 。 支 持 无 线 与 无 线 链 路 、 无 线 与 有 线 链路 、 有 线 不 同 链 路 之 间 的 存 储 转 发 。 系 统 在初 始 状 态 时 ， 进 行 一 项 路 由 配 置 ， 当 系 统 正 常运 行 时 ， 存 储

18、转 发 会 自 动 进 行 。 通 过 增 加 中继 站 对 信 息 进 行 存 储 转 发 ， 扩 大 系 统 覆 盖 范围 ， 同 时 中 继 站 可 对 不 同 协 议 进 行 转 换 ， 使 多个 物 理 链 路 可 以 透 明 通 信 。 系 统 还 具 有 远 程 编 程 、 诊 断 、 监 视 的 能力 。 除 本 地 进 行 的 基 本 RTU 配 置 外 ，MOSCAD 的 编 程 工 具 箱 可 以 通 过 与 它 相 连 的RTU 访 问 到 系 统 的 任 何 一 个 RTU 并 对 它 们进 行 远 程 的 组 态 、 程 序 上 传 和 下 载 ； 硬 件 诊断 ；

19、 实 时 数 据 监 控 。 此 外 ， 利 用 集 群 无 线 电 进 行 语 音 和 数 据的 传 输 ， 也 是 得 益 于 MDLC 的 强 大 功 能 。 中 心 站 软 件 可 用 PCSOFT 公 司 的 WIZ-CON SCADA 软 件 包 进 行 开 发 ， 基 于 WIN-DOWS 95 操 作 系 统 、 具 有 2 位 体 系 结 构 、 支持 事 件 驱 动 、 多 任 务 和 多 线 程 等 先 进 技 术 。 通 讯 分 有 不 同 优 先 级 ， 以 便 重 要 的 数 据能 够 快 速 、 准 确 的 传 输 ， 而 且 在 中 心 站 轮 询 采集 时 ，

20、 采 取 COS（ Change Of Status） 方 式 或 可 选方 式 ， 以 便 对 变 化 大 的 数 据 采 集 ， 对 变 化 不 大的 数 据 不 进 行 采 集 ， 优 化 了 信 道 （ 尤 其 是 无 线信 道 ） 的 吞 吐 量 ， 减 小 系 统 负 荷 ， 系 统 通 信 更加 实 时 、 快 速 、 可 靠 。应 用 示 例SCADA 系 统 在 供 水 调 度 行 业 中 的 应 用 ：供 水 高 度 系 统 大 致 上 有 二 种 方 案 选 择 ，一 是 在 PLC 系 统 上 扩 展 通 信 组 网 能 力 ， 一 是选 用 SCADA 系 统 。PL

21、C， 即 可 编 程 控 制 器 ， 它 起 源 于 工 厂 、车 间 的 生 产 过 程 控 制 ， 现 场 本 地 测 控 能 力 强 ，性 能 稳 定 ， 可 靠 性 高 ， 技 术 成 熟 ， 使 用 广 泛 ， 价格 合 理 ， 适 用 于 工 业 现 场 的 测 量 控 制 。 但 它只 局 限 于 有 线 通 信 组 网 场 合 。 虽 然 近 年 来 各大 PLC 厂 商 在 其 原 有 设 备 基 础 上 选 配 一 些第 三 方 设 备 增 强 了 其 通 信 组 网 能 力 ， 也 得 到一 些 应 用 ， 但 由 于 其 无 法 从 系 统 设 计 阶 段 就考 虑 到

22、 网 络 协 议 的 合 理 性 、 可 行 性 ， 因 此 对 于复 杂 的 网 络 结 构 ， 多 媒 体 的 通 信 要 求 ， 恶 劣 的工 作 环 境 就 显 得 力 不 从 心 。SCADA 系 统 ， 监 控 和 数 据 采 集 系 统 ， 属中 小 规 模 的 测 控 系 统 。 它 集 中 了 PLC 的 现场 测 控 功 能 强 和 组 网 通 信 能 力 强 这 两 大 优点 ， 其 信 道 既 可 配 有 线 通 信 系 统 又 可 配 无 线12自 动 化 技 术 与 应 用 VOl.19， NO.6 2000 年 第 6 期通 信 系 统 ， 性 能 价 格 比 高

23、 ， 而 无 线 通 信 系 统 尤其 适 合 于 地 域 广 阔 的 应 用 环 境 。因 此 ， 对 于 现 代 化 供 水 系 统 ， 选 用 SCA-DA 系 统 是 合 理 的 选 择 。广 州 自 来 水 公 司 采 用 MOTOROLA 公 司的 MOSCAD（ Motorola SCADA） 系 统 和 AB 公 司的 PLC 监 测 水 厂 生 产 过 程 ， 利 用 现 有 的 MO-TOROLA 集 群 通 信 系 统 ， 实 现 语 音 ， 数 据 一 体化 的 生 产 高 度 与 管 理 。 PLC - 生 产 现 场 、MOSCAD RTU- PLC - 生 产 现

24、 场 这 两 个 子 系统 被 完 美 的 融 于 一 个 SCADA 系 统 中 ， 为 自 来水 公 司 整 个 生 产 调 度 、 监 控 、 管 理 系 统 奠 定 了可 靠 的 技 术 基 础 。系 统 工 作 过 程 如 下 ：MCP- M 是 控 制 中 心 与 远 程 终 端 通 过 无线 电 相 连 的 前 端 处 理 单 元 。 远 程 终 端 中 RTU检 测 自 来 水 中 各 种 参 数 并 将 其 通 过 无 线 网 络传 输 至 控 制 中 心 ； 另 一 个 RTU 通 过 其 串 行 口与 AB 的 PLC 通 信 （ 通 信 协 议 为 主 从 式 MOD-

25、BUS 协 议 ， RTU 为 主 ， PLC 为 从 ） ， 并 将 获 得 的数 据 通 过 无 线 网 络 传 输 至 控 制 中 心 。 控 制 中心 运 用 Wizcon 工 控 组 态 软 件 完 成 监 控 功 能 ，中 心 可 向 RTU 发 送 命 令 及 查 询 要 求 ， 并 能 通过 无 线 信 道 向 RTU 下 装 整 个 数 据 库 、 应 用 软件 和 参 数 。控 制 中 心 与 远 程 终 端 之 通 800Mhz 频 段集 群 无 线 通 信 ， MDLC 通 信 协 议 被 用 于 这 个通 信 中 。系 统 结 构 如 下 图 ：结 束 语MOSCAD

26、 已 被 广 泛 使 用 在 现 场 环 境 恶劣 ， 无 人 值 守 的 系 统 中 进 行 控 制 ， 获 得 了 可 观的 经 济 效 益 。 随 着 国 家 西 部 开 发 战 略 的 进 一步 深 入 ， 西 部 广 袤 的 地 域 和 复 杂 的 环 境 为SCADA系 统 提 供 了 广 阔 的 应 用 前 景 ， 相 信SCADA 系 统 必 将 日 益 广 泛 的 应 用 在 西 部 经济 建 设 的 各 行 各 业 中 。参 考 文 献 l 周 京 阳 等 ， 能 理 管 理 系 统 之 第 三 讲 - 数 据 收 集 与 监 视 （ SCADA） ，l997。 2 北 京 塞 特 雷 特 科 技 有 限 责 任 公 资 料 ， l998!。（ 上 接 53 页 ）参 考 文 献 l 郑 锦 聪 哈 尔 滨 工 程 大 学 。 2 孙 增 忻 著 清 华 大 学 出 版 社 。 3 谭 浩 强 编 著 清 华 大 学 出 版 社 。 徐 士 良 编 著 清 华 大 学 出 版 社 。 5 施 阳 著 西 北 工业 大 学 出 版 社 。 6 薛 定 宇 著 清 华 大 学 出 版 社 。22 SCADA系 统 及 其 应 用