第5章 SCADA系统

1、SCADA系统叶迎春22022-2-97 SCADA系统基础知识 目录SCADA系统简介SCADA系统组成与功能SCADA系统典型架构 SCADA应用领域SCADA应用实例32022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统简介1、什么是、什么是SCADA系统？系统？SCADA：Supervisory Control And Data Acquisition，即数据采集与监控系统。 数据采集：将（站场上的压力温度流量阀位等）参数变成直观的数字显示出来的过程。监控：远程监视控制。它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。功能：实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警

2、等。42022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统简介2、SCADA系统的发展历程系统的发展历程 SCADA系统发展到今天已经经历了四个阶段：形成阶段：SCADA概念形成与20世纪60年代。成型阶段：SCADA系统成型于70年代，基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统 。功能阶段：80年代基于通用计算机的SCADA系统。 网络阶段：90年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术，能够实现大范围联网的SCADA。52022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统简介3、SCADA系统发展方向系统发展方向 SCADA系统在不断完善，不断发展，其技术进步

3、一刻也没停止过。当今，随着电力系统、铁道气化系统、供水系统、供气系统需求的提高以及计算机技术的发展，为SCADA系统提出新的要求，概括地说，有以下几点：（1）SCADA系统于其它系统的广泛集成；（2）专家系统、模糊决策、神经网络等新技术研究的应用；（3）面向对象技术、Internet技术及JAVA技术的应用；62022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统简介4、SCADA系统在我国管道管理中的应用系统在我国管道管理中的应用80年代末东营-黄岛输油管道1992年投产的轮南-库尔勒管道1997年投产的库尔勒一鄯善输油管道2002年投产的兰成渝成品油管道2004年投产的西气东输管道 2

4、005年投产的西南成品油管道2007年投产的西部原油管道72022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统简介监控中心监控中心控制柜控制柜82022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统简介控制中心监控主界面控制中心监控主界面输送管线主流程图输送管线主流程图92022-2-97 SCADA系统基础知识 目录SCADA系统简介SCADA系统组成与功能SCADA系统典型架构 SCADA应用领域SCADA应用实例102022-2-97 SCADA系统基础知识系统基础知识 SCADA系统组成结构系统组成结构2.1 SCADA组成结构组成结构系统结构：三层结构，它包括调度中心、通信

5、处理机和RTU。网络结构：在网络中的所有用户可以共享全部或部分信息资源，实现硬件、软件和数据共享。硬件配置：SCADA主机、操作员工作站、打印机、数据库、UPS电源、通信处理机、网络服务设备、现场仪表。软件配置：操作系统软件、SCADA系统软件、应用软件。112022-2-97 SCADA系统基础知识系统基础知识 SCADA系统组成结构系统组成结构2.1 SCADA组成结构组成结构系统结构：三层结构，它包括调度中心、通信处理机和RTU。网络结构：在网络中的所有用户可以共享全部或部分信息资源，实现硬件、软件和数据共享。硬件配置：SCADA主机、操作员工作站、打印机、数据库、UPS电源、通信处理机

6、、网络服务设备、现场仪表。软件配置：操作系统软件、SCADA系统软件、应用软件。122022-2-97 SCADA系统基础知识系统基础知识 SCADA系统组成结构系统组成结构2.1 SCADA组成结构组成结构系统结构：三层结构，它包括调度中心、通信处理机和RTU。网络结构：在网络中的所有用户可以共享全部或部分信息资源，实现硬件、软件和数据共享。硬件配置：SCADA主机、操作员工作站、打印机、数据库、UPS电源、通信处理机、网络服务设备、现场仪表。软件配置：操作系统软件、SCADA系统软件、应用软件。132022-2-97 SCADA系统基础知识系统基础知识 SCADA系统组成结构系统组成结构2

7、.2 SCADA系统结构系统结构142022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构2.3 SCADA网络结构网络结构152022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构2.4.1控制中心控制中心CCS2.4.2站控系统站控系统SCS2.4.3现场仪表现场仪表2.4.4通讯系统通讯系统2.4 SCADA硬件结构硬件结构162022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构SCADA系统最高级别的一层；负责采集站控系统的数据及系统数据库的生成，对整个系统的工艺生产进行管理，优化，决策及控制；调控中心负责对全线进行集中监视、控制和调度管理。是长输

8、管线SCADA系统的核心，一般位于管道的总调度室；总调下面设置若干分控制中心，具有监控功能。2.4.1控制中心：控制中心：172022-2-9182022-2-9192022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构SCADA系统服务器管线调度员工作站工程师站交换机域控服务器Web服务器及防火墙激光打印机、大屏幕投影仪以太网接口，通讯采用局域网202022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构1.监视各站的工作状态及设备运行情况，采集各站主要运行数据和状态信息。2.根据操作人员的要求或控制软件的要求向PLC发出操作指令，对各站进行遥控。3. 根据操作人员的要

9、求，在显示屏幕上随时提供有关管道系统运行状态的图形显示及历史数据的存储、比较和趋势显示。 212022-2-94.在显示终端上进行操作人员培训。5、按规定时间间隔记录和打印各站的主要运行状态的图形显示及历史资料的比较和趋势显示、报表等。6.记录管道系统所发生的重大事情的报警、操作指令等。7 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构222022-2-97.报表生成和打印8.运行相关应用软件，对水击、检漏、清管、批量跟踪等工况进行检测、控制，进行数据分析、处理，系统优化模拟、调度决策指导等。9.时钟同步功能7 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构232022-2-9控制中心的结构控

10、制中心的结构242022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构2.4.1控制中心控制中心CCS2.4.2站控系统站控系统SCS2.4.3现场仪表现场仪表2.4.4通讯系统通讯系统2.4 SCADA硬件结构硬件结构252022-2-92.4.2站控系统：站控系统：站按设备及功能可分为泵站、集输泵站和分输泵站，按位置可分为首站、末站、中间站。站控系统是指它们的中央控制系统。它除了要对站内重要设备的控制系统进行监控和协调以外，还要完成许多功能，如与调控中心的数据传输等。7 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构262022-2-9过程变量巡回检测和数据处理，压力、温度、差

11、压；向控制中心报告经选择的数据和报警；提供运行状态、工艺流程、动态数据的画面、图像显示、报警、存储、记录、打印；除执行控制中心的控制命令外，还可独立进行工作，实现P&ID及其他控制，如进站、出站压力远程控制；实现流程切换；进行自诊断程序，并把结果报告控制中心；可燃气体浓度检测与消防设施状态检测；站场与线路阴极保护参数检测与记录；提供给操作人员操作记录和运行报告。站控系统功能：7 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构272022-2-9PLC/RTU系统系统工作站及软件系统工作站及软件系统计量系统计量系统可燃气体报警系统可燃气体报警系统UPS系统系统网络设备网络设备 交换机交换机其他外

12、设其他外设 如打印机、传真机如打印机、传真机站控系统的组成：站控系统的组成：7 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构282022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构292022-2-9PLC：可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。 PLC的硬件组成与微型计算机相似，其主机由CPU板、存储器、输入输出（IO）接口、电源等几大部分组成；可配备如编程器、图形显示器、通信接口等外部设备。7 SCADA系统基础知识 SCA

13、DA系统组成结构302022-2-9ABB (AC800F)西门子(PLC)AB (PLC)7 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构312022-2-9远程终端单元（远程终端单元（RTU）是一个术语，用来描述不仅能用）是一个术语，用来描述不仅能用就地控制层，是实现现场数据采集、计量、报警、停车就地控制层，是实现现场数据采集、计量、报警、停车保护、控制、显示与打印的黑匣子。它作为保护、控制、显示与打印的黑匣子。它作为SCADA系系统现场终端能按要求实时向主站发送信息，并接收来自统现场终端能按要求实时向主站发送信息，并接收来自主站的控制指令与信息，实现远程控制。各种主站的控制指令与信息，

14、实现远程控制。各种SCADA系统中所应用的系统中所应用的RTU功能与组成各不相同。功能与组成各不相同。RTU：7 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构322022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构332022-2-9起源不同:PLC起源于生产线自动化。主要应用于机械设备生产线。主要以顺序逻辑控制为主，主要的IO为DI和DO。RTU起源于石油天然气生产。由于石油天然气生产设备比较分布、且数量众多、环境恶劣。2、功能不同PLC主要用于室内的生产线，或站控制系。RTU主要用于室外生产控制设备。PLC与RTU：7 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构3420

15、22-2-93、通讯能力不同PLC一般是单机使用，或和本系列的产品使用。和其它产品之间的通讯比较麻烦。一般只支持本公司的通讯协议。RTU一般做为SCADA系统的一个部分，随着系统的增大系统中可能会有不同厂家的RTU。因此要求RTU具有通用的通讯协议。同于RTU大多以无线方式与中控室通讯，因此RTU能很好的支持无线通讯设备（电台、无线以太网、GPRS、CDMA等）4、使用场合不同PLC主要用于：生产线、流水线、部分厂站、配电系统、机床控制等。RTU主要用于：石油天然气生产、管道、城市天然气管网、供水管网、环境监测等。随意技术的融合，PLC也能做部分RTU的事情、RTU与可以完成PLC的工作。7

16、SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构352022-2-9C 站控软件介绍：用户登录主菜单介绍监视功能开关阀画面自动收发球报警事件362022-2-9372022-2-9382022-2-9392022-2-9电动阀操作402022-2-9收球控制412022-2-9报警有新报警产生时，报警栏闪烁，提示操作员有报警产生。报警的级别可以通过颜色来辨别：紧急报警为红色，高报为黄色，低报为灰色。422022-2-9事件提供实时显示和打印功能。能够如实的反映以前所发生的每一件事情，例如：电动阀何时开，操作员何时登录、又何时退出的，所有的报警极其对报警的确认都记录在事件里，既任一操作员在他值班时

17、间里所执行的动作都可在事件里反映出来。432022-2-9PLC/RTU系统系统工作站及软件系统工作站及软件系统计量系统计量系统可燃气体报警系统可燃气体报警系统UPS系统系统网络设备网络设备 交换机交换机其他外设其他外设 如打印机、传真机如打印机、传真机站控系统的组成：站控系统的组成：7 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构442022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构2.4.1控制中心控制中心CCS2.4.2站控系统站控系统SCS2.4.3现场仪表现场仪表2.4.4通讯系统通讯系统2.4 SCADA硬件结构硬件结构452022-2-9462022-2-9按安

18、装位置分为：按安装位置分为：就地显示仪表：压力表、双金属温度计等；远传仪表：通过测量、变送再经电缆或引压管线、光纤远传到控制室显示；以控制室为界分为：一次仪表和； 二次仪表；2.4.3 常用检测仪表：常用检测仪表：按检测参数分四大类：温度仪表、压力仪表、液位仪表和流量仪表7 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构472022-2-9安装在现场，用于测量、变送的仪表称为“一次仪表”，如压力变送器、温度变送器（热电阻、热电偶）等。一次仪表：一次仪表：7 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构482022-2-9安装在值班室，用于显示、记录的仪表称为“二次仪表”，如单针指示仪、数字显

19、示仪、记录仪等。二次仪表二次仪表7 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构492022-2-97 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构2.4.1控制中心控制中心CCS2.4.2站控系统站控系统SCS2.4.3现场仪表现场仪表2.4.4通讯系统通讯系统2.4 SCADA硬件结构硬件结构502022-2-92.4.4通信网络通信网络 通信网络实现SCADA系统的数据通信，是SCADA系统的重要组成部分。与一般的过程监控相比，通信网络在SCADA系统中扮演的作用更为重要，这主要因为SCADA系统监控的过程大多具有地理分散的特点，如无线通信机站系统的监控。7 SCADA系统基础知识

20、SCADA系统组成结构512022-2-9（1）上位机系统：）上位机系统：主要是连接上位机、服务器、通信设备、打印设备的局域网络。上位机还可以设置WEB服务器，提供远程监控网络。（2）下位机系统：下位机系统：包括连接I/O设备与控制器的现场总线，各种设备级总线等。（3）通信网络：通信网络：这部分网络最复杂，形式最多样，是SCADA系统的重要特点。网络形式：Internet、Intranet。通信方式GPRS：光纤、GPRS等。7 SCADA系统基础知识 SCADA系统组成结构522022-2-97 SCADA系统基础知识 目录SCADA系统简介SCADA系统组成与功能SCADA系统典型架构 S

21、CADA应用领域SCADA应用实例532022-2-9 SCADA系统的发展经历了集中式SCADA系统阶段、分布式SCADA系统阶段和网络式SCADA系统三个阶段。 集中式：采用集中式的处理方式，即将所有的功能集中在一个节点上(数据采集、数据处理和数据展示)，我们称之为单机模式。 分布式：单机模式的扩展，可以实现客户和服务器之间交叉访问。 网络式：以各种网络技术为基础，控制结构更加分散化，信息管理更集中。以CS结构为主，BS结构主要是为了支持Internet应用，以满足远程监控的需要。7 SCADA系统基础知识 SCADA系统典型架构542022-2-9 与第二代SCADA系统相比，第三代SC

22、ADA系统在结构上更加开放，兼容性更好，可以无缝集成到全厂综合自动化系统中。 由于SCADA系统的规模可以从几百点到几万点，用户对SCAD系统的需求是多样的，因此对其系统架构提出了很高的要求。 7 SCADA系统基础知识 SCADA系统典型架构552022-2-9客户机服务器结构：客户机服务器结构： CS结构中客户机和服务器之间的通信以“请求响应”的方式进行。客户机先向服务器发出请求，服务器再响应这个请求。 在SCADA系统中，当SCADA服务器向PLC/RTU请求数据时，它是客户机，而当其他操作站向SCADA服务器请求服务时，它就是服务器。显然，这种结构可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务

23、合理分配到客户端和服务器端来实现，降低了系统的通讯开销。 7 SCADA系统基础知识 SCADA系统典型架构562022-2-9浏览器浏览器/ /服务器结构：服务器结构： 随着Internet的普及和发展，以往的主机终端和CS结构都无法满足当前的全球网络开放、互连、信息随处可见和信息共享的新要求，于是就出现了BS型结构。7 SCADA系统基础知识 SCADA系统典型架构572022-2-9 BS结构最大特点是： 用户可以通过浏览器去访问Internet上的文本、数据、图像、动画、视频点播和声音信息； 信息都是由许许多多的Web服务器产生的，而每一个Web服务器又可以通过各种方式与数据库服务器连

24、接，大量的数据实际存放在数据库服务器中。 这种结构的最大优点是：客户机统一采用浏览器，这不仅让用户使用方便，而且使得客户端不存在维护的问题。 7 SCADA系统基础知识 SCADA系统典型架构582022-2-93、两种结构比较、两种结构比较（1）BS模式的优点和缺点模式的优点和缺点BS结构的优点表现在： 具有分布性特点，可以随时随地进行查询、浏览等业务处理。 业务扩展简单方便，通过增加网页即可增加服务器功能。 维护简单方便，只需要改变网页，即可实现所有用户的同步更新。 开发简单，共享性强。7 SCADA系统基础知识 SCADA系统典型架构592022-2-9BS 结构的缺点表现在： 个性化特

25、点明显降低，无法实现具有个性化的功能要求。 操作是以鼠标为最基本的操作方式，无法满足快速操作的要求。 页面动态刷新，响应速度明显降低。 功能弱化，难以实现传统模式下的特殊功能要求。7 SCADA系统基础知识 SCADA系统典型架构602022-2-9（2）CS模式的优点和缺点模式的优点和缺点CS结构的优点表现在： 由于客户端实现与服务器的直接相连，没有中间环节，因此响应速度快。 操作界面漂亮、形式多样，可以充分满足客户自身的个性化要求。 CS结构的管理信息系统具有较强的事务处理能力，能实现复杂的业务流程。 7 SCADA系统基础知识 SCADA系统典型架构612022-2-9CS结构的缺点表现

26、在：结构的缺点表现在： 需要专门的客户端安装程序，分布功能弱，针对点多面广且不具备网络条件的用户群体，不能够实现快速部署安装和配置。 兼容性差，对于不同的开发工具，具有较大的局限性。若采用不同工具，需要重新改写程序。 开发成本较高，需要具有一定专业水准的技术人员才能完成。 7 SCADA系统基础知识 SCADA系统典型架构622022-2-97 SCADA系统基础知识 目录SCADA系统简介SCADA系统组成与功能SCADA系统典型架构 SCADA应用领域SCADA应用实例632022-2-9电力系统中应用：作为与EMS系统最重要子系统，已经成为电力调度不可缺少的工具。铁道气化运动系统上的应用

27、：保证电气化铁路的安全可靠供电，提高铁路运输的调度管理水平。给水排水工程：目前计算机监控系统分水公司调度管理级、厂站调度控制级和车间控制级三个层次。石油、化工等领域：输油、输气管道。7 SCADA系统基础知识 SCADA系统应用领域642022-2-97 SCADA系统基础知识 目录SCADA系统简介SCADA系统组成与功能SCADA系统典型架构 SCADA应用领域SCADA应用实例652022-2-95.1 系统概述系统概述 城市燃气有限公司拥有天然气配气门站一座，中高压调压站3座，阀室6座，区域和专用调压站、柜400余座，中、低压天然气管网500余公里，拥有近10万居民用户和工福户400余

28、户。包括以下几个部分：包括以下几个部分：（1）调度中心1个；（2）配气门站站控系统；（3）有人值守调压站（柜）3座，站控系统；（4）阀室6个RTU终端；（5）无人值守调压站（柜）5座RTU终端；（6）民用户16座RTU终端；（7）工福户10座RTU终端；城市燃气SCADA系统应用662022-2-95.2 系统网络结构：系统网络结构： 城市燃气SCADA系统是采用以计算机网络为核心构成三级式的监控和数据采集系统。系统网络中的主要元素为调度监控中心、高压输配门站、远程站（高/中压调压站、区域和专用调压站、调压箱、阀室）。本系统为三级分布式控制系统：本系统为三级分布式控制系统：一级：调度中心为系统

29、控制管理级，负责数据的处理和监控。二级：带有本地站控系统的门站和高中压调压站为系统过程控制级，负责现场数据采集和设备控制。三级：分布于各个管网端站的RTU为远程检测控制级。网络：系统通过有线或有线通讯网络有机地结合在一起构成一个完整的数据采集和监控系统。 城市燃气SCADA系统应用672022-2-95.3 整个系统网络图：整个系统网络图：城市燃气SCADA系统应用682022-2-95.4 调度中心网络图：调度中心网络图：城市燃气SCADA系统应用692022-2-95.5 门站、有人值守调压站网络图：门站、有人值守调压站网络图：城市燃气SCADA系统应用702022-2-95.6 无值守调

30、压站网络图：无值守调压站网络图：城市燃气SCADA系统应用712022-2-95.7 通讯方式：通讯方式： 在调度控制中心、门站、高中压调压站采用有线（光纤）为主，无线（GPRS）为备用的组网方式，以保证这些重要站点通讯的可靠性、稳定性。在数据吞吐量较小、实时性要求不高、有线通讯网络覆盖不到或单独为此敷设线路不经济的区域或站点如：各类调压站、中/低压站、调压箱、管网监测点等）仅采用无线（GPRS）的通讯方式。城市燃气SCADA系统应用722022-2-95.8 软件产品：软件产品： 本系统选用Wonderware公司的INTOUCH软件作为二次开发的组态平台，Wonderware是全球最大的工

31、控软件公司之一，提供全面的工业企业解决方案，与IndustrialSQL Server和SuiteVoyager相配合，可以无缝地实现与管理信息系统的链接。 软件产品分配表如下表：城市燃气SCADA系统应用732022-2-95.9 系统功能：系统功能：本系统的主要功能如下：本系统的主要功能如下：数据采集和处理。全线输气系统及各站的启动和停输。数据的显示包括工艺流程的动态显示，趋势图显示。 报警显示、管理以及事件的查询、打印。将数据传送到历史数据库中。为其它管理系统如模拟仿真系统、MIS、GIS、Call Center等提供平台接口，进行数据交换、数据共享，实现与GIS、MIS或Call Ce

32、nter等系统的集成。城市燃气SCADA系统应用742022-2-95.10 显示功能：显示功能： 调度中心对采集到的各种数据，在显示屏上以画面、报表、图像的形式动态显示系统的工艺过程、参数、设备状态。显示屏幕上可以显示当前监测的数据，亦可显示历史数据（趋势曲线）；显示时，可以通过颜色变化、百分比、色标填充等手段增强画面的可视性。城市燃气SCADA系统应用752022-2-95.11 数据存档功能：数据存档功能： 本系统的数据库采用Wonderware的IndutrialSQL Server数据库，它是适用于工厂数据的高性能的实时关系数据库，内嵌Mircosoft SQL Server，他们之

33、间的集成时完美无缝的。在远程客户端，可以使用于Mircorosoft SQL Server相同的访问工具和方法直接访问IndutrialSQL Server。 本系统中，INSQL SERVER直接从IOSERVER上读取实时数据进行储存，储存周期为30秒，这种方式下，只需要运行采集服务器（IOSERVER），工程师站和操作员站运行是否都不会影响历史数据的储存，从而保证了历史数据的完整和可靠性。 客户端可以通过ODBC直接进行访问和查询。对于未进行采集的数据可提供一个数据录于窗口进行补录。城市燃气SCADA系统应用762022-2-95.12 简单调度元素的分析：简单调度元素的分析： 调度中心系统是整个系统的管理中枢，而调度人员又是调度中心系统的执行者，因此如果调度系统能够为调度人员提供一些参考信息，帮助调度人员更加科学、合理管理整个管网的运行，将会节约能源，减少不必要的浪费，增加经济效益。例如，根据现场上传的运行数据，经过计算分析，可以得出高峰段用气量。通过分析能够提供以下信息：l 计算管网动态量比；l 计算日、月、年累计流量；l 计算长输管线输差率； l 计算管网平均压力、最低点压力；l 计算高峰段的用气量；城市燃气SCADA系统应用772022-2-95.13 数据统计