SCADA簡介

早期的SCADA運(yùn)行與DOS,UNIX，VMS。現(xiàn)在多數(shù)運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)中，有的可以運(yùn)行在Linux系統(tǒng)。

SCADA不只是應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如鋼鐵、電力、化工，還廣泛用于食品，醫(yī)藥、建筑、科研等行業(yè)。其連接的I/O通道數(shù)從幾十到幾萬不等。下面就其結(jié)構(gòu)、功能、接口、開發(fā)工具等方面予以介紹。

SCADA體系結(jié)構(gòu)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

通常SCADA系統(tǒng)分為兩個(gè)層面，即客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器與硬件設(shè)備通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理何運(yùn)算。而客戶用于人機(jī)交互，如用文字、動畫顯示現(xiàn)場的狀態(tài)，并可以對現(xiàn)場的開關(guān)、閥門進(jìn)行操作。近年來又出現(xiàn)一個(gè)層面，通過Web發(fā)布在Internat上進(jìn)行監(jiān)控，可以認(rèn)為這是一種“超遠(yuǎn)程客戶”。

硬件設(shè)備(如PLC)一般既可以通過點(diǎn)到點(diǎn)方式連接，也可以以總線方式連接到服務(wù)器上。點(diǎn)到點(diǎn)連接一般通過串口(RS232)，總線方式可以是RS485，以太網(wǎng)等連接方式?？偩€方式與點(diǎn)到點(diǎn)方式區(qū)別主要在于：點(diǎn)到點(diǎn)是一對一，而總線方式是一對多，或多對多。

在一個(gè)系統(tǒng)中可以只有一個(gè)服務(wù)器，也可以有多個(gè)，客戶也可以一個(gè)或多個(gè)。只有一個(gè)服務(wù)器和一個(gè)客戶的，并且二者運(yùn)行在同一臺機(jī)器上的就是通常所說的單機(jī)版。服務(wù)器之間，服務(wù)器與客戶之間一般通過以太網(wǎng)互連，有些場合（如安全性考慮或距離較遠(yuǎn)）也通過串口、電話撥號或GPRS方式相連。典型的硬件配置圖如下：

1.2 軟件體系結(jié)構(gòu)

SCADA有很多任務(wù)組成，每個(gè)任務(wù)完成特定的功能。位于一個(gè)或多個(gè)機(jī)器上的服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理（如量程轉(zhuǎn)換、濾波、報(bào)警檢查、計(jì)算、事件記錄、歷史存儲、執(zhí)行用戶腳本等）。服務(wù)器間可以相互通訊。有些系統(tǒng)將服務(wù)器進(jìn)一步單獨(dú)劃分成若干專門服務(wù)器，如報(bào)警服務(wù)器，記錄服務(wù)器，歷史服務(wù)器，登錄服務(wù)器等。各服務(wù)器邏輯上作為統(tǒng)一整體，但物理上可能放置在不同的機(jī)器上。分類劃分的好處是可以將多個(gè)服務(wù)器的各種數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、分工協(xié)作，缺點(diǎn)是效率低，局部故障可能影響整個(gè)系統(tǒng)。

典型的硬件配置圖如下：

1.3 通信

1.3.1內(nèi)部通信

客戶與服務(wù)器間以及服務(wù)器與服務(wù)器間一般有三種通信形式，請求式，訂閱式與廣播式。請求式：客戶周期性向服務(wù)器發(fā)出請求，然后服務(wù)器為客戶準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，傳送給客戶。

訂閱式：客戶向服務(wù)器注冊所關(guān)心數(shù)據(jù)，服務(wù)器記錄每個(gè)用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)變化通知相應(yīng)的用戶。

廣播式：當(dāng)數(shù)據(jù)的變化時(shí)，服務(wù)器向所有客戶發(fā)出通知。

1.3.2與I/O設(shè)備通信

1) 通信模式

設(shè)備驅(qū)動程序與I/O設(shè)備通訊一般采用請求式，大多數(shù)設(shè)備都支持這種通訊方式，當(dāng)然也有的設(shè)備支持主動發(fā)送方式。主動發(fā)送方式即I/O設(shè)備在數(shù)據(jù)改變時(shí)主動向外界報(bào)告數(shù)據(jù)。有的設(shè)備也支持訂閱式通信。設(shè)備驅(qū)動程序應(yīng)該能夠支持各種通信模式。

2) 通信協(xié)議

通信協(xié)議即與設(shè)備間的會話格式，可以理解為一種簡單的交流語言。這些語言有一定的地方性，尤其是國產(chǎn)的PLC，智能儀表。常見的協(xié)議有Modbus, Profibus等。設(shè)備驅(qū)動程序必須為每種協(xié)議編制相應(yīng)的代碼。開發(fā)一設(shè)備驅(qū)動一般為1~5周，這要根據(jù)協(xié)議的復(fù)雜程度決定。軟件商一般將該部分做成標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)包，用戶可以自己開發(fā)。

服務(wù)器可同時(shí)帶有多個(gè)不同種類的驅(qū)動程序，這樣服務(wù)器就可以同時(shí)跟多種設(shè)備進(jìn)行通信。

1.3.3與外界通信

為了效率，服務(wù)器上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)一般都以私有格式存放，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)駐留在內(nèi)存中，而歷史數(shù)據(jù)保存在磁盤中，事件記錄也可能以私有格式保存在磁盤中，但有些軟件可以將其直接存放到關(guān)系數(shù)據(jù)庫（如Ms SQL Server，ORACLE）中。由于無論采用直接方式還是ODBC與關(guān)系數(shù)據(jù)庫通訊，速度都是比較慢的，所以不可能將快速變化的數(shù)據(jù)都存放到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。那么服務(wù)器內(nèi)這些私有格式的數(shù)據(jù)是如何與外界聯(lián)系的呢，下面簡要說明。

SCADA通過多種方式與外界通信。如OPC，一般都會提供OPC客戶端，用來與設(shè)備廠家提供的OPC服務(wù)器進(jìn)行通訊。因?yàn)镺PC有微軟內(nèi)定的標(biāo)準(zhǔn)，所以O(shè)PC客戶端無需修改就可以與各家提供的OPC服務(wù)器進(jìn)行通訊。現(xiàn)在國外的硬件廠商大多都能提供OPC服務(wù)器，而國內(nèi)的硬件廠商確很少。SCADA供應(yīng)商一般也會提供自己的OPC服務(wù)器，以便別人通過OPC訪問自己，這樣也實(shí)現(xiàn)了不同SCADA間的互聯(lián)。此外還有其他的一些通訊手段，如：

l ODBC，第三方程序通過ODBC訪問歷史數(shù)據(jù)，事件記錄等。

l API接口：可以在編程環(huán)境（如VB,VC）中使用該接口。

l OLE控件：可以在各種編程環(huán)境下使用，也可以嵌入到支持OLE包容器的程序中，如Ms Word。

l DDE：微軟的動態(tài)數(shù)據(jù)交換協(xié)議。

2．整體構(gòu)架

由服務(wù)器，客戶端構(gòu)成了SCADA C/S結(jié)構(gòu)，由服務(wù)器，Web服務(wù)器，Web客戶構(gòu)成了SCADA B/S結(jié)構(gòu)。服務(wù)器配置在不同的機(jī)器上，甚至不同的操作系統(tǒng)平臺上，彼此分工協(xié)作，形成統(tǒng)一整體，構(gòu)成了SCADA的分布式體系結(jié)構(gòu)。

為了增加系統(tǒng)的可靠性，服務(wù)器端允許雙機(jī)熱備，重要場合可以一機(jī)多備。服務(wù)器雙機(jī)熱備一般是將兩臺機(jī)器配置相同，一臺作為主站，另一臺機(jī)器作為副站，主站完成服務(wù)器的正常工作，另一臺與其同步。當(dāng)主站故障時(shí)，副站接替主站的工作。主站與副站是相對的，可互換的。雙機(jī)熱備包含I/O通道的熱備。 由于多個(gè)客戶可以同時(shí)訪問一個(gè)服務(wù)器端，所以客戶端本來就是多重的。

一個(gè)系統(tǒng)

3．內(nèi)部組織概述

3.1 服務(wù)器內(nèi)部組織

服務(wù)器包括過程數(shù)據(jù)庫，I/O驅(qū)動，Web服務(wù)器等。服務(wù)器的核心是過程數(shù)據(jù)庫，下面對其內(nèi)部組織加以介紹。

過程數(shù)據(jù)庫是由完成各種特定功能的算法塊組成，這些算法塊也被稱為“內(nèi)部儀表”或“虛擬儀表”，更常用的稱呼是“點(diǎn)”。

點(diǎn)是組成過程數(shù)據(jù)庫的基本單位，點(diǎn)分為很多類型，每種類型的點(diǎn)完成一定的功能，如模擬I/O點(diǎn)，專門用于對模擬I/O進(jìn)行處理，PID點(diǎn)完成PID控制運(yùn)算等。點(diǎn)由各種參數(shù)組成，不同的點(diǎn)有不同的參數(shù)，如模擬I/O點(diǎn)有NAME，PV，LO，HI等參數(shù)?？梢韵胂簏c(diǎn)類型相當(dāng)于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的表結(jié)構(gòu)，參數(shù)相當(dāng)于字段。與表結(jié)構(gòu)不同的是，每種點(diǎn)類型有特定的內(nèi)部處理算法，參數(shù)間存在內(nèi)定的聯(lián)系，如LO是PV的低限報(bào)警值，PV低于LO將產(chǎn)生低限報(bào)警，報(bào)警檢查是點(diǎn)的內(nèi)置功能，不需要編寫另外的程序來實(shí)現(xiàn)。

參數(shù)是組成數(shù)據(jù)庫的最小單位。一般地，一個(gè)點(diǎn)只有一個(gè)參數(shù)與外界相連，通常稱其為測量值(PV)。其他參數(shù)作為PV的輔助參數(shù)，如LO為PV的低限報(bào)警限值，HI為PV的高限報(bào)警限值，SP為PV的目標(biāo)值等。有的系統(tǒng)允許一個(gè)點(diǎn)有多個(gè)參數(shù)與外界相連。

點(diǎn)的測量值(PV)通常與控制器(如PLC)的輸入/輸出通道相連。PV值代表I/O量的大小或狀態(tài)。

按照裝置或場地可以將點(diǎn)邏輯的劃分為區(qū)域或單元。一般區(qū)域包括單元。

3.2 人機(jī)界面內(nèi)部組織

人機(jī)界面由很多窗口組成，窗口包含圖形和文字。文字和圖形可動態(tài)變化。如文字可顯示現(xiàn)場I/O量的大小，圖形的顏色變化表示現(xiàn)場狀態(tài)量的改變等。

同時(shí)顯示的窗口一般只有一個(gè)，窗口間可以互相連接、跳轉(zhuǎn)，也可以設(shè)立菜單或?qū)ｉT的窗口負(fù)責(zé)窗口間的切換。

人機(jī)界面開發(fā)環(huán)境中提供了各種繪畫工具，如畫矩形、橢圓、文字、位圖等工具。同時(shí)提供了動畫連接手段，使圖形、文字等與現(xiàn)場的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。現(xiàn)場數(shù)據(jù)變化則畫面上圖形顏色、位置等也相應(yīng)改變，通過觀察畫面上的圖形文字就可以知曉現(xiàn)場的狀態(tài)，并稱這種圖形文字與數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系為“動畫鏈接”。

可以手工的繪制各種工藝對象，如罐、閥門、泵等。為了方便使用人機(jī)界面開發(fā)環(huán)境都提供了現(xiàn)成的小圖形，稱之為“子圖”。在子圖中可以找到各種現(xiàn)成的圖形，如各種形狀的閥門。有的子圖還與特定的動畫連接捆綁，更加方便使用。

趨勢圖人機(jī)界面不可缺少的組成部分。趨勢圖以曲線的形式顯示過程數(shù)據(jù)庫中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)。一般實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)分別在不同的趨勢圖中顯示。一幅趨勢圖中通常最多顯示八條曲線，曲線可以放大、滾動。趨勢筆可以在開發(fā)環(huán)境中定義，也可以在運(yùn)行時(shí)動態(tài)指定。

報(bào)表是人機(jī)界面的重要組成部分。開發(fā)環(huán)境提供專門的報(bào)表生成工具，方便的形成各種報(bào)表。報(bào)表中的數(shù)據(jù)可以有瞬時(shí)值、歷史值、統(tǒng)計(jì)值。還可以讓報(bào)表定時(shí)打印。另外還可以利用SCADA的Excel插件，用Ms Excel生成報(bào)表。

此外，在人機(jī)界面中還有許多其它種類的組件，如XY曲線、報(bào)警瀏覽、總貌等。另外人機(jī)界面幾乎都是OLE容器，可以嵌入OLE對象，或ActiveX控件。

4．重要功能

過程報(bào)警

過程報(bào)警是過程數(shù)據(jù)庫的基本功能。報(bào)警是對測量值的范圍、變化速度的預(yù)警。報(bào)警包括限值報(bào)警，變化率報(bào)警，偏差報(bào)警，異常報(bào)警等。更復(fù)雜的報(bào)警可以通過對測量值進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，然后對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行報(bào)警檢查而產(chǎn)生。發(fā)生報(bào)警后，操作員可以通過報(bào)警畫面對報(bào)警進(jìn)行“確認(rèn)”，“確認(rèn)”就是告訴系統(tǒng)我知道了發(fā)生的事，以免系統(tǒng)再次提醒。報(bào)警信息，報(bào)警確認(rèn)信息，報(bào)警恢復(fù)（報(bào)警消除）等信息都可以被系統(tǒng)自動記錄下來。報(bào)警按照重要程度可分為多個(gè)優(yōu)先級，如低級、高級、緊急。

報(bào)警發(fā)生時(shí)系統(tǒng)可以通過多種方式通知用戶，如彈出報(bào)警窗、發(fā)出聲響，甚至可以發(fā)送短信或電子郵件。至于使用哪種方式，用戶可以自由指定。

歷史存儲

對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行歷史存儲。歷史數(shù)據(jù)對于生產(chǎn)狀況分析、實(shí)現(xiàn)先進(jìn)/優(yōu)化控制、以及生產(chǎn)事故分析非常重要，所以將重要的工藝數(shù)據(jù)都會進(jìn)行長期歷史保存。為了節(jié)省存儲介質(zhì)空間，對保存的數(shù)據(jù)使用壓縮保存。常用的保存方式有周期性保存和變化保存（數(shù)據(jù)只有變化到一定程度才保存）。

腳本語言

除了固定格式的功能，如點(diǎn)內(nèi)部處理（能夠完成幾種固定形式的功能，如量程轉(zhuǎn)換

腳本與一般編程語言類似，在腳本中提供多種運(yùn)算操作（如賦值、數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算），控制語句（如條件判斷，循環(huán)，分支），以及內(nèi)置函數(shù)等。有的SCADA還支持自定義函數(shù)。

腳本的觸發(fā)方式有多種：一次性執(zhí)行（如進(jìn)入窗口時(shí)執(zhí)行）；周期執(zhí)行；事件觸發(fā)執(zhí)行（如數(shù)據(jù)改變時(shí)執(zhí)行，按鍵觸發(fā)）。

腳本也能產(chǎn)生多種輸出動作：如向過程數(shù)據(jù)庫寫數(shù)據(jù)；發(fā)送短信；調(diào)用窗口；產(chǎn)生聲響等。

5. SCADA的益處

使用SCADA軟件能夠帶來的好處可列舉如下：

l 提高效率。SCADA的開發(fā)一般需要20~100人年，并且不斷的采用新技術(shù)，吸取用戶的經(jīng)驗(yàn)，在使用中不斷提高。SCADA綜合用戶的需求，將工程中共性東西提煉出來，制成相應(yīng)的模式或模塊，以幫助用戶快速實(shí)現(xiàn)自己的工程。因此使用SCADA可以跟上時(shí)代的發(fā)展，并能提高自己的工作效率。

l 一致性。SCADA的提供固定的格式，讓用戶實(shí)現(xiàn)自己的工程，有的是填表式的，有的是向?qū)降?。無論是誰來組態(tài)，同樣的工程要求，形成的組態(tài)結(jié)果都是相同的，或者差異很小。

l 可維護(hù)性。SCADA內(nèi)部功能強(qiáng)大，組織復(fù)雜，但是對用戶是透明的，所以用戶的組態(tài)工作量不大，或者只是重復(fù)性較大。因此工程易于維護(hù)。

l 使用SCADA能夠得到有效的技術(shù)支持。技術(shù)支持不但包括使用SCADA上的，也可能包括你工程上的。因?yàn)镾CADA技術(shù)支持人員經(jīng)常與各行業(yè)的人員交流，所以可以將你的同行經(jīng)驗(yàn)介紹給你。