SCADA系统设计

本篇文章将由浅入深的聊聊SCADA系统设计相关的内容，最也是在学习这块所以将学习到的内容形成文章方便记忆且分享给各位，由于篇幅有限有的地方写的比较简单模糊，但是作为初学者看完之后起码有一定的了解。
1.SCADA

SCADA (监控和数据采集系统, Supervisory Control And Data Acquisition) 是一种用于监控和管理工厂、设备或过程的自动化系统。它是一个多功能的大型系统，主要用于通过实时监控和控制生产过程以提高效率。

功能

数据收集：SCADA系统能够从远距离的设备收集数据，包括温度、压力、电流等，并将其发送至中心计算机进行处理。监控：SCADA系统使运营人员能够通过图形界面观察和监控整个制造过程或系统运行情况。控制：SCADA系统使运营人员能够远程操控设备，例如开启或关闭泵、调整设备参数等。报警：当检测到系统异常或超出预设阈值的情况时，SCADA系统可以生成警报，提示运营人员进行干预或修复。

使用领域

SCADA系统广泛应用于各种产业领域，如电力、石油和天然气、水和废水处理、交通、制造业等。利用SCADA系统，企业可以更有效地监测和控制他们的运营，降低运营成本，提高生产效率和安全性。
2.结构

一个标准的SCADA系统主要由以下部分组成：

分布式数据采集系统：这是SCADA系统的关键组成部分，负责收集来自现场设备（如传感器和执行元件）的信息，并将这些数据发送到中央计算机。在分布式环境里，数据采集设备（如RTU或PLC）被分散安装在各个位置，每个设备负责其所在区域的数据采集。这种设计可以降低数据传输的延迟，提高系统的响应速度。过程监控系统：过程监控系统是SCADA系统的一个核心功能，允许运营人员实时监视生产过程，并了解设备的运行状况。监控系统通常通过图形用户界面展示数据，使得运营人员可以直观地理解系统的状态。此外，当检测到异常或超出预设阈值的情况时，监控系统还会生成警报，提示运营人员进行调整或修复。数据通信网络：数据通信网络负责连接SCADA系统的各个部分，包括现场设备、数据采集设备和中央计算机，以便于数据的传输。数据通信网络可能包括各种类型的通信技术，如有线网络（例如以太网）、无线网络（例如Wi-Fi或蜂窝网络）、卫星通信等。数据通信网络的设计需要考虑多种因素，如传输距离、传输速率、可靠性、安全性等。

详细名词解释：

传感器和执行元件：这些设备部署在现场，用于采集数据（如温度、压力等）并按照指令执行操作（如打开/关闭阀门）。**远程终端单元(RTU)**：RTU连接到传感器和执行元件，将采集的数据转换为数字信号，并将其发送至中央计算机。通信网络：这是SCADA系统的核心，用于连接RTU和中央计算机，以便进行数据传输。主站计算机系统：该系统接收从RTU发送的信息，并提供友好的用户界面，允许运营人员查看数据、执行命令以及设置警报条件。**可编程逻辑控制器(PLC)**：是一种被广泛使用在工业生产过程自动化控制中的电子设备。它接收来自各种传感器的输入信号，处理这些信号，并按照预先编程的指令控制设备或过程。**调制解调器(Modem)**：是一种用于数据信号转换的设备。其主要功能是将计算机的数字信号转换为模拟信号，使得数据能够通过电话线、电缆或卫星进行传输，然后再将接收到的模拟信号转换回数字信号。现场控制站点：通常指在工厂或生产过程中的现场位置，安装有一台或多台用于监视和/或控制生产设备的计算机或其他设备。这些站点可能包括了传感器、执行元件、控制器等，它们通过各种类型的通信（如有线或无线）连接到更大的网络或系统。现场总线：现场总线(Fieldbus)是一种工业网络系统，用于现场设备(如传感器、执行器、控制器等)之间的通信。现场总线技术使得设备能够直接交换数据，无需通过中央控制器，从而提高了数据交换的效率，降低了系统的复杂性。现场总线I/O设备：现场总线输入/输出(I/O)设备是指连接到现场总线上，并与其他设备进行通信的设备。这些设备可以包括传感器（提供数据输入），执行元件（如阀门，马达，用于响应控制指令），以及其他设备。这些I/O设备将来自现场设备的数据转换成数字信号，通过现场总线发送给其他设备，或从现场总线接收数字信号并将其转换成物理动作。串口服务器：也被称为设备服务器或终端服务器，这是一种网络设备，它能把串行通信（如RS-232，RS-422 或 RS-485）转化为以太网数据。在SCADA系统中，串口服务器可以使传统的串行设备连接到网络，并与SCADA服务器进行通信。SCADA服务器：这是SCADA系统的核心部分，负责处理来自现场设备的实时数据，执行控制命令，和管理报警事件。SCADA服务器通常包含数据库来存储历史数据，以及提供用户界面让运营人员能监视和控制整个过程。工作站：在SCADA系统中，工作站是指运营人员用于监控和控制生产过程的计算机。工作站通常安装有SCADA软件的客户端，通过图形化界面显示实时数据、报警信息，并允许运营人员输入控制命令。数据服务器：数据服务器主要负责数据管理和存储。在SCADA系统中，数据服务器通常用于存储从SCADA服务器收集的大量数据，并对这些数据进行处理和分析，以生成报告或做进一步的业务决策。Web服务器：Web服务器在SCADA系统中用于提供基于web的用户界面，允许通过互联网或内部网络对系统进行远程访问。这样，运营人员无需在现场就可以查看实时数据、报警信息，或输入控制命令。卫星：卫星通信可提供全球覆盖，特别适合在偏远地区或其他无线通信困难的环境下使用。它可以用于将位于极远地方的SCADA设备（如油井、输电线路等）的数据传输到中央控制站。然而，由于需要发射和接收卫星信号的设备，以及可能存在的天线调整问题，卫星通信的初始成本和运营成本可能会较高。GPRS：GPRS (General Packet Radio Service) 是一种基于GSM移动通信网络的无线数据传输服务。在SCADA系统中，GPRS可以用于在有GSM网络覆盖的地方传输现场设备的数据。其优点是成本相对较低，可以实现移动通信，但数据传输速率相对较低，并且受到GSM网络覆盖范围的限制。X2.5电台：X2.5电台（或称为X.25）是一个早期的分组交换网络协议，最初设计用于公共数据网络。虽然现在已经被更现代的网络协议（如IP）所取代，但在某些特定应用中，例如银行ATM网络或航空预订系统，X.25仍然在使用。在SCADA系统中，如果现场设备已经配备了支持X.25的终端设备，那么可以利用X.25进行数据通信。不过，由于该协议的复杂性和较低的数据传输速度，现在正在被更现代的通信技术取代。上位机：上位机通常指的是中央控制站或管理站，这是整个SCADA系统的核心。上位机负责接收并处理来自各下位机的数据，通过图形用户界面展示信息，以便运营人员可以监视和控制整个系统。此外，上位机还可以发送命令到下位机，如控制指令或设定参数等。在SCADA中，服务器、工作站、PC等设备通常被视为上位机。下位机：下位机通常指的是现场设备，如传感器、执行元件、PLC或RTU等。这些设备负责采集现场数据（例如温度、压力、电流等），并将数据发送到上位机。同时，根据上位机发来的命令，下位机也会执行相应的操作，如开/关阀门、检测、执行所属上位机命令，调整设备参数等。

上位机和下位机旨在实现"监控与被监控"、"控制与被控制"的关系。其中，上位机通常扮演着控制者和决策者的角色，而下位机则执行任务并提供必要的反馈信息。
3.管理集中、控制分散

CADA系统中的“管理集中，控制分散”是指系统的运行策略和架构设计思想。

管理集中：这里的“管理”主要指的是数据管理、系统监视、决策等高级功能。所有这些功能都在SCADA系统的中心位置（例如中央控制室）进行。由于所有重要的信息都反馈到中心，所以运营人员可以对整个系统有全面的理解，做出最好的决策。此外，集中化的管理也更利于数据的存储、处理和分析。控制分散：在分布式控制系统（DCS）中，“控制分散”意味着控制任务被分散到现场设备（如PLC或RTU）上执行。每个设备都负责特定区域或过程的控制。相比于集中式控制，分散式控制可以减少通信延迟，提高系统的响应速度和可靠性。同时，当某一部分设备出现问题时，其他设备仍然能够独立工作，不影响整个系统的运行。

"管理集中，控制分散"的思想旨在实现SCADA系统的高效率和高稳定性。在整体上，系统由中心进行统一的管理和决策；而在局部，各设备自主、快速地完成具体的控制任务。
4.技术演变

SCADA（监控和数据采集系统）的技术架构已经经历了几个发展阶段，以适应不断发展的技术和业界需求。以下是其主要的演变阶段：

单机系统：在最初，SCADA系统主要基于单个计算机，该计算机直接连接到现场设备，负责数据收集和过程控制。此时，没有网络连接或分布式处理。局域网(LAN)系统：随着网络技术的发展，SCADA系统开始利用局域网进行通信。这使得数据可以在多个设备之间共享，同时也实现了分布式控制。分布式系统：进一步的发展导致了真正的分布式SCADA系统的出现，其中包括了分布在不同地理位置的多个站点。这些站点通过广域网(WAN)进行通信，并可以实现远程监控和控制。互联网时代：随着互联网的普及，SCADA系统开始利用互联网进行通信，使得运营人员可以在任何有互联网连接的地方远程访问SCADA系统。同时，新的技术如云计算、物联网(IoT)等也被引入到SCADA系统中。现代化和未来：目前，SCADA系统正在向更高的灵活性、可扩展性、开放性和安全性发展。例如，现代的SCADA系统往往支持多种通信协议，可以与各种设备和系统进行互操作。此外，越来越多的SCADA系统开始使用基于web的用户界面，提供移动访问能力。在未来，我们可能会看到更多的创新技术被应用到SCADA系统中，比如人工智能、大数据、边缘计算等。

在这个演变过程中，C/S（客户端/服务器）架构和B/S（浏览器/服务器）架构都起到了重要作用：

C/S架构：在C/S模型中，SCADA系统分为两部分，一个是服务端，即SCADA服务器，另一个是客户端，即工作站。服务器负责处理数据、执行复杂的运算，并返回结果给客户端。在早期的SCADA系统中，C/S架构是主流，因为它支持分布式处理，可以有效地利用网络资源，提高系统的性能和可扩展性。B/S架构：随着互联网技术的发展，越来越多的SCADA系统开始采用B/S架构。用户通过网络浏览器访问应用程序，所有的处理和逻辑都在服务器端完成。这种架构有助于简化客户端设置（只需要一个网络浏览器），提供更好的跨平台兼容性（可以在任何设备的浏览器上运行），并简化了系统的维护工作。

5.SCADA系统设计原则

在设计SCADA系统时，应考虑以下几个关键原则：

可靠性：SCADA系统必须足够的稳健和可靠，以确保在各种条件下都能正常工作。可能的故障和崩溃需要被有效地管理和最小化。常见的实现方法包括使用冗余硬件、软件容错技术、预防性维护等。先进性：SCADA系统应采用尖端的技术和解决方案，来满足不断增长的业务需求和改善性能。这可能包括新的通信协议、数据处理技术、安全措施等。实时性：由于SCADA系统经常用于监控和控制实时的物理过程，因此它必须能够及时收集数据，快速响应事件，并提供实时反馈。开放性：SCADA系统应当尽可能地兼容各种设备和系统，支持多种通信协议和标准。这样可以避免厂商锁定（vendor lock-in），提高系统的适应性和扩展性。经济性：在选择系统组件和设计解决方案时，应考虑成本效益。这意味着不仅要考虑初始投资，还需要考虑运营维护成本、能源消耗、寿命等因素。可操作性：SCADA系统应易于使用，接口清晰，能让操作员方便地监视和控制整个系统。此外，SCADA系统还需要提供足够的灵活性，以适应不同的操作需求和条件。可维护性：SCADA系统应设计得易于维护和升级。例如，硬件应易于更换，软件应提供更新机制。同时，系统应提供足够的诊断工具和文档，以帮助维护人员进行故障排查。

SCADA系统设计与开发步骤

SCADA系统的设计与开发要比一般的PLC控制系统复杂许多。SCADA系统的设计与开发主要包括3个部分的内容：上位机系统设计与开发、下位机系统设计与开发、通信网络设计与开发。SCADA系统的设计与开发具体内容会跟随系统规模、被控对象、控制方式等不同而有所差异，但系统设计与开发基本内容和主要开发步骤大致相同。
SCADA系统需求分析与总体设计

需求分析：需求分析是确定系统应该实现什么功能的过程。这包括理解和定义用户的需求、业务目标及其与系统之间的交互方式。在SCADA系统的环境中，需求可能包括监控哪些设备，需要收集哪些数据，如何处理和显示这些数据，以及怎样执行控制命令等。此外，还需要考虑如何处理故障或异常情况，如何保证数据的安全性和完整性，等等。需求分析是SCADA系统设计的出发点，对于确定系统的最终形态至关重要。
功能需求：确定系统需要实现哪些功能，例如数据采集、过程控制、报警处理、数据存储和查询、状态显示和操作等。性能需求：明确系统的性能指标，如数据处理速度、系统响应时间、误差范围、设备可靠性等。安全需求：考虑系统的安全要求，包括数据安全、通信安全、设备安全等。环境需求：考察系统运行环境，如电源条件、网络条件、现场环境等。

总体设计：一旦需求被明确和文档化，就可以开始进行总体设计。在这一阶段，将确定系统的高级架构，包括选定适当的硬件和软件平台，设计网络结构，确定通信协议等。总体设计应该足够详细，能够指导后续的硬件配置和软件开发工作。同时，它也应该考虑到系统的可扩展性和可维护性，预留出充足的空间来满足未来的变化和发展。
硬件选择：确定所需的硬件设备（如PLC、RTU、传感器、执行器等），并考虑它们的物理布局、电源供应、通信接口等。软件平台：选择合适的SCADA软件平台，以满足系统的功能和性能需求。可能需要考虑软件的兼容性、可扩展性、稳定性等因素。系统架构：设计系统的总体架构，决定各部分如何相互连接和交互。这可能包括数据流的设计、控制策略的设计、网络通信协议的选择等。

SCADA系统类型确定与设备选型

上位机系统选型

上位机通常指的是运行SCADA软件的计算机或服务。选择时需要考虑如下因素：

处理能力：上位机必须有足够的处理能力来处理收集的数据，并快速做出响应。存储能力：根据系统需要存储的数据量和历史记录长度来决定存储大小。稳定性：上位机应具有较高的稳定性和可靠性，以保证系统的连续运行。

下位机选型

下位机通常指现场的设备，如PLC（可编程逻辑控制器）和RTU（远程终端单元）。选择时需要考虑以下因素：

环境适应性：下位机应能够在各种环境条件下正常工作，例如高温、湿度、尘埃等。功能需求：下位机的功能应满足现场的监控和控制需求。通信协议：下位机需要支持与上位机通信的协议。

通信网络设备

选择合适的通信网络设备是SCADA系统设计的重要部分，包括使用有线还是无线通信，使用何种通信协议，如Modbus、Profibus、Ethernet/IP等。

仪表与控制设备

这些设备包括各种传感器、执行器、驱动器等，用于对现场过程进行测量和控制。选择时需要考虑以下几点：

精度和范围：设备的测量精度和范围应满足实际需求。环境适应性：设备应能够在其工作环境中正常运行。安全性：设备应满足相关的安全标准和规定。

SCADA应用软件开发

上位机应用软件配置与开发：上位机软件主要负责数据管理、过程监控和设备控制等功能。开发过程可能包括定义数据模型、设计用户界面、编写控制策略、设置报警条件等。很多SCADA平台（如Wonderware、WinCC、iFix等）都提供了图形化的配置工具，在无需编程的情况下就可以完成大部分配置工作。但在某些复杂的场景下，可能还需要编写脚本或者自定义程序。

以下是一些主要任务：

数据管理：设计数据模型，决定如何存储和处理来自下位机的数据。界面设计：创建用户界面，使得运营人员可以方便地监视和控制整个系统。界面可能包括实时数据显示、趋势图、报警列表等。报警和事件处理：设计报警逻辑和处理流程，当系统出现异常或重要事件时，能够及时通知运营人员。


下位机软件开发：下位机软件主要运行在现场设备（如PLC、RTU）上，负责采集数据、执行控制命令。常见的开发工作包括编写PLC程序、配置IO通道、实现通信协议等。常用的PLC编程语言包括梯形图（Ladder Diagram）、指令列表（Instruction List）、结构文本（Structured Text）等。

以下是一些主要任务：

数据采集：编写程序来读取现场设备的状态和数据。设备控制：根据需要，编写控制逻辑来操作设备，例如打开/关闭阀门，调整设备参数等。


上下位机通信系统配置与组态：为实现上下位机之间的数据交换，需要配置并测试通信系统。这包括选择通信协议（如Modbus、Profibus、DNP3等）、设置网络参数、调试通信链路等。同时，还需要在上位机软件中进行通信组态，即定义各个通信点的地址、类型、更新频率等。

以下是一些主要任务：

通信协议：选择合适的通信协议，如Modbus、Profibus、Ethernet/IP等，并进行相应的配置。网络组态：根据系统架构和网络条件，设计并设置网络结构，包括设备地址、数据路由等。

控制策略与PID算法

在SCADA系统中，控制策略是一种重要的方法，用以确保过程或设备运行在期望的状态。PID（比例-积分-微分）控制是最常用的控制策略之一。

控制策略：在SCADA系统中，控制策略通常指的是一种算法或逻辑，这些算法或逻辑根据输入的数据（通常来自传感器）生成输出命令（通常发给执行器）。例如，如果一个控制策略是用来维持某个容器的温度，那么当温度传感器检测到温度低于设定点时，控制策略可能会发送一个命令来增加加热元件的功率。

PID控制：PID控制是一种特别常用的控制策略，它结合了比例、积分和微分三种控制方法：

**P (Proportional)**：比例控制部分对误差进行线性响应，即输出信号与误差成正比。这样可以实现快速响应，但可能会存在稳态误差。**I (Integral)**：积分控制部分对过去的误差进行累积，并对此进行调整。积分控制有助于消除稳态误差，但可能会导致系统的响应过慢。**D (Derivative)**：微分控制部分预测误差的变化趋势，并提前做出调整。微分控制能够平滑系统的响应，防止超调，但对噪声敏感。

6.SCADA系统可靠性设计

供电抗干扰措施：

不间断电源（UPS）：为了在主电源故障时保持运行，进行非中断操作，可以使用UPS。冗余电源供应：可提供两个或多个独立的电源路径，如果一条路径下线，另一条可接管。电源质量监视：对电源进行连续监测，以检测并记录电源质量问题，如电压峰值、过电流等。

接地抗干扰措施：

公共接地点：所有的接地导线都应连接到一个公共的接地点，以防止通过接地系统传播的干扰。抑制器和滤波器：可使用线路抑制器和滤波器减少通过接地线路传输的噪声。电缆设计和布局：可以通过选择合适的电缆类型（屏蔽电缆）和规划电缆布局来最小化干扰。

软件抗干扰措施：

错误检测和恢复：软件应设计成能够检测和恢复错误，以避免整个系统失败。冗余系统：在关键任务上使用冗余系统可确保主系统发生故障时继续运行。安全性：软件应具备防范恶意攻击（如病毒和黑客攻击）的能力，以保持系统的稳定性和可靠性。

空间抗干扰措施：

避免跨越地面潜在故障区域的导线布局：这可以减少地质活动（例如地震）对系统的影响，并降低由灾害引起的导线断裂风险。保护设备不受电磁辐射影响：应使用电磁屏蔽材料来隔离设备，防止由电磁干扰引起的误报警和设备损坏。适当的接地设计：通过有效的接地，可以将可能产生干扰的电流引入地面，进而减小对系统的影响。物理保护：应对设备进行物理保护，如采用防尘、防水、防腐蚀的外壳，以及防火、防爆的设计，保证设备能在各种环境下正常运行。使用抗干扰型设备：应优先选择具有抗干扰功能的设备，以降低外部干扰源对设备性能的影响。

7.系统调试与运行

SCADA系统的调试与运行涉及上位机调试、下位机调试与通信调试。项目进程可分为离线仿真调试、现场离线调试、在线调试与运行阶段。调试过程应保证顺畅的系统运行，专业调试可节省时间及成本。SCADA系统的生命周期包括可行性研究、初步设计、详细设计、系统实施、系统测试和系统运行维护。通讯方式是SCADA系统关键的一部分，它应用于多个领域，如电力、冶金、石油、化工、燃气、铁路等，进行数据采集与监视控制。

离线仿真调试：该阶段主要在非现场环境（比如开发者的计算机）上进行，目标是验证设计的正确性并找出可能存在的问题。通常，会构建一个虚拟的模型或仿真程序来模拟现场设备和网络，然后通过执行各种操作和检查结果来进行测试。现场离线调试：在将设备安装到现场后，开始进行现场的离线调试。在此阶段，需要对下位机软件进行调试，确保其可以正常地采集数据和执行控制命令。同时，也需要对通信系统进行调试，保证上下位机之间的数据传输稳定可靠。在线调试：当上下位机都已经准备就绪后，开始进行在线调试。这时，上位机开始接收来自现场的数据，并根据控制策略发送控制命令。需要进行全面的测试，包括各种正常和异常情况，以确保系统在实际运行中能够提供稳定和安全的服务。运行阶段：完成所有的调试和测试工作后，SCADA系统进入运行阶段。在此阶段，系统会持续地监测和控制现场的设备和过程。需要定期检查系统的状态和性能，处理任何出现的问题，同时还可能需要根据新的需求或技术发展进行相应的更新和优化。