1.2　SCADA系统的组成

SCADA系统作为生产过程和事务管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之一，它包含3个部分：第一个是分布式的数据采集系统，也就是通常所说的下位机；第二个是过程监控与管理系统，即上位机；第三个是数据通信网络，包括上位机网络系统、下位机网络，以及将上、下位机系统连接的通信网络。典型的SCADA系统的结构如图1.2所示。SCADA系统的这三个组成部分的功能不同，但三者的有效集成则构成了功能强大的SCADA系统，完成对整个过程的有效监控。SCADA系统广泛采用“管理集中、控制分散”的集散控制思想，因此，即使上、下位机通信中断，现场的测控装置仍然能正常工作，确保系统的安全和可靠运行。以下分别对这3个部分的组成、功能等作介绍。

1.2.1　下位机系统

下位机一般来讲都是各种智能节点，这些下位机都有自己独立的系统软件和由用户开发的应用软件。该节点不仅完成数据采集功能，而且还能完成设备或过程的直接控制。这些智能采集设备与生产过程各种检测与控制设备结合，实时感知设备各种参数的状态，各种工艺参数值，并将这些状态信号转换成数字信号，并通过各种通信方式将下位机信息传递到上位机系统中，并且接受上位机的监控指令。典型的下位机有远程终端单元RTU、可编程控制器PLC、近年才出现的PAC和智能仪表等。

1.远程终端单元RTU

RTU（Remote Terminal Unit，RTU）是安装在远程现场的电子设备，用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。RTU将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。它还将从中央计算机发送来的数据转换成命令，实现对设备的远程监控。许多工业控制厂家生产各种形式的RTU，不同厂家的RTU通常自成体系，即他们有自己的组网方式和编程软件，开放性较差。

远程测控终端RTU作为体现“测控分散、管理集中”思路的产品从20世纪80年代起介绍到中国并迅速得到广泛的应用。它在提高信号传输可靠性、减轻主机负担、减少信号电缆用量、节省安装费用等方面的优点也得到用户的肯定。

RTU的主要作用是进行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可以独立地完成连锁控制、前馈控制、反馈控制、PID等工业上常用的控制调节功能；进行数据采集时作为一个远程数据通信单元，完成或响应本站与中心站或其他站的通信和遥控任务。RTU的主要配置有CPU模板、I/O（输入/输出）模板、通信接口单元，以及通信机、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、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模板一般都插接在RTU的总线板槽上，通过总线与CPU相连。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的通信端口，RTU具有多个通信端口，以便支持多个通信链路。与常用的工业控制设备PLC相比，RTU具有如下特点：

（1）同时提供多种通信端口和通信机制。RTU产品往往在设计之初就预集成了多个通信端口，包括以太网和串口（RS-232/RS-485）。这些端口满足远程和本地的不同通信要求，包括与中心站建立通信，与智能设备（流量计、报警设备等）以及就地显示单元和终端调试设备建立通信。通信协议采用Modbus RTU、Modbus ASCII、Modbus TCP/IP等标准协议，具有广泛的兼容性。同时通信端口具有可编程特性，支持对非标准协议的通信定制。

（2）提供大容量程序和数据存储空间。从产品配置来看，PLC提供的程序和数据存储空间往往只有6～13KB，而RTU可提供1～32MB的大容量存储空间。RTU的一个重要的产品特征是能够在特定的存储空间连续存储/记录数据，这些数据可标记时间标签。当通信中断时RTU就地记录数据，通信恢复后可补传和恢复数据。

（3）高度集成的、更紧凑的模块化结构设计。紧凑的、小型化的产品设计简化了系统集成工作，适合无人值守站或室外应用的安装。高度集成的电路设计增加了产品的可靠性，同时具有低功耗特性，简化备用供电电路的设计。图1.3所示为北京安控科技公司的一体化和模块化RTU产品。

（4）更适应恶劣环境应用的品质。PLC要求环境温度在0～55℃，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。否则会导致PLC部件的故障率提高，甚至损坏。RTU产品就是为适应恶劣环境而设计的，通常产品的设计工作环境温度为-40～60℃。某些产品具有DNV（船级社）等认证，适合船舶、海上平台等潮湿环境应用。

正是由于RTU完善的功能，使得RTU产品在SCADA系统中得到了大量的应用。国内外有许多公司从事相关产品的研发和生产。如美国SIXNET公司的VersaTRAK IPm、SiteTRAK RTU、RemoteTRAK RTU等系列产品；美国艾默生过程管理公司的ROC800、FB107；美国Motorola公司的MOSCAD远程终端；美国OPTO 22公司的OPTOMUX及SNAP；澳大利亚埃波罗（ELPRO）公司的EP105一体化RTU等；北京安控科技股份有限公司的Super E40、E50；北京华迅通信电子技术公司的eNET无线RTU等。

VersaTRAK IPm是最高级的RTU控制器，具有强大的通信功能和编程能力。VersaTRAK IPm内嵌Linux系统，具有源码开放的优点，而控制器的所有应用无需了解Linux。VersaTRAK IPm与SIXNET的其他RTU控制器完全兼容。用户原有的ISaGRAF程序无需更改即可应用。

艾默生ROC800是基于微处理技术的远程控制器，它可以满足各种现场自动化应用功能。可扩展的ROC800可以对站场及远程设备进行远程监视、测量和控制；能够满足需要流量计算、PID闭环控制和逻辑顺序控制的应用场合。ROC800的背板支持中央处理单元（CPU）、电源输入模块、通信模块和各种I/O模块。ROC800可以通过最多4个I/O扩展基架进行扩展。每一个扩展基架带1个背板和6个I/O插槽。当选用了全部4个扩展基架时，ROC800能最多扩展至27个插槽。

2.各种中、小型PLC

典型的小型PLC产品有三菱的FX _2N 系统PLC、西门子的S7-200系统、OMRON的CPM1A等。一些中、大型的SCADA系统的下位机会选用中型的PLC产品，如三菱的Q系列、西门子的S7-300、A-B公司的ControlLogix和施耐德的Quantum系列等。由于这些产品性价比高、可靠性高、编程方便，因此，在各种SCADA系统中得到广泛的应用。随着现场总线技术的发展，现场总线在以PLC为下位机的系统中应用也不断增长。图1.4所示为西门子公司的PLC产品。

3.可编程自动化控制器（Programmable Automation Controller，PAC）

作为一种开放型的自动化控制设备，目前的PAC产品主要包括两类，一类是以研华公司等代表的产品，这些公司进入控制器市场时间不长，没有PLC的生产经验，属于控制器市场的后来者。这类公司利用基于PC的控制思想和控制系统编程语言标准化的机会，推出了PAC产品来抢占控制器市场，典型的产品有研华公司的ADAM-5510EKW、Beckoff公司的CX1000、NI公司的Compact FieldPoint、泓格科技的WinCon/LinCon系列和μPAC-7186EX等。另外一类PAC厂家是传统的PLC制造商，这些公司直接把他们的高端PLC就称为PAC，典型的产品有通用电气公司的PAC SystemsRX3i/7i、罗克韦尔公司的CompactLogix和ControlLogix等。当然，这些厂家也注重这类产品的开放性，如其配套编程软件也能更好地支持IEC61131-3编程语言标准。

4.智能仪表

城市公用事业系统如水、电、气的远程监控，热电企业的热网计量与蒸汽计量的远程监控也大量采用SCADA系统。与其他一些工业过程的SCADA系统相比，它们更加侧重数据采集、信息集中管理与远程监管，而远程控制功能要求较低。在这类SCADA系统中，大量使用各种现场仪表做下位机，如智能流量计量表、冷量热量表、智能巡检仪等。还可以采用各种智能控制仪表与传统模拟仪表配套进行计量。采用智能控制仪表后，下位机系统具有更强的控制功能，若不需要控制功能，可以采用具有通信接口的现场仪表直接作为下位机。

不管选用何种形式的下位机，其地位和作用是一样的，它们与生产过程各种检测与控制设备结合，实时感知设备各种参数的状态，各种工艺参数值，并将这些状态信号转换成数字信号，并通过特定数字通信或数字网络传递到上位机系统中；同时，下位机也可根据预先编写的控制程序，完成现场设备的控制。

由于SCADA系统中上、下位机的通信可能中断，因此要求下位机系统具有自主控制能力。此外，对于I/O模块，也要求具有安全值设置等功能。如PLC和一些RTU的I/O模块可以设置初始状态，或程序停止运行时的输出状态。这些功能在目前许多总线式I/O模块中也得到了体现，如泓格7000系列部分I/O模块，除了可以设置RS-485通信中断时的安全数值外，还可以设定模块上电值，这些措施不仅可以增强现场控制单元的自主性，而且提高了控制的可靠性。

1.2.2　上位机系统（监控中心）

1.上位机系统组成

国外文献常称上位机为“SCADA Server”或MTU（Master Terminal Unit）。上位机系统通常包括SCADA服务器、工程师站、操作员站、Web服务器等，这些设备通常采用以太网联网。实际的SCADA系统上位机系统到底如何配置还要根据系统规模和要求而定，最小的上位机系统只要有一台PC即可。为了提高可靠性，上位机系统还可以实现冗余，即配置两台SCADA服务器，当一台出现故障时，系统自动切换到另外一台工作。上位机通过网络与在测控现场的下位机通信，并以各种形式，如声音、图形、报表等方式显示给用户，以达到监视的目的。同时数据经过处理后，告知用户设备的状态（报警、正常或报警恢复），这些处理后的数据可能会保存到数据库中，也可能通过网络系统传输到不同的监控平台上，还可能与别的系统（如MIS、GIS）结合形成功能更加强大的系统；上位机还可以接受操作人员的指示，将控制指令发送到下位机中，以达到远程控制的目的。

对结构复杂的SCADA系统，可能包含多个上位机系统。即系统除了有一个总的监控中心外，还包括多个分监控中心。如对于西气东输监控系统这样的大型系统而言，就包含多个地区监控中心，它们分别管理一定区域的下位机。采用这种结构的好处是系统结构更加合理，任务管理更加分散，可靠性更高。每一个监控中心通常由完成不同功能的工作站组成一个局域网，这些工作站包括：

（1）数据库服务器—负责收集从下位机传送来的数据，并进行汇总。

（2）网络服务器—负责监控中心的网络管理及与上一级监控中心的连接。

（3）操作员站—在监控中心完成各种管理和控制功能，通过组态画面监测现场站点，使整个系统平稳运行，并完成工况图、统计曲线、报表等功能。操作员站通常是SCADA客户端。

（4）工程师站—对系统进行组态和维护，修改控制逻辑等。

2.上位机系统功能

通过完成不同功能计算机及相关通信设备、软件的组合，整个上位机系统可以实现如下功能。

1）数据采集和状态显示

SCADA系统的首要功能就是数据采集，即首先通过下位机采集测控现场数据，然后上位机通过通信网络从众多的下位机中采集数据，进行汇总、记录和显示。通常情况下，下位机不具有数据记录功能，只有上位机才能完整地记录和保持各种类型的数据，为各种分析和应用打下基础。

上位机系统通常具有非常友好的人机界面，人机界面可以以各种图形、图像、动画、声音等方式显示设备的状态和参数信息、报警信息等。

2）远程监控

SCADA系统中，上位机汇集了现场的各种测控数据，这是远程监视、控制的基础。由于上位机采集数据具有全面性和完整性，监控中心的控制管理也具有全局性，能更好地实现整个系统的合理、优化运行。特别是对许多常年无人值守的现场，远程监控是安全生产的重要保证。

远程监控的实现不仅表现在管理设备的开、停及其工作方式，如手动还是自动，还可以通过修改下位机的控制参数来实现对下位机运行的管理和监控。

3）报警和报警处理

SCADA系统上位机的报警功能对于尽早发现和排除测控现场的各种故障，保证系统正常运行起着重要作用。上位机上可以以多种形式显示发生的故障的名称、等级、位置、时间和报警信息的处理或应答情况。上位机系统可以同时处理和显示多点同时报警，并且对报警的应答做记录。

4）事故追忆和趋势分析

上位机系统的运行记录数据，如报警与报警处理记录、用户管理记录、设备操作记录、重要的参数记录与过程数据的记录对于分析和评价系统运行状况是必不可少的。对于预测和分析系统的故障，快速地找到事故的原因并找到恢复生产的方法是十分重要的，这也是评价一个SCADA系统其功能强弱重要的指标之一。

5）与其他应用系统的结合

工业控制的发展趋势就是管控一体化，也称为综合自动化，典型的系统架构就是ERP/ MES/PCS三级系统结构，SCADA系统就属于PCS层，是综合自动化的基础和保障。这就要求SCADA系统是开放的系统，可以为上层应用提供各种信息，也可以接收上层系统的调度、管理和优化控制指令，实现整个企业的综合自动化。

3.工控机或商用机

上位机系统硬件组成主要有计算机、服务器、网络与通信设备等。这里讨论一下上位机系统的计算机到底选用工控机还是商用计算机。

在SCADA系统发展初期，上位机系统普遍采用工控机。因为工控机在商用计算机上进行了改装与加固，以适应工业应用的要求，主要体现在：

（1）结构设计更合理—与商用机相比，多数工控机都具有无源底板，将商用机的底板功能采用CPU卡件的形式实现。普遍使用全钢结构的标准机箱，机箱上带有滤网、减振和加固压条等装置；配备多个冷却风扇，并使得机箱内部保持空气正压。

（2）可靠性高—工控机对主要的硬件设备，如电源、主板、机箱等都采取了特别的强化措施，其平均无故障实际可以达到数万小时。

（3）适应恶劣环境—工控机在电磁干扰严重、电源电压波动较大、振动、温度变化较大及粉尘较多的恶劣环境下都能够正常运行。

然而，近年来，随着商用机可靠性的不断增强，以及商用机与工控机之间较大的价格差距，SCADA系统选用商用机做上位机已经十分普遍。对于可靠性要求高的场合，可以通过热备等方式来实现。由于工作人员通过操作员站实现对监控操作，这就要求操作员站及其系统软件应当具有高稳定性和可靠性，能够快速的从故障中恢复过来。目前普通使用工作站作为操作员站主机，配置高性能CPU、内存、 RAID10冗余硬盘结构以及光盘驱动器等大容量外部数据存储设备。

1.2.3　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。在一个大型的SCADA系统中，包含多种层次的网络，如设备层总线，现场总线；在控制中心有以太网；而连接上、下位机的通信形式更是多样，既有有线通信，也有无线通信，有些系统还有微波、卫星等通信方式。

1.2.4　检测和执行设备

检测和执行设备从属于下位机系统，由于在SCADA系统中起重要作用，这里单独做一些介绍。

1.检测仪表

SCADA系统中监控的参数按照数据类型可以分为模拟量、数字量和脉冲量等，模拟量包括温度、压力、物位、流量等典型过程参数和其他各种参数，而数字量包括设备的启/停状态等。不同的应用中，检测的参数类型相差很大。如在环境监控中，要大量采用各种分析仪表进行环境参数分析；在电力系统中，则要检测电流、电压、功率等参数。为了实现对这些参数的检测与监控，首先通过各种检测仪表把这些参数转换为电量信号，再把仪表输出与计算机的各种I/O接口连接，从而最终实现把模拟量转换为数字量并被计算机采集。为了简化检测仪表与各种I/O设备的连接，通常要求检测仪表的输出是各种标准信号，如对于模拟量采用4～20mA的标准电流信号，这些信号十分适合远传。如果仪表输出的不是标准信号，可以通过相应的变送器将检测仪表输出信号转换为标准信号。相比较而言，数字量的输入/输出要简单得多，实现起来较容易。

检测仪表在组成上包括检测元件（敏感元件或传感器）和转换电路。检测元件直接响应工艺变量，并转换为一个与之成对应关系的输出信号，这些信号可以是位移、电压、电流、电阻、电荷、频率、光量、热量等。如热电偶测温时，将被测温度转换为热电势信号；热电阻测温时，将被测温度转换为电阻信号。

通常要根据工艺要求、测量精度、量程、仪表的使用环境、维护、备件等来进行仪表选型。由于技术的发展，新型仪表不断出现，许多过去难以测量的变量现在可以有较好的解决方案。目前在仪表选型上的一个趋势是，由于非接触式检测仪表具有的许多突出特性，它们的应用越来越多。

2.执行设备

执行设备接受下位机（控制器）的输出，改变操纵变量，使生产过程按照预定要求正常运行。在不同的行业中，执行器类别不一样，如在生产过程监控中，各种气动执行器得到广泛应用，典型的就是调节阀，还有各种开关阀门。而在制造业中，各种步进电机、变频器、伺服电机等调速设备得到广泛应用。几种类型的执行器及其特点如表1.1所示。