小規(guī)模SCADA系統(tǒng)的原理分析和維護(hù)探討

吳曉強(qiáng)+孫成仁

摘 要 SCADA也簡(jiǎn)稱(chēng)為監(jiān)控系統(tǒng)，目前企業(yè)較為常見(jiàn)的SCADA系統(tǒng)屬于最小規(guī)模的監(jiān)控系統(tǒng)。本文從保障企業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行，對(duì)SCADA系統(tǒng)知識(shí)、故障分析判斷等方面進(jìn)行簡(jiǎn)單探討。

關(guān)鍵詞 SCADA；監(jiān)控系統(tǒng)；通信；故障判斷

中圖分類(lèi)號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）202-0104-02

SCADA是“Supervisory Control And Data Acpuisition”的簡(jiǎn)稱(chēng)，翻譯成中文就是“監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集”，部分文獻(xiàn)簡(jiǎn)稱(chēng)為監(jiān)控系統(tǒng)。目前企業(yè)較為常見(jiàn)的SCADA系統(tǒng)屬于最小規(guī)模的監(jiān)控系統(tǒng)，基本上都是采用一臺(tái)主計(jì)算機(jī)配接輔助計(jì)算機(jī)和各節(jié)點(diǎn)PLC并且運(yùn)行自行開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。

1 SCADA系統(tǒng)組成

1.1 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)就是主控計(jì)算機(jī)，一般都是運(yùn)行自行開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)性應(yīng)用軟件，采用人機(jī)界面HMI及中央操控臺(tái)控制，上位機(jī)系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)顯示、遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警和報(bào)警處理、事故追憶和趨勢(shì)分析、與其他應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)合。我們一般把上位機(jī)通俗的叫作工控機(jī)。

1.2 下位機(jī)系統(tǒng)

下位機(jī)系統(tǒng)普遍采用RTU（遠(yuǎn)程終端單元）、PLC（可編程邏輯控制器）、PAC（可編程自動(dòng)化控制器）及各種I/O卡件和智能儀表等。但是考慮到SCADA系統(tǒng)中上下位機(jī)之間通信因多種原因可能出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，下位機(jī)系統(tǒng)也須具有自主控制能力，控制系統(tǒng)的可靠性就進(jìn)一步提高，現(xiàn)場(chǎng)控制單元自主性也得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

1.3 檢測(cè)儀表

SCADA系統(tǒng)中監(jiān)控參數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型可分為模擬量、數(shù)字量、脈沖量等，其中模擬量一般包含壓力、溫度、物位、流量等過(guò)程參數(shù)以及其他參數(shù)，數(shù)字量則主要是設(shè)備的啟/停狀態(tài)等參數(shù)。檢測(cè)儀表在組成上包括檢測(cè)元件（敏感元件或傳感器）和轉(zhuǎn)換電路。檢測(cè)元件接收工藝變量后直接響應(yīng)，然后輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系的信號(hào)，信號(hào)不僅可以是通常的電壓、電流、位移、電阻，還可以是電荷、頻率、光量、熱量等。

1.4 執(zhí)行設(shè)備

下位機(jī)（控制器）的輸出被執(zhí)行設(shè)備接收后，操縱變量發(fā)生改變，從而使生產(chǎn)按預(yù)定要求來(lái)執(zhí)行運(yùn)行，執(zhí)行主要由氣、電、液等機(jī)構(gòu)完成。在不同的行業(yè)中，執(zhí)行器類(lèi)別也在很大的差別，如在生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控中，廣泛應(yīng)用的是各種氣動(dòng)執(zhí)行器，如調(diào)節(jié)閥，還有各種開(kāi)關(guān)閥門(mén)等。而在制造業(yè)中，應(yīng)用更多的是各種步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、變頻器等調(diào)速設(shè)備。

2 SCADA系統(tǒng)通信

2.1 SCADA系統(tǒng)通信簡(jiǎn)介

上位機(jī)系統(tǒng)要與下位機(jī)系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，必須要建立通信，就跟部隊(duì)打仗一樣，上級(jí)要指揮下級(jí)一定要使用下級(jí)能聽(tīng)的懂得語(yǔ)言進(jìn)行交流，而這些在SCADA系統(tǒng)控制里就簡(jiǎn)稱(chēng)通信協(xié)議，為了交換數(shù)據(jù)，上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)都共同遵守這個(gè)協(xié)議。通信是涉及技術(shù)難度較深的一個(gè)領(lǐng)域，牽扯到發(fā)送、接收、單工、半雙工、全雙工、編碼、調(diào)制、解調(diào)、糾錯(cuò)、并行傳輸、串行傳輸、同步傳輸、異步傳輸、基帶傳輸、頻帶傳輸和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)取，F(xiàn)在幾乎所有的儀表、控制設(shè)備都配置有串行接口。

2.2 SCADA系統(tǒng)通信接口

串行通信接口主要包含數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE和數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備DCE。根據(jù)當(dāng)前通信接口標(biāo)準(zhǔn)而言，DTE與DCE的接口標(biāo)準(zhǔn)多采用ITU-T和EIA制定的標(biāo)準(zhǔn)。其中ITU-T標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)為V系列和X系列，EIA標(biāo)準(zhǔn)有EIA-232、EIA-442和EIA-449等。數(shù)據(jù)通信接口標(biāo)準(zhǔn)主要是對(duì)數(shù)據(jù)通信的接口以及信號(hào)方式定義，要求通信線路兩端有DTE和DCE，其中DTE產(chǎn)生數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)紻CE，DCE通過(guò)將此信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m形式在傳輸線路完成傳輸。物理層而言，DTE可以是終端、計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)和打印機(jī)等其他設(shè)備，但通信需要有一個(gè)轉(zhuǎn)接設(shè)備才能完成。DCE最常用的設(shè)備就是調(diào)制解調(diào)器，其可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收和傳輸模擬數(shù)據(jù)或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

2.3 RS-232接口

以EIA-232為例，典型的代表就是RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是EIA（美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)）于1973年提出的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，主要用于模擬信道傳輸數(shù)字信號(hào)的場(chǎng)合。RS代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，DTE/DCE接口標(biāo)準(zhǔn)的電氣特性中，對(duì)接收端驅(qū)動(dòng)器以及發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)電平、傳輸速率、負(fù)載容限、傳輸距離等有嚴(yán)格規(guī)定。

2.4 RS-485接口

SCADA系統(tǒng)里最為常見(jiàn)的串行接口是RS-485接口，為EIA于1983年在RS-422基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)制定的RS-485標(biāo)準(zhǔn)，與RS-422相比，主要增加多點(diǎn)、雙向通信能力，即可以多個(gè)發(fā)送器在同一條總線上連接，另一方面也提高了發(fā)送器驅(qū)動(dòng)能力以及沖突保護(hù)特性，對(duì)總線共模范圍進(jìn)一步拓展，后命名為T(mén)IA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。其采用平衡傳輸方式，在傳輸線上需接終端電阻等以更好完成傳輸。

3 SCADA系統(tǒng)的故障維修

3.1 軟件故障的判斷

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能運(yùn)行時(shí)，第一要區(qū)分的是軟件故障還是硬件故障。判斷軟件故障最笨的一個(gè)辦法就是設(shè)備重啟（前提是能開(kāi)機(jī)），除了系統(tǒng)崩潰，重啟一般都會(huì)將軟件故障排除。當(dāng)然如果使用者手里有廠家的程序軟件那是最好不過(guò)的了，我們就像給電腦重裝系統(tǒng)一樣也重裝一遍系統(tǒng)，沒(méi)有解決不了的軟件故障。

3.2 硬件故障的判斷

在排除了軟件故障后，我們處理硬件故障一定要?jiǎng)澐止收戏秶?，即使最小的SCADA系統(tǒng)也會(huì)有成百上千個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果不加以甄別亂查一氣，耽誤時(shí)間不說(shuō)，能找到故障點(diǎn)的可能性也是微乎其微的。但是，幾乎所有的SCADA系統(tǒng)都有一個(gè)非常好的功能：故障點(diǎn)提示功能。感謝科技的發(fā)展讓我們能夠體驗(yàn)到這些全新的維修理念，好的運(yùn)行軟件都能將故障的提示做的非常詳盡，所以平時(shí)一定要熟悉生產(chǎn)工藝，了解流程，這些對(duì)故障的排查都有著事半功倍的效果。

3.3 PLC故障的判斷

PLC作為自動(dòng)化工業(yè)控制里使用最多的控制器，在這里就起到一個(gè)承上啟下的作用，各個(gè)采樣點(diǎn)的信號(hào)，各個(gè)控制點(diǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是通過(guò)PLC與上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)系的，PLC是可編程邏輯控制器，根據(jù)事先編好的程序運(yùn)行，平均無(wú)故障時(shí)間為2～5萬(wàn)個(gè)小時(shí)，所以發(fā)生故障時(shí)不要輕易的去懷疑和替換，先要問(wèn)問(wèn)自己是否非常熟悉這個(gè)程序，所有的運(yùn)行條件是否滿足，因?yàn)檫壿嬤\(yùn)行就是這樣的特點(diǎn)，上一個(gè)程序沒(méi)有執(zhí)行不可能進(jìn)入到下一個(gè)程序，所以這點(diǎn)上平時(shí)還要多了解工作過(guò)程和編程原理。因?yàn)槲覈?guó)工業(yè)結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，我們大多數(shù)的維修人員對(duì)PLC是不熟悉的，這也直接導(dǎo)致了發(fā)生故障時(shí)還是按照接觸器檢修的思路進(jìn)行，跑偏是在所難免的。建議接觸自動(dòng)化的維修人員學(xué)一學(xué)PLC編程，熟悉PLC編程可以更快的找到故障點(diǎn)。

3.4 執(zhí)行設(shè)備和采樣儀表故障的判斷

執(zhí)行設(shè)備里比較有難度的是變頻器和各種電子設(shè)備，對(duì)設(shè)備維修人員提出了更高的專(zhuān)業(yè)要求，每一個(gè)維修人員最基本的是要讀懂設(shè)備技術(shù)手冊(cè)，最好是能夠徹底的了解每一個(gè)執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行原理，更要學(xué)會(huì)分析電子電路的故障特點(diǎn)。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)整體水平的不斷發(fā)展，SCADA系統(tǒng)在企業(yè)有了廣泛的應(yīng)用，也取得了良好的實(shí)踐效果。因此，企業(yè)的工作人員在工作時(shí)應(yīng)對(duì)SCADA系統(tǒng)的重要性有著清晰的認(rèn)識(shí)，提高工作人員的技術(shù)水平，對(duì)企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]陽(yáng)憲惠.工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2]胡金初.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3]王華忠，王慧鋒，張雪申，等.基于RS-485總線的CO中―低溫變換反應(yīng)測(cè)控系統(tǒng)[J].自動(dòng)化議表，2002，23（10）：59-61.