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摘要：监控与数据采集（SCADA）系统主要有四部分组成：（1）现场采集控制部分（下位机，其中RTU是重要的远程终端单元）；（2）过程监控与管理系统（上位机）部分；（3）数据通信网络；（4）检测和执行设备。目前，SCADA系统无线通信网络得到广泛应用，其中ZigBee无线网络短程通信技术是未来应用的重点之一。

1　SCADA应用发展回顾

SCADA是“SupervisoryControlAndDataAcquisition”的简称，中文是“监控与数据采集”。SCADA系统可以应用到包括石化、钢铁冶金、供水供气、环保、水文、航空航天等众多领域（小到一个工厂，大到一个国家）。

经过几十年的不断发展，由早期专用的计算机和专用的操作系统到现在多数运行在Windows、UNIX、Linux系统中，已经经历了三代更迭。

第一代SCADA系统起源于20世纪70年代，采用专用计算机系统。

第二代SCADA系统出现在20世纪80年代，基于通用计算机技术。

第三代SCADA系统出现于20世纪90年代，采用远程终端（RTU）及PLC为核心的控制技术，其通讯部分基于网络技术，管理部分运用数据库技术，网络技术开放，易于多系统互联。

第四代SCADA系统业已发展成熟，它综合利用了计算机技术、控制技术及Internet、GSM、GPRS等网络技术，同时SQL、ODBC、OPC等标准的统一应用，大大促进了SCADA系统的发展。也可以说，SCADA系统经历了集中式系统阶段、分布式SCADA系统阶段和网络式SCADA系统阶段。至此，SCADA系统已经从单一型、分散型，逐步走向网络化、智能化，并广泛应用于石油、电力、化工等行业。

2　SCADA系统介绍

SCADA系统是对分布距离远，作业单位分散的生产系统一种数据采集、监视和控制系统。从其名称可以看出，其包含两个层次的基本功能：数据采集和监控。它可以实时采集现场数据，对工业现场本地或远程自动控制，对工艺流程进行全面、实时监控，并为生产、调度和管理提供必要的数据。最终实现数据采集（Dataacquisition）、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等功能。

处于测控现场的数据采集与控制终端（通常称为下位机—SlaveComputer）和位于控制中心的集中监视与管理的远程监控计算机（上位机—MasterComputer）。

复杂的SCADA系统可以有多个现场监控中心，每个监控中心与一定数量的现场控制站通信，对整个现场被控设备进行远程监控及被控设备过程进行集中管理。主要结构包括远程终端单元RTU（RemoteTerminalUnit）、通讯网络（RS有线、无线、光纤等）监控站组成。SCADA系统典型结构如图1所示。

图1SCADA系统典型结构

SCADA系统的应用场合有以下特点：

数据采集的范围大，如几百米、几公里，甚至几千公里；

站点数量比较多，几个至千个；

每个站点采集的数量不是很大；

对实时性要求不很高。

3　SCADA系统的构成

3.1　现场采集控制部分（下位机）

主要由PLC、仪表、控制器、RTU等组成。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、流量等典型参数，数字量包括设备起/停、报警等。上述信号由现场监测传感器获得。其中，RTU是SCADA的关键单元，是核心装置，是一种耐用的现场智能处理器，它负责对现场信号、工业设备监测和控制。与常用PLC相比，RTU通常要具有优良的通信能力和更强大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，正是由于RTU完善的功能，使得RTU产品在SCADA系统中得到大量应用。其特点是：

通信距离较长；

用于恶劣环境的工业现场；

模块结构化设计，便于扩展；

RTU的一个重要特征是能够在特定存储空间连续存储/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；

在具有遥信、遥测、遥控领域的石油、水文、电力、矿山等行业广泛使用。

需要说明的是RTU连接许多传感器，具有就地采集现场工艺设备状态及运行工艺参数、并可接受命令对现场设备进行自动控制。RTU可以和控制站按照约定的通信协议进行数据通信。进行本地控制时作为系统中一个独立的工作站，这时RTU可以独立完成连锁控制、前馈控制、反馈控制、PID等工业常用的调节功能，进行数据采集时作为一个远程数据通信单元，完成或响应本站与控制中心的通信和遥控任务。

它的主要配置有CPU模块、I/O模块、通信接口单元、有线/无线接收单元（Radio）、天线、电源等。

RTU硬件功能：

CPU和可变存储器；

不可变存储器保存程序和数据；

可靠电源（备用电池）；

串口及通信接口的能力；

看门狗功能（出现错误时，保证RTU重启）；

防“spikes”的电保护功能；

DI/DO/AI/AO的I/O接口；

实时时钟。

RTU的主要作用：

RTU主要作用是进行数据采集及本地控制，它是一个独立的数据获取与控制单元，通过自身的软件（或智能软件）系统，可理想地完成现场与控制中心的数据通信。它在远端控制现场设备获得数据，并将数据传给SCADA系统的控制中心。

在任何一个应用对象的SCADA中，RTU均能控制对系统输入的扫描，且通常速度很快。它还可以对控制对象的控制过程进行一些处理，如改变过程的状态，存储等待SCADA监控中心查询的数据。当RTU受到SCADA监控中心选择时，它需要把所有数据上传，完成这样的要求响应。

3.2　过程监控与管理系统（上位机）部分

较大系统的上位机部分通常包括SCADA服务器、工程师站、操作员站、Web服务器等，这些设备通常用以太网联网。它是一个局域网，可包含多个工作站和支持网络功能的设备，以完成不同的工作。每个工作站通过计算机组态软件组态不同的现场画面监测现场，下发控制指令进行控制，并完成统计曲线、报表等功能。对于各种计算机组态软件，广义的来说凡是具有系统监控和数据采集的功能软件，都可称为SCADA软件。

监控中心触发通信方式包括：

（1）轮询方式，由系统设置一个时间周期，每隔一个时间段系统进行一次查询，例如采用ModBus协议，在软件中设置查询周期。

（2）广播方式，由监控中心向所有RTU或某分组内的RTU下发命令。

（3）通信规约多数采用标准的ModBus开放规约，便于兼容。

实际应用中，如何配置还要根据系统规模和需求而定，在较小的SCADA系统中，监控中心只有一台PC即可。

随着无风扇电脑、固体硬盘等新原件新技术的应用，计算机运行速度、稳定性都有大幅提高，SCADA系统上位机选用商用机做上位机已经十分普遍。

3.3　数据通信网络

通信网络则是提供监控系统及RTU（或PLC）之间传输数据的通道，是实现SCADA系统的数据通信的重要组成部分。网络通信可分为两大类，即无线通信和有线通信，无线通信主要有GPRS、无线数据终端、ZigBee、卫星通信等。有线通信主要有RS总线、DDN专线、光纤等方式。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，如矿山、油田等工作站的监控。

一个大型的SCADA系统，上、下位机的通信形式十分多样，通常以无线通信为主，有线通信为辅。SCADA系统运用无线网络，解决了大量难以布线的现场，如矿山、油田的无人工作站的监控等，因此，无线通信网络在SCADA系统中应用越来越多，如GPRS、ZigBee、无线数据终端等方式的无线传输。在有线传输方面，近年光纤大量应用于工业控制领域，其传输容量大，传输距离远，抗干扰，得到广泛应用。由于新技术不断出现，给SCADA增添了活力。

3.4　检测和执行设备

（1）现场检测数据可分为模拟量、开关量和脉冲量等，模拟量包括温度、压力、物位、流量等典型过程参数和其它各种参数，而数字量包括设备的启/停状态等。现场检测原件包括热电偶、热电阻、压力传感器、电流传感器等均可转换成标准电流信号，一些智能检测原件还可以提供标准通信接口（ModBus协议）。

（2）现场执行设备接受下位机（控制器）的输出，控制设备运行。执行设备包括各种气动执行器、电动调节阀、各种开关阀门、变频器等设备。

4　SCADA系统的应用

SCADA系统主要应用在工业自动化、矿山、油田、水文、生产线管理、楼宇自动化、无人工作站等方面。具体实例有：武广高铁采用SCADA技术建立了铁路防灾系统。长沙火车站和广州南站全线共设置个防灾监控单元，实现了对远程无人值守站点、环境恶劣站点的监控。

在电力系统领域，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟，已经成为电力系统调度不可缺少的工具。图2为某电力公司SCADA系统结构图。

图2某电力公司SCADA系统结构图

再以某大型污水处理工程为例，由于它包括污水管网、泵站、污处理厂等，在地域上较为分散，远程泵站与污水处理厂的距离通常比较远，通信网络采取光纤+无线通信方式。监测与控制点多数为数字量I/O，控制要求不是十分严格。因此，首选SCADA系统。

其它如水库坝体、供水系统监测、气象无人网络监测、城市供热、石油天然气等各种管道监控管理、环境监测、交通安全监测、隧道安全监测以及其他需要实时监控的设备等。

5　SCADA未来发展

未来随着网络通信技术特别是无线通信技术的发展，SCADA系统在结构上更加分散，通信方式更加多样，系统结构从C/S（客户机/服务器）架构向B/S（浏览器/服务器）与C/S混合的方向发展，各种无线通信技术如无线数据终端、ZigBee、数传电台、GPRS、卫星通信等会有更加广泛的应用。

特别是ZigBee这种新兴的短距离、低速率无线网络技术，是一组基于IEEE批准通过的.15.4无线标准研制开发的，适合近距离无线连接。主要适合承载数据流量较小的业务，可以嵌入各种设备中，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以通信效率非常高。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是最低功耗和成本的技术，未来应用空间很大。

随着传感网、物联网的不断发展应用，同时也与SCADA系统相融合，相信智慧工厂、智慧城市乃至智慧地球离我们将越来越近。

参考文献：

[1]孙兵.太阳能风能电站远程监控技术[M].北京：中国铁道出版社,.

[2]张春红.物联网技术应用[M].北京：人民邮电出版社,.

[3]王华忠.监控与数据采集（SCADA）[M].北京：电力工业出版社,.

作者简介：

张虎（-），男，辽宁大连人，高级工程师，现就职于秦皇岛冶金重工有限公司设计院，主要研究方向是工业自动化及物联网技术。

摘自《自动化博览·今日自动化技术应用在中国》