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SCADA 应用中的通讯技术

来源:转阁邀月 智造商2018.07.07阅读 19143

  “SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统,即数据采集与监视控制系统。  
  登陆各大百科网站,我们可以看到如下关于 SCADA 系统的解释:
  SCADA 是指一个可以监视及控制所有设备的集中式系统,或是由分散在一个区域(小到一个工厂,大到一个国家)中许多系统的组合。其中大部份的控制是由远程终端控制系统(RTU)或 PLC 进行的,主系统一般只作系统监控层级的控制。例如在一个系统中,由 PLC 来控制制程中冷却水的流量,而 SCADA 系统可以让操作员改变流量的目标值,设定需显示及记录的报警条件(如:流量过低控制工程网版权所有,温度过高)。PLC 或 RTU 会利用反馈机制来控制流量或温度,而 SCADA 则监控系统的整体性能。


  PicSource:ELECTRICAL ENGINEERING PORTAL


  早期大型 SCADA 系统主要在电力系统应用,通过前置机采集变电站从站 RTU 数据,实现电力系统远程主站功能。由于电力系统采集综保装置信号的要求,数据都要求带有时间标签,遥信的精度要求达到 1ms。这就对 SCADA 主站系统软件提出了较为特殊的要求。另外电力主站软件监视的从站往往比较多,所以需要支持矢量地图、图形分层、无级缩放等功能。早期针对一般工业控制应用开发的一些通用组态软件在电力系统主站级应用时碰到很多困难,支持最好的通用组态软件产品往往也只能做变电站级别的控制应用。


  PicSource:MOXA | Oil & Gas


  后来大型 SCADA 应用扩展到电气化铁路、电厂 SIS、冶金、采矿、油气、供水及污水等几乎各行各业,SCADA 系统往往成为制造执行系统、能源管理等上层应用的必要条件。
  下面我们会以近期国内采矿行业成功实施的一个大型 SCADA 系统项目为例,试着帮助大家加深对 SCADA 应用中通讯技术的认识。


  PicSource: 已隐去敏感用户信息


  系统主干采用 SDH 专网,总体的带宽为 2.5Gb,网络同时集成了实时数据通讯、视频监控、网络调度电话及办公 OA 系统。


  PicSource: Rockwell Automation | Studio 5000


  主控中心服务器、分控站的操作员站采用 RSLinx 通讯软件与分控站、子控站的 PLC 控制系统通讯。RSLinx 软件采用基于通用以太网平台的 EtherNet/IP 通讯协议与控制器通讯。
  EtherNet/IP 指的是"以太网工业协议"(Ethernet Industrial Protocol)。它定义了一个开放的工业标准,将传统的以太网与工业协议相结合。该协议最早由罗克韦尔自动化在上世纪 90 年代研发,后来交由开放设备网络供应商委员会 ODVA 管理。目前 EtherNet/IP 作为开放标准在 ODVA 有超过 2000 家认证供应商。


  PiciSource:ODVA


  EtherNet/IP 是基于标准以太网的实时工业通讯协议www.cechina.cn,所有标准的以太网通信模块,如 PC 接口卡、电缆、连接器、集线器和交换机都能与 EtherNet/IP 一起使用。 EtherNet/IP 在传输层以上采用通用工业协议 CIP。
  在 EtherNet/IP 面世之前www.cechina.cn,CIP 作为大型的独立于网络的标准,已经与 ControlNet 和 DeviceNet 一起使用了很多年。 ControlNet, DeviceNet 和 EtherNet/IP 具有相同的应用协议,因而使用通用的设备规范和目标库。这就使得不同厂商的复杂设备间能够即插即用地进行操作。EtherNet/IP 倾向用于网络实时控制应用。借助 CIP 协议,以太网可以集成到设备级,能给用户提供诸多便利,通用的配置、跨越几个网络收集和控制数据、以 TCP/IP 连到全球互联网或公司内部网,最终在所有工作层面上提供连续的信息流。


  PiciSource:Wikipedia


  变电所后台综保电调系统的 20 个 RTU 四遥信号的采集,采用了通用电力 SCADA 协议 IEC60870-5-104。它实际上是 IEC60870-5-101 协议的网络应用,为两个具有永久连接电路的主站与子站间基本远动信息的传输提供了一套通信协议集。IEC60870-5-104 支持多主站和对等操作,对于遥信、遥测等信息,支持轮询方式;而对于变位信息,则由发生数据变化的设备主动上报,无需主站去询问。
  由于该项目对于各站点之间的协同及连锁保护的要求较高控制工程网版权所有,要求 SCADA 系统实现高精度的时间同步,系统采用专用的 GPS 网络时间服务器,接收卫星信号并提供 NTP 网络对时服务。服务器及客户端计算机可以与网络时间服务器通过 NTP 对时,局域网对时精度可达 1ms。对于控制器系统,选定首站的交换机作为 NTP 客户端从时间服务器获取时间。该交换机同时作为 IEEE1588(精确对时协议,对时精度可以达 100ns,自带网络传输延时补偿)时间服务器,所有控制器作为 IEEE1588 客户端与该交换机进行对时。


  PicSource:IEEE 1588


  IEEE1588 定义了为网络测量和控制系统提供精确时钟同步的协议标准,因为运营商、电力、制造、运输等行业的各类系统都需要一个能在低成本、易部署的以太网上为其提供高精度时钟同步的方法。PTP 是 IEEE1588 的核心协议,设备之间通过运行 PTP 协议,交互 PTP 报文,实现时间和频率的同步。


  PicSource:FactoryTalk


  项目中采用的 FactoryTalk View SE 软件可以与 Logix 控制器标签数据库一体化集成,用户可以在软件里直接使用 PLC 控制器标签,大幅减少传统 SCADA 软件标签数据库的组态及校对工作量,同时减少了数据通讯的接口层次,大大提高了系统的实时性。


  PicSource:FactoryTalk


  另外 FactoryTalk View SE 软件支持基于 PLC 设备的报警和事件功能。可以在 Logix 控制器内定义报警信息,在报警发生时,以事件消息的方式把带有控制器时间标签的数据信息主动上报到 FactoryTalk View SE 软件,报警信号的时间精度可以达到毫秒级。


  PicSource:FactoryTalk | Historian SE


  该项目采用了两套 50,000 点的 FactoryTalk Historian SE 实时历史数据库,其内核引擎采用了 PI 实时历史数据库,和 PI 首创的螺旋门压缩算法,可以在 1 秒内读写上百万条历史数据,并实现对海量历史数据的高速检索和访问。


  PicSource:FactoryTalk | VantagePoint


  项目中采用的 FactoryTalk VantagePoint 智能化制造软件,具备设备建模的能力,可以基于 ISA95 标准建立生产模型,按设备、生产单元、工艺段、厂站、企业树形结构组织实时数据及关系型数据。


  PicSource:FactoryTalk | VantagePoint


  同时,这款软件是基于 B/S( 浏览器/服务器 )架构的,可以生成管理系统门户网站。用户可以使用 Excel 插件,基于实时历史数据库及关系型商业数据库中保存的数据,很方便的生成各类自定义报表控制工程网版权所有,并发布成网页;也可以使用专业的电子面板工具,生成各类实时动画式刷新的电子面板画面。


  PicSource:FactoryTalk


  VantagePoint 的前身为 Incurity,Wonderware 公司曾 OEM 该产品作为 InSQL 历史数据库的客户端软件及 Wonderware 的信息化门户解决方案。后来这家公司被 Rockwell Automation 收购。
  该产品在中国电厂 SIS 系统、燃气管网调度管理系统等大型 SCADA 项目中有过广泛且成熟的应用。
  希望通过以上简短的案例分享,能够帮助大家更好的理解 SCADA 应用中的通讯技术。
  在实际的应用中,SCADA 软件往往与 PLC 来自于不同厂商。一般情况下,主流 PLC 厂商总是会采用自家主推的通讯协议,SCADA 软件要直接支持所有 PLC 厂商的通讯协议是比较困难的,因此通常需要借助 OPC 技术来实现连接。而传统的 OPC 技术因为 DCOM 权限设置及早期的 DCOM 稳定性问题广为工程师们所诟病。


  PicSource:National Instruments


  目前 PLC 厂商都在加速推进将最新的 OPC UA 统一架构技术集成到新一代的 PLC 产品当中。SCADA 软件未来可以直接通过 OPC UA 连接所有主流厂商的 PLC,将大大简化工程师的通讯配置工作;另外通过 OPC UA 可以和企业的用户权限认证服务器集成,解决以往的 SCADA 通讯安全问题。

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