研华通用风电场监控管理系统(WPMS)

研华通用风电场监控管理系统WPMS(SCADA)

什么是SCADA？

一、SCADA简介

SCADA是Supervisory Control And Data Acquisition的英文缩写，国内流行叫法为监控组态软件。从字面上讲，它不是完整的控制系统，而是位于控制设备之上，侧重于管理的纯软件。SCADA所接的控制设备通常是PLC（可编程控制器），也可以是智能表，板卡等。

早期的SCADA运行于DOS,UNIX，VMS。现在多数运行在Windows操作系统中，有的可以运行在Linux系统。

SCADA不只是应用于工业领域，如钢铁、电力、化工，还广泛用于食品，医药、建筑、科研等行业。其连接的I/O通道数从几十到几万不等。下面就其结构、功能、接口、开发工具等方面予以介绍。

二、SCADA体系结构

1．硬件结构

通常SCADA系统分为两个层面，即客户/服务器体系结构。服务器与硬件设备通信，进行数据处理何运算。而客户用于人机交互，如用文字、动画显示现场的状态，并可以对现场的开关、阀门进行操作。近年来又出现一个层面，通过Web发布在Internat上进行监控，可以认为这是一种“超远程客户”。

硬件设备（如PLC）一般既可以通过点到点方式连接，也可以以总线方式连接到服务器上。点到点连接一般通过串口（RS232），总线方式可以是RS485，以太网等连接方式。总线方式与点到点方式区别主要在于：点到点是一对一，而总线方式是一对多，或多对多。

在一个系统中可以只有一个服务器，也可以有多个，客户也可以一个或多个。只有一个服务器和一个客户的，并且二者运行在同一台机器上的就是通常所说的单机版。服务器之间，服务器与客户之间一般通过以太网互连，有些场合（如安全性考虑或距离较远）也通过串口、电话拨号或GPRS方式相连。

2．软件体系结构

SCADA有很多任务组成，每个任务完成特定的功能。位于一个或多个机器上的服务器负责数据采集，数据处理（如量程转换、滤波、报警检查、计算、事件记录、历史存储、执行用户脚本等）。服务器间可以相互通讯。有些系统将服务器进一步单独划分成若干专门服务器，如报警服务器，记录服务器，历史服务器，登录服务器等。各服务器逻辑上作为统一整体，但物理上可能放置在不同的机器上。分类划分的好处是可以将多个服务器的各种数据统一管理、分工协作，缺点是效率低，局部故障可能影响整个系统。

典型的硬件配置图如下：

3．通信

（1）内部通信

客户与服务器间以及服务器与服务器间一般有三种通信形式，请求式，订阅式与广播式。请求式：客户周期性向服务器发出请求，然后服务器为客户准备数据，传送给客户。

订阅式：客户向服务器注册所关心数据，服务器记录每个用户关心的数据。当数据变化通知相应的用户。

广播式：当数据的变化时，服务器向所有客户发出通知。

（2）与I/O设备通信

1）通信模式

设备驱动程序与I/O设备通讯一般采用请求式，大多数设备都支持这种通讯方式，当然也有的设备支持主动发送方式。主动发送方式即I/O设备在数据改变时主动向外界报告数据。有的设备也支持订阅式通信。设备驱动程序应该能够支持各种通信模式。

2）通信协议

通信协议即与设备间的会话格式，可以理解为一种简单的交流语言。这些语言有一定的地方性，尤其是国产的PLC，智能仪表。常见的协议有Modbus, Profibus等。设备驱动程序必须为每种协议编制相应的代码。开发一设备驱动一般为1～5周，这要根据协议的复杂程度决定。软件商一般将该部分做成标准开发包，用户可以自己开发。

服务器可同时带有多个不同种类的驱动程序，这样服务器就可以同时跟多种设备进行通信。

（3）与外界通信

为了效率，服务器上的实时数据和历史数据一般都以私有格式存放，实时数据驻留在内存中，而历史数据保存在磁盘中，事件记录也可能以私有格式保存在磁盘中，但有些软件可以将其直接存放到关系数据库（如Ms SQL Server，ORACLE）中。由于无论采用直接方式还是ODBC与关系数据库通讯，速度都是比较慢

的，所以不可能将快速变化的数据都存放到关系数据库中。那么服务器内这些私有格式的数据是如何与外界联系的呢，下面简要说明。

SCADA通过多种方式与外界通信。如OPC，一般都会提供OPC客户端，用来与设备厂家提供的OPC服务器进行通讯。因为OPC有微软内定的标准，所以OPC客户端无需修改就可以与各家提供的OPC服务器进行通讯。现在国外的硬件厂商大多都能提供OPC服务器，而国内的硬件厂商确很少。SCADA供应商一般也会提供自己的OPC服务器，以便别人通过OPC访问自己，这样也实现了不同SCADA间的互联。此外还有其他的一些通讯手段，如：

ODBC，第三方程序通过ODBC访问历史数据，事件记录等。

API接口：可以在编程环境（如VB,VC）中使用该接口。

OLE控件：可以在各种编程环境下使用，也可以嵌入到支持OLE包容器的程序中，如Ms Word。

DDE：微软的动态数据交换协议。

三、整体构架

由服务器，客户端构成了SCADA C/S结构，由服务器，Web服务器，Web客户构成了SCADA B/S结构。服务器配置在不同的机器上，甚至不同的操作系统平台上，彼此分工协作，形成统一整体，构成了SCADA的分布式体系结构。

为了增加系统的可靠性，服务器端允许双机热备，重要场合可以一机多备。服务器双机热备一般是将两台机器配置相同，一台作为主站，另一台机器作为副站，主站完成服务器的正常工作，另一台与其同步。当主站故障时，副站接替主站的工作。主站与副站是相对的，可互换的。双机热备包含I/O通道的热备。由于多个客户可以同时访问一个服务器端，所以客户端本来就是多重的。

一个系统中，可以有多个服务器，每个服务器可带有多个I/O设备。客户端可以访问一台或多台服务器。Web服务器可以作为多个服务器的代理，将Web客户与各服务器连接起来。

四、内部组织概述

1．服务器内部组织

服务器包括过程数据库，I/O驱动，Web服务器等。服务器的核心是过程数据库，下面对其内部组织加以介绍。

过程数据库是由完成各种特定功能的算法块组成，这些算法块也被称为“内部仪表”或“虚拟仪表”，更常用的称呼是“点”。

点是组成过程数据库的基本单位，点分为很多类型，每种类型的点完成一定的功能，如模拟I/O点，专门用于对模拟I/O进行处理，PID点完成PID控制运算等。点由各种参数组成，不同的点有不同的参数，如模拟I/O点有NAME，PV，LO，HI等参数。可以想象点类型相当于关系数据库中的表结构，参数相当于字段。与表结构不同的是，每种点类型有特定的内部处理算法，参数间存在内定的联系，如LO是PV的低限报警值，PV低于LO将产生低限报警，报警检查是点的内置功能，不需要编写另外的程序来实现。

参数是组成数据库的最小单位。一般地，一个点只有一个参数与外界相连，通常称其为测量值（PV）。其他参数作为PV的辅助参数，如LO为PV的低限报警限值，HI为PV的高限报警限值，SP为PV的目标值等。有的系统允许一个点有多个参数与外界相连。

点的测量值（PV）通常与控制器（如PLC）的输入/输出通道相连。PV值代表I/O量的大小或状态。

按照装置或场地可以将点逻辑的划分为区域或单元。一般区域包括单元。

2．人机界面内部组织

人机界面由很多窗口组成，窗口包含图形和文字。文字和图形可动态变化。如文字可显示现场I/O量的大小，图形的颜色变化表示现场状态量的改变等。

同时显示的窗口一般只有一个，窗口间可以互相连接、跳转，也可以设立菜单或专门的窗口负责窗口间的切换。

人机界面开发环境中提供了各种绘画工具，如画矩形、椭圆、文字、位图等工具。同时提供了动画连接手段，使图形、文字等与现场的数据相关联。现场数据变化则画面上图形颜色、位置等也相应改变，通过观察画面上的图形文字就可以知晓现场的状态，并称这种图形文字与数据之间的联系为“动画链接”。

可以手工的绘制各种工艺对象，如罐、阀门、泵等。为了方便使用人机界面开发环境都提供了现成的小图形，称之为“子图”。在子图中可以找到各种现成的图形，如各种形状的阀门。有的子图还与特定的动画连接捆绑，更加方便使用。

趋势图人机界面不可缺少的组成部分。趋势图以曲线的形式显示过程数据库中实时数据或历史数据。一般实时数据和历史数据分别在不同的趋势图中显示。一幅趋势图中通常最多显示八条曲线，曲线可以放大、滚动。趋势笔可以在开发环境中定义，也可以在运行时动态指定。

报表是人机界面的重要组成部分。开发环境提供专门的报表生成工具，方便的形成各种报表。报表中的数据可以有瞬时值、历史值、统计值。还可以让报表定时打印。另外还可以利用SCADA的Excel插件，用Ms Excel生成报表。

此外，在人机界面中还有许多其它种类的组件，如XY曲线、报警浏览、总貌等。另外人机界面几乎都是OLE容器，可以嵌入OLE对象，或ActiveX控件。

五、重要功能

1．过程报警

过程报警是过程数据库的基本功能。报警是对测量值的范围、变化速度的预警。报警包括限值报警，变化率报警，偏差报警，异常报警等。更复杂的报警可以通过对测量值进行数学运算，然后对运算结果进行报警检查而产生。发生报警后，操作员可以通过报警画面对报警进行“确认”，“确认”就是告诉系统我知道了发生的事，以免系统再次提醒。报警信息，报警确认信息，报警恢复（报警消除）等信息都可以被系统自动记录下来。报警按照重要程度可分为多个优先级，如低级、高级、紧急。

报警发生时系统可以通过多种方式通知用户，如弹出报警窗、发出声响，甚至可以发送短信或电子邮件。至于使用哪种方式，用户可以自由指定。

2．历史存储

对实时数据可以进行历史存储。历史数据对于生产状况分析、实现先进/优化控制、以及生产事故分析非常重要，所以将重要的工艺数据都会进行长期历史保存。为了节省存储介质空间，对保存的数据使用压缩保存。常用的保存方式有周期性保存和变化保存（数据只有变化到一定程度才保存）。

3．脚本语言

除了固定格式的功能，如点内部处理（能够完成几种固定形式的功能，如量程转换、报警检查、PID运算），动画连接（能够完成几种固定形式的动画，如颜色、位置改变）等，SCADA还允许用户定义特殊的逻辑、运算，这是通过SCADA的内置编程语言实现的。SCADA的提供的编程环境有的是内嵌VBA编译器，有的是自定义的类似BASIC或类似C语言的编译器。无论是哪种编程环境SCADA都要提供很多访问自身数据的属性、方法，以便在编程环境中与SCADA系统交互。这种内置的编程语言经常称作“动作”，现在更多的称呼是“脚本”。这里的脚本与Excel中的“宏”类似。通过脚本用户可以自由扩展系统功能。

脚本与一般编程语言类似，在脚本中提供多种运算操作（如赋值、数学运算、逻辑运算），控制语句（如条件判断，循环，分支），以及内置函数等。有的SCADA还支持自定义函数。

脚本的触发方式有多种：一次性执行（如进入窗口时执行）；周期执行；事件触发执行（如数据改变时执行，按键触发）。

脚本也能产生多种输出动作：如向过程数据库写数据；发送短信；调用窗口；产生声响等。

六、SCADA的益处

使用SCADA软件能够带来的好处可列举如下：

提高效率。SCADA的开发一般需要20~100人年，并且不断的采用新技术，吸取用户的经验，在使用中不断提高。SCADA综合用户的需求，将工程中共性东西提炼出来，制成相应的模式或模块，以帮助用户快速实现自己的工程。因此使用SCADA可以跟上时代的发展，并能提高自己的工作效率。

一致性。SCADA的提供固定的格式，让用户实现自己的工程，有的是填表式的，有的是向导式的。无论是谁来组态，同样的工程要求，形成的组态结果都是相同的，或者差异很小。

可维护性。SCADA内部功能强大，组织复杂，但是对用户是透明的，所以用户的组态工作量不大，或者只是重复性较大。因此工程易于维护。