SCADA系统培训教材.docx

SCADA系统培训教材.docx

《SCADA系统培训教材.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《SCADA系统培训教材.docx（47页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

SCADA系统培训教材

SCADA系统培训教材

基础部分

第一章SCADA系统概述

一、SCADA系统基本概念

SCADA系统是英文SupervisoryControlandDataAcquisition的缩写，即数据采集与监视控制系统。

SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电网、水网、输油气管网、智能建筑等领域。

它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。

它能收集远处现场的操作信息，并通过通讯线路将远方信息传送到调控中心进行显示和报告，控制中心的操作员监视这些信息，并能向远方的设备发布命令，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

二、长输管道使用SCADA系统的目的和必要性

1.目的

长输管道SCADA系统是利用各种检测仪表、执行器、显示仪表、调节仪表、控制装置或电子计算机、通信技术等自动化技术，对管道输送生产过程进行自动检测、监视、控制和管理。

其目的是保证安全的情况下，以对供需双方最少地限制，用最经济地方式、最快的手段将产品从供方输送到用户手中。

此外，使用SCADA系统还能改善劳动条件，节省人力和提高环保水平。

2.必要性

早期的长输干线管道大部分是点对点的形式，即一个首站，相继几个中间升压站，一个接收/分配末站，原油从一个站的油罐用泵输送到下一站的油罐。

这是一种非密闭的输送方式或称开式输送方式，其特点是每两个站之间的管线都可当作一个独立的热力、压力和管理系统，对站内自动控制和全线自动化控制及管理要求不高，每个站有人值守即可。

长输管道距离长，范围广，生产指挥难度大，尤其是采用了密闭输送工艺管道全线构成了统一的水力系统，管道任意点的扰动都将迅速波及全线，为了保证管道的安全平稳运行，相关设备必须及时作出正确反映。

特别是成品油管道，沿途可能有好多进油和下载点，还有好几种油品在管道中输送，要求操作者必须在规定的时刻对管道的几百个设备进行正确的操作；另一方面，随着管线的增加，越来越多的赊购年产方要通过管理输送产品，越来越多的用户要从管线得到产品，供需双方对产品质量和供需变化的要求也越来越苛刻；再者，管线终点越来越接近最终用户，怎样防止易燃易爆和有毒产品对雇员、设备和居民的伤害，保证安全显得更加重要。

最初是由中心调度人员通过电话来指挥管线的运作，传统的人工记录、逐级汇报的长输管线监控方式已不适应生产调度快速化和城市发展数字化、信息化战略的要求。

显然，这种调度支护方式过于缓慢，任务也太繁重，难以满足密闭输送协调运行、供需变化及安全经济运行的要求。

这些要求往往是非人力所能及的，因此需要借助现代化的自动控制系统管理输油管道。

输油管道自动化是管道安全、经济运行的重要保证，而使用SCADA系统可以确保输油管道的自动化，可以节省了大量人力，大大提高了生产调度速度，确保管线安全、平稳、经济的运行。

三、SCADA系统基本组成

长输管道SCADA系统以4C（computer,control,communication,CRT）技术为基础，网络结构主要由调度控制中心网络（DCC），站控系统（SCS）,以及通信系统（COMM）三部分构成。

管道SCADA系统的配置由远程终端装置，控制中心计算机系统，数据传输及网络系统、应用软件组成。

1.生产经营管理级

1.1基本功能

它根据管道公司的经营策略，公司所属其他管道经营状况及市场信息等，并考虑本管道生产运行状况，由生产经营管理级计算机级计算机系统中有关管理软件作出决策，向本管道的SCADA系统下达生产计划、管理命令等。

其最佳目标通常是获取最大的经济效益。

该级还可以对SCADA系统进行监督、通过人机接口掌握生产状况，如系统或站的流程图及动态数据、历史数据与趋势、有关数据库并制作图等。

该级决策的特点是：

目标宏观、决策周期长。

1.2组成

一般由一个性能较强的微型计算机系统组成，在离SCADA较远时，往往需要卫星、微波或光纤等远程通信设施。

由于该级不直接参与生产过程控制，因此对该级主机的可靠性要求不如SCADA高，通常不必采用冗余技术。

2.中心监控级

2.1基本功能

该级负责整个管线的调度和监控，例如对供方和需方产品的监视和计算，产品输送过程，对各站下达控制命令，全线生产协调控制（水击控制、清管、越站等）。

如果SCADA还设有分控中心或称区域控制中心，则分控中心可以完成上述控制中心的某些任务。

2.2组成

控制中心的计算机一般为网络冗余结构，冗余方法有热备（自动切换）、冷备（人工切换）等。

当今，几乎所有管道控制中心都采用了热备技术。

除主机可热备用外，外部设备、关键部件也可以采用冗余技术。

控制中心的计算机软件一般有三类：

计算机操作系统，由计算机生产厂家随机提供；SCADA系统软件，一般由SCADA系统厂家提供，也可由第三方提供；用户应用程序，可由用户编制，也可由SCADA供应商提供或第三方提供。

3.站控级

3.1基本功能

站控系统的基本功能是对站内装置、辅助系统及生产过程进行监督和控制，站控系统具有下述基本的技术性能：

①模拟量数据采集②模拟量定值设定控制③数字量的采集与报警信号采集④数字量控制。

3.2组成

站控系统一般由工业控制计算机及相应的人机接口、卡件（AO,AI,DI,DO）及通信接口组成。

现在多用PLC充当RTU，大型的站控系统也可以采用DCS。

站控系统的软件包括计算机操作系统和用户应用软件，用户应用软件可在控制中心编制，下载到PLC。

4.就地控制级

4.1基本功能

站内大型设备，如泵机组等，往往配有自己的控制系统，这就是装置控制系统，它直接对生产设备进行控制。

这类控制系统往往由设备生产厂家配套提供。

在长输管道中，通常认为就地控制级是指站控级以下，通过各类设备的控制系统，现场手动动作设备。

4.2组成

在管道系统中，就地控制级主要各类的现场设备以及各智能设备的控制系统。

如上图，由于生产经营管理级和中心监控级具有接受外部管理及生产过程信息，并据此对整个生产和经营进行管理的功能，因此，将这两级合并起来成为管理信息系统，英文缩写为MIS。

中心监控级、站控级和就地控制级具有监视控制和数据采集的功能，通常我们将这三者合称为监视控制与数据采集系统，即SCADA系统。

一般来将，我们所说的SCADA系统的三级控制主要是指中心控制、站控和就地控制。

四、SCADA系统的发展历程

SCADA系统发展到今天已经经历了三代。

第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统，如电力自动化研究院为华北电网开发的SD176系统以及在日本日立公司为我国铁道电气化远动系统所设计的H-80M系统。

这一阶段是从计算机运用到SCADA系统时开始到70年代。

第二代是80年代基于通用计算机的SCADA系统，在第二代中，广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的UNIX操作系统。

在这一阶段，SCADA系统在电网调度自动化中与经济运行分析，自动发电控制（AGC）以及网络分析结合到一起构成了EMS系统（能量管理系统）。

第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。

90年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的EMS/SCADA系统称为第三代。

这一阶段是我国SCADA/EMS系统发展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进SCADA/EMS系统中。

这一阶段也是我国对电力系统自动化以及电网建设投资最大的时期，国家计划未来三年内投资2700亿元改造城乡电网可见国家对电力系统自动化以及电网建设的重视程度。

第四代SCADA/EMS系统的基础条件已经或即将具备，预计将与21世纪初诞生。

该系统的主要特征是采用Internet技术、面向对象技术、神经网络技术以及JAVA技术等技术，继续扩大SCADA/EMS系统与其它系统的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要。

五、SCADA系统在我国长输管道的应用情况

20世纪80年代以前，我国长输管道基本上是常规仪表检测，就地控制。

90年代以后，我国通过开发和引进全面掌握了SCADA系统的技术，逐步对在役管道实施改造，对新建管道进行装备，基本上使我国长输管道的SCADA系统达到国际先进水平。

目前，油气长输管道的计算机监测控制与数据采集系统已经成为管道控制的基本模式。

1.1992年7月投产的轮南－库尔勒管道，全长192KM,自控系统采用汉字显示、交互图象、语言综合系统进行监控和管理。

2.1997年投产的库尔勒－善鄯管道是我国首次面对具有大落差地段的管道，该管道在100km长度内落差达1800m,在该管道上开发的SCADA系统解决了大落差管道水击防护问题，并且采用卫星通讯技术为SCADA系统传输数据。

3.2002年投产的兰成渝管道是我国第一条真正意义上的成品油管道，管道的SCADA系统，主要包括：

成都调度中心，首站、中间加压分输站、7座中间分输站、末站的仪表检测系统和站控系统,10座远控线路截断阀室的仪表检测系统和控制系统，由成都调控中心对全线进行监控。

4.由中石化投资兴建的西南管线、珠三角管线都已经顺利投产，并且使用了非常先进的SCADA系统，所有的控制操作都由中心调度员发出，自动化水平又有了很大的提高。

比如,西南管道SCADA系统的设计特点：

（1）SCADA系统是一个分布式的控制系统，所有的数据库分布在各站场，采用当今先进的自动化技术，系统控制分为就地、站控和中心控制，通过软件设置可较方便完成各权限的切换。

（2）调控中心计算机系统由高性能计算机工作站、高速数据网及在网络中运行的软件等组成高可靠性的实时控制管理系统（3）对油品顺序输送和分输跟踪监控。

（4）对远控阀室有效监控以保证管道在大落差山区的防静压和防泄漏的运行安全。

（5）使用光纤通信为通信传输主信道，采用公网作为备用通信，以确保光纤中断时，能及时切换到公网上保证生产的正常监控。

（5）软件的软件先进、成熟，而易于操作、修改、维护，有较强的人机对话能力。

现在我国的管网建设初具规模，近年来随着通讯技术的发展，我国的长输管道控制呈现区域化趋势，将某地区的多条管道集中管理，形成区域化管理。

在美国，全国管网在休斯顿设置了一个控制中心，加拿大也在蒙特利尔设置了一个全国管网的调度控制中心。

并且，其对管网的自动化监控程度已经具备相当高的水平。

在我国，中石化华北销售管道网调控中心和华南调控中心也将成立，届时每个调控中心都将同时统一指挥几条管道的运行，最后将有可能发展成成立全国的管道控制中心，由计算机群管理所属的管道系统，在计算机群中的每台计算机都能随意切换到某管道上，操作员通过显示终端监视系统运行状态，向沿途泵站的站控机甚至主要设备发操作命令，实现对管道的遥控，SCADA系统将发挥更大的作用。

第二章长输管道SCADA系统功能

一、调控中心主计算机系统的功能

1.监视各站的工作状态及设备运行情况，采集各站主要运行数据和状态信息。

监视过程是以扫描方式进行的，即按一定顺序依次对各站的PLC进行查询。

若发现某站的运行状态异常或运行参数超限，则通过屏蔽显示及打印机打印自动报警。

2.根据操作人员的要求或控制软件的要求向PLC发出操作指令，对各站进行遥控。

因为每个电动阀门都有就地/远控操作功能，如果置为远控那么根据操作权限的需要可以在站场或调控中心控制设备。

3.根据操作人员的要求，在显示屏幕上随时提供有关管道系统运行状态的图形显示及历史数据的存储、比较和趋势显示。

3.1提供动态显示画面

通过一定的方式可以比较直观的显示管线是处于运行还是停止状态，如管线的颜色变化。

由于某些泵站流程较为复杂，通过设备及相应管线颜色的变化，操作员可以较为清晰的显示当前的油品流程走向。

3.2自动存储数据

系统内部可以自动存储历史数据。

比如参数的变化，操作员的操作记录，系统内部的运行情况等。

3.3趋势显示

趋势显示是一种提供浏览数据的方法，包括实时趋势和历史趋势，实时趋势用于记录生产过程中各参数的动态变化过程，而历史趋势则用于提取特定的历史数据文件。

趋势可以提供多种方式进行浏览，比如棒状图，曲线图，数字列表等。

提供显示连续的趋势曲线，还可以读取曲线上的任意点的实际数据和时间，进行曲线压缩显示和细化显示。

每一趋势图可以显示多个参数的数据，便于各参数的比较。

趋势调用和显示，一是为工况分析提供依据，如启泵或停泵过程压力及流量的变化，分输过程中阀门切换开关导致压力及流量的变化曲线，我们可以通过这些数据，优化操作过程；二是系统的监视参数前后的变化，为操作员决策提供依据。

运行人员能够确认管线上出现的变化的大小以及其对全线的影响，并采取正确的控制以减小其对全线的影响。

4.在显示终端上进行操作人员培训

一般SCADA软件都提供一种仿真环境的软件，即在本机上建立一个仿真控制器，与现场设备隔离，操作人员可以在此机器上模拟操作，而不影响现场设备的运行。

5、按规定时间间隔记录和打印各站的主要运行状态的图形显示及历史资料的比较和趋势显示、报表等。

6.记录管道系统所发生的重大事情的报警、操作指令等。

6.1报警

报警的概念：

异常情况发生时，以某种方式提示信息给操作员，以引起操作人员的注意并及时采取措施。

系统报警－当服务器与控制器、卡件，及通讯网络出现故障时，所发出的报警为系统报警。

过程报警－当过程控制对象发生异常时，系统所发出的信息为过程报警信息，

当报警条件不存在时，操作员确认后，报警即可消除。

由于全线距离长，设备多，重要的工艺参数多，如果发生异常情况，操作员不能及时的发现，那么将导致较大的危害，所以我们对较为重要的参数都已经设置了报警提示，当出现异常时将以声音或颜色的显示提示操作员，当然由于设备多，参数多，我们对参数的重要程度也设置了报警的级别，在一定程度上为操作员减轻了工作量，而且也能够及时处理将维护管线运行安全的异常情况。

报警的级别可以分为紧急、高报、低报等，每级报警相应的描述及颜色有所区别，如紧急为红色，高报为黄色，低报为其他不显眼的颜色，系统按照一定的时间顺序以及级别的优先顺序进行显示，提醒操作员注意，并督促采取相应措施。

报警支持中文描述功能。

6.2事件

事件记录，记录某项操作过程或者是系统内部执行的命令，并按照时间的顺序进行保存到历史数据库中，且事件是不可以清除的。

事件画面记录所有的操作过程，包括数据库修改和操作员对现场设备的操作、用户名的更改、级别的更换等信息，为事故分析及工艺操作过程的分析提供依据,做到凡事有据可查，确保安全操作、责任到人。

7.报表生成和打印

报表有多种格式，比较常用的是EXCEL格式。

从内容上，报表可以分为日报表、周报、月报等，根据需要进行编排。

报表可以定期生成，且可以实现自动打印，及时准确的提供参数记录，减轻操作员的工作量。

8.运行有关的应用软件，对水击、检漏、清管、批量跟踪等工况进行检测、控制，进行数据分析、处理，系统优化模拟、调度决策指导等。

9.时钟同步功能

通过域控服务器同步全线的服务器，而域控服务器指向GPS，从而确保整个SCADA系统的时钟统一、准确，保障整个系统的记录时间及其相关事件、数据的可靠性和有效性。

二、站控系统功能

站控系统主要由服务器、PLC、智能卡件及其他自动控制设备组成，主要功能如下：

1.过程变量巡回检测和数据处理；

2.向控制中心报告经选择的数据和报警；

3.提供运行状态、工艺流程、动态数据的画面、图像显示、报警、存储、记录、打印。

4.除执行控制中心的控制命令外，还可独立进行工作，实现PID及其他控制。

5.实现流程切换；

6.进行自诊断程序，并把结果报告控制中心；

7.可燃气体浓度检测与消防设施状态检测；

8.站场与线路阴极保护参数检测与记录；

9.提供给操作人员操作记录和运行报告

第三章SCADA系统硬件配置

一、调控中心主计算机系统

1、系统功能

调控中心作为SCADA系统最高级别的一层，主要负责采集站控系统的数据及系统数据库的生成，对整个系统的工艺生产进行管理，优化，决策及控制。

调控中心负责对全线进行集中监视、控制和调度管理，是长输管线SCADA系统的核心，一般位于管道的总调度室。

今年来随着通讯技术的发展，我国的长输管道控制呈现区域化趋势，将某地区的多条管道集中管理，并且成立全国的管道控制中心。

由计算机群管理所属的管道系统，在计算机群中的每台计算机都能随意切换到某管道上，操作员通过显示终端监视系统运行状态，向沿途泵站的站控机甚至主要设备发操作命令，实现对管道的遥控。

一般调控中心布局分为：

调度长办公室、控制室、机房、工程师维护室和培训室。

2、一般的硬件配置

SMSCS包括一套完整的带有标准的（非用户设计的）硬件与软件的计算机系统，主要硬件应包括：

管线调度员站（双LCD）、应用软件工作站（包括泄漏检测、批次跟踪和计量等）、PLC的远程维护及故障处理站、1台工程师站（带1台A4彩色激光打印机）、调度主管站、培训站，针式宽行打印机（打印报警及事件）、A3激光打印机（打印报告及报表）、A4彩色喷墨打印机，2台互为冗余的SCADA系统；2台互为冗余的应用服务器；1台域服务器；1台Web服务器；一个大屏幕投影仪（DLP用户提供）以太网接口，通讯采用局域网。

上述的这些操作站、服务器及投影仪作为该局域网的节点，并通过工程师站（或具有工程师站功能的操作站）进行组态。

SMSCS还包括必要的接口硬件、软件及通讯协议以完成和沿线所有的站控系统及截断阀室的通讯。

SCADA系统的通讯协议应是基于TCP/IP的工业以太网协议，如DNP3.0、IEC60870-5等。

（1）SCADA系统服务器

主要作为数据采集及处理，为了保证可靠、稳定的运行，一般实冗余配置，热备运行。

SMSCS应有2台SCADA系统服务器以持续的获取全部的管线运行数据、状态及报警信息并为所有的操作站节点提供实时数据库。

主从服务器同时管理冗余的磁盘阵列系统中的历史、实时数据库，以达到数据的实时同步功能要求，其中1台作为主服务器，另1台作为备用服务器（热备形式）。

备用服务器持续检测主服务器是否处于正常工作状态，一旦发现主服务器出现故障，备用服务器将自动取得控制权成为主服务器并取得通讯接口。

SCADA系统服务器（1主1备）需提供实时数据库，从各站SCS及远程截断阀室获取数据供SMSCS各操作站节点用。

SCADA服务器应配置全部的系统功能，可以启动所有的控制命令和数据输入，为各站LCD提供图形及表格，提供数据获取、报警、记录、图形、实时趋势线、历史趋势线及历史数据。

历史趋势可对每个记录变量提供可选的采样频率、死区及时间周期。

SCADA系统服务器应通过工程师站（或具有工程师站功能的操作站）进行组态。

服务器节点还应包括必要的局域网接口硬件、软件以及通讯协议以便操作员节点获取其实时数据库。

SCADA系统服务器还应具有必要的局域网通讯接口硬件、应用软件及通讯协议以完成和沿线所有的站控系统及截断阀室的通讯，以使各种数据如流量计算机数据、各站运行状态及报警信息、操作员操作命令等保持一致性。

SCADA系统的通讯协议应是基于TCP/IP的工业以太网协议，如DNP3.0、IEC60870-5.在最大工作负荷下，服务器的资源利用率不应超过60%。

为提高可靠性，服务器、服务器电源、存储介质应采用冗余配置，并可实现模块化的在线热插拔维护工作。

服务器的硬件、网络和软件最少应具有100%的扩展能力，并应必须保证将来数据库、存贮器、磁盘容量和通信信道等的扩展。

（2）调度员工作站

主要作为调度员监视画面和发送指令使用，根据调度人员的数量及需要进行多台配置。

操作站节点还应包括必要的SMSCS局域网接口硬件、硬件串行通讯口、应用软件以及获取SCADA系统服务器实时数据库的通讯接口。

最小配置要求：

具有完整的SCADA系统各站流程图画面，能获取全部的服务器实时数据，进行控制操作，通过活动画面进行数据输入。

（3）工程师维护站

主要作为维护工程师使用，完成修改SCADA数据库、修改控制器组态内容及日常的维护。

（4）交换机

主要完成调控中心局域网的网络连接，并提供与广域网的的接口，一般实行冗余配置。

（5）打印机

主要完成日常报表及报警、事件、趋势打印的功能，根据需要可以共用一台或分别配置完成各自的功能。

（6）域控服务器

主要完成整个SCADA的时间同步及管理全线服务器、工作站的的功能。

域服务器用于完成全线网络管理功能，在备用调度控制中心设置同样的一台域服务器用于网络数据备份

（7）Web服务器及防火墙

主要完成SCADA画面以网页的形式向办公网发布信息的功能，方便管理人员通过浏览网页获取管线的运行情况。

Web服务器是SCADA系统与MIS之间的衔接服务器，与SCADA系统使用路由器隔离。

SCADA将有关信息写入Web服务器并实时更新，在MIS网络中以网站形式出现。

它既为Web服务器提供生产信息，又避免了与SCADA无关的计算机直接访问SCADA服务器。

该路由器、Web服务器的软硬件由SCADA供货商负责。

同时，SCADA供货商要负责在Web服务器上成功地接收到来自SCADA服务器的信息，并依据这些信息建立站点，供MIS调用。

Web服务器上要安装专业网络防火墙和病毒防火墙，进一步保护SCADA系统。

二站控系统

站按设备及功能可分为泵站、分输泵站、集输泵站和分输泵站，按位置可分为首站、末站、中间站。

站控系统是指它们的中央控制系统。

它除了要对站内重要设备的控制系统进行监控和协调以外，还要完成许多功能，如与调控中心的数据传输等。

1.站控系统的结构

站控系统的结构形式很多，常用的两种形式是：

点对点结构，也称星型机构，这种结构下，下级控制单元的通信线路分别连接到站控系统，各下级单元之间不能之间通信。

另一种结构是多点结构，各级间公用一条总线，即采用在线总线的方式。

站控服务器与控制器之间的通讯通常采用OPC或其他方式通讯，控制器与I/O卡件的通讯通常是采用MODBUS协议或PROFIBUS协议实现通讯。

2.站控系统的功能

完成本输油站参数的监视和控制，主要由站控计算机和智能远程终端等设备组成。

3.一般硬件配置

从硬件角度，站控系统一般由服务器、控制器、紧急停车控制器（ESD）、通信网络接口、火焰及可燃气体探测器、二次仪表及调节器组成，通过现场仪表及设备进行监控。

（1）站控SCADA系统服务器

主要作为数据采集及处理，为了保证可靠、稳定的运行，一般实冗余配置，热备运行，一般服务器可以兼作为工作站使用，作为上位机，对站内工艺参数进行集中显示、记录、报警等；显示运行状态、动态趋势、工艺模拟流程图，遥控设备。

（2）站场工作站

主要作为操作员监视画面和发送指令使用。

（3）交换机

主要完成站控局域网的网络连接，并提供与广域网的的接口，一般实行冗余配置。

（4）打印机

主要完成日常报表、报警、事件和画面打印的功能。

（5）PLC控制器及一定数量的I/O卡件.

可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。

PLC的硬件组成与微型计算机相似，其主机由CPU板、存储器、输入／输出（I／O）接口、电源等几大部分组成；可配备如编程器、图形显示器、通信接口等外部设备。

完成现场数据的轮询采集，以微处理器为基础的智能装置，它以模拟的和数字的输入输出信号与工艺生产现场的仪表和控制设备相连，实时采集所需要的各种工艺参数，并实现就地控制。

CPU也称中央处理器，是由一片或几片大规模集成电路芯片组成的，相当于人的大脑，是PLC的核心部分；CPU的作用是可通过接口及软件向系统的各个部分