小規模SCADA系統的原理分析和維護探討

吳曉強+孫成仁

摘 要 SCADA也簡稱為監控系統，目前企業較為常見的SCADA系統屬于最小規模的監控系統。本文從保障企業生產的順利進行，對SCADA系統知識、故障分析判斷等方面進行簡單探討。

關鍵詞 SCADA；監控系統；通信；故障判斷

中圖分類號 TP2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）202-0104-02

SCADA是“Supervisory Control And Data Acpuisition”的簡稱，翻譯成中文就是“監控與數據采集”，部分文獻簡稱為監控系統。目前企業較為常見的SCADA系統屬于最小規模的監控系統，基本上都是采用一臺主計算機配接輔助計算機和各節點PLC并且運行自行開發的應用軟件來實現數據采集與監控。

1 SCADA系統組成

1.1 上位機系統

上位機就是主控計算機，一般都是運行自行開發的專業性應用軟件，采用人機界面HMI及中央操控臺控制，上位機系統主要完成數據采集和狀態顯示、遠程監控、報警和報警處理、事故追憶和趨勢分析、與其他應用系統的結合。我們一般把上位機通俗的叫作工控機。

1.2 下位機系統

下位機系統普遍采用RTU（遠程終端單元）、PLC（可編程邏輯控制器）、PAC（可編程自動化控制器）及各種I/O卡件和智能儀表等。但是考慮到SCADA系統中上下位機之間通信因多種原因可能出現中斷現象，下位機系統也須具有自主控制能力，控制系統的可靠性就進一步提高，現場控制單元自主性也得到進一步加強。

1.3 檢測儀表

SCADA系統中監控參數根據數據類型可分為模擬量、數字量、脈沖量等，其中模擬量一般包含壓力、溫度、物位、流量等過程參數以及其他參數，數字量則主要是設備的啟/停狀態等參數。檢測儀表在組成上包括檢測元件（敏感元件或傳感器）和轉換電路。檢測元件接收工藝變量后直接響應，然后輸出一個對應關系的信號，信號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 執行設備

下位機（控制器）的輸出被執行設備接收后，操縱變量發生改變，從而使生產按預定要求來執行運行，執行主要由氣、電、液等機構完成。在不同的行業中，執行器類別也在很大的差別，如在生產過程監控中，廣泛應用的是各種氣動執行器，如調節閥，還有各種開關閥門等。而在制造業中，應用更多的是各種步進電機、伺服電機、變頻器等調速設備。

2 SCADA系統通信

2.1 SCADA系統通信簡介

上位機系統要與下位機系統交換數據，要實現遠程監控，必須要建立通信，就跟部隊打仗一樣，上級要指揮下級一定要使用下級能聽的懂得語言進行交流，而這些在SCADA系統控制里就簡稱通信協議，為了交換數據，上位機系統和下位機系統都共同遵守這個協議。通信是涉及技術難度較深的一個領域，牽扯到發送、接收、單工、半雙工、全雙工、編碼、調制、解調、糾錯、并行傳輸、串行傳輸、同步傳輸、異步傳輸、基帶傳輸、頻帶傳輸和數字數據傳輸等。現在幾乎所有的儀表、控制設備都配置有串行接口。

2.2 SCADA系統通信接口

串行通信接口主要包含數據終端設備DTE和數據電路終接設備DCE。根據當前通信接口標準而言，DTE與DCE的接口標準多采用ITU-T和EIA制定的標準。其中ITU-T標準稱為V系列和X系列，EIA標準有EIA-232、EIA-442和EIA-449等。數據通信接口標準主要是對數據通信的接口以及信號方式定義，要求通信線路兩端有DTE和DCE，其中DTE產生數據直接傳輸到DCE，DCE通過將此信號轉變為合適形式在傳輸線路完成傳輸。物理層而言，DTE可以是終端、計算機、傳真機和打印機等其他設備，但通信需要有一個轉接設備才能完成。DCE最常用的設備就是調制解調器，其可以通過網絡接收和傳輸模擬數據或數字數據。

2.3 RS-232接口

以EIA-232為例，典型的代表就是RS-232接口標準。該標準是EIA（美國電子工業協會）于1973年提出的串行通信接口標準，主要用于模擬信道傳輸數字信號的場合。RS代表推薦標準，232是標識號，DTE/DCE接口標準的電氣特性中，對接收端驅動器以及發送端驅動器的信號電平、傳輸速率、負載容限、傳輸距離等有嚴格規定。

2.4 RS-485接口

SCADA系統里最為常見的串行接口是RS-485接口，為EIA于1983年在RS-422基礎開發制定的RS-485標準，與RS-422相比，主要增加多點、雙向通信能力，即可以多個發送器在同一條總線上連接，另一方面也提高了發送器驅動能力以及沖突保護特性，對總線共模范圍進一步拓展，后命名為TIA/EIA-485-A標準。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系統的故障維修

3.1 軟件故障的判斷

當系統出現故障不能運行時，第一要區分的是軟件故障還是硬件故障。判斷軟件故障最笨的一個辦法就是設備重啟（前提是能開機），除了系統崩潰，重啟一般都會將軟件故障排除。當然如果使用者手里有廠家的程序軟件那是最好不過的了，我們就像給電腦重裝系統一樣也重裝一遍系統，沒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劃分故障范圍，即使最小的SCADA系統也會有成百上千個節點，如果不加以甄別亂查一氣，耽誤時間不說，能找到故障點的可能性也是微乎其微的。但是，幾乎所有的SCADA系統都有一個非常好的功能：故障點提示功能。感謝科技的發展讓我們能夠體驗到這些全新的維修理念，好的運行軟件都能將故障的提示做的非常詳盡，所以平時一定要熟悉生產工藝，了解流程，這些對故障的排查都有著事半功倍的效果。

3.3 PLC故障的判斷

PLC作為自動化工業控制里使用最多的控制器，在這里就起到一個承上啟下的作用，各個采樣點的信號，各個控制點的執行機構都是通過PLC與上位機進行聯系的，PLC是可編程邏輯控制器，根據事先編好的程序運行，平均無故障時間為2～5萬個小時，所以發生故障時不要輕易的去懷疑和替換，先要問問自己是否非常熟悉這個程序，所有的運行條件是否滿足，因為邏輯運行就是這樣的特點，上一個程序沒有執行不可能進入到下一個程序，所以這點上平時還要多了解工作過程和編程原理。因為我國工業結構的問題，我們大多數的維修人員對PLC是不熟悉的，這也直接導致了發生故障時還是按照接觸器檢修的思路進行，跑偏是在所難免的。建議接觸自動化的維修人員學一學PLC編程，熟悉PLC編程可以更快的找到故障點。

3.4 執行設備和采樣儀表故障的判斷

執行設備里比較有難度的是變頻器和各種電子設備，對設備維修人員提出了更高的專業要求，每一個維修人員最基本的是要讀懂設備技術手冊，最好是能夠徹底的了解每一個執行設備的運行原理，更要學會分析電子電路的故障特點。

4 結論

隨著我國國民經濟整體水平的不斷發展，SCADA系統在企業有了廣泛的應用，也取得了良好的實踐效果。因此，企業的工作人員在工作時應對SCADA系統的重要性有著清晰的認識，提高工作人員的技術水平，對企業的長遠發展具有現實意義。

參考文獻

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