數據採集監控系統是以計算機技術為基礎的生產過程控制與調度自動化系統，它可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據採集、設備控制、參數測量與調節以及各類信號的報警等功能。它主要由下位機系統、上位機系統以及聯繫兩者的通信網路系統3個部分組成。SCADA系統作為現場操作平台和遠程監控系統，已經廣泛套用於工業生產和設備管理的各個領域，典型的套用如下：自動化生產線管理、樓宇自動化、無人工作站系統。
基本介紹
- 中文名：數據採集監控
- 外文名：Data acquisition monitoring
- 核心：數據採集監控系統（SCADA）
- 系統組成：下位機、上位機、通信網路系統
- 研究方向1：與MIS、GIS的結合
- 研究方向2：與模糊決策、神經網路等技術結合
簡介,SCADA系統階段,第一階段,第二階段,第三階段,第四階段,系統組成,下位機系統,上位機系統,通信網路系統,系統開發基本要求,數據採集及控制信號傳送,參數的表達和實時報警,趨勢分析和事故追憶,典型套用,自動化生產線管理,樓宇自動化,無人工作站系統,
簡介
數據採集監控的核心是數據採集監控系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）。
SCADA系統作為生產過程和設備管理自動化最為有效的計算機軟硬體系統之一，包含3個層次的含義：
（1）分散式的數據採集系統，即智慧型數據採集系統，也就是通常所說的下位機；
（3）聯繫兩者的通信系統。
SCADA系統是以計算機技術為基礎的生產過程控制與調度自動化系統，它可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據採集、設備控制、參數測量與調節以及各類信號的報警等功能。
SCADA系統階段
SCADA系統自誕生之日起就與計算機技術和通信技術的發展緊密相關。SCADA系統發展到今天已經經歷了4個階段。
第一階段
該階段是把計算機運用於工業生產過程控制，SCADA系統誕生，這一階段大致到20世紀70年代。SCADA系統基於專用計算機和專用作業系統，如採用Z80作為CPU、彙編語言編制作業系統的TP801系統。
第二階段
該階段是20世紀80年代基於通用計算機的SCADA系統。這一時期，廣泛採用VAX等計算機以及其他通用工作站，作業系統一般是通用的UNIX作業系統。
第一階段和第二階段SCADA系統的共同特點是基於集中式計算機系統，並且系統不具有開放性，因而在系統維護、升級以及聯網等方面很不方便。
第三階段
該階段的SCADA系統是20世紀90年代按照開放性原則，基於分散式計算機網路以及關係資料庫技術，能夠實現大範圍聯網的SCADA系統。這一階段是我國SCADA系統發展最快的階段，各種最新的計算機技術、網路通信技術都匯集到SCADA系統中。
第四階段
目前已進入第四階段的SCADA系統的主要特徵是採用Internet技術、面向對象技術、神經網路技術以及JAVA技術等計算機及網路技術，繼續擴大SCADA系統與其他系統的集成，綜合了安全經濟運行以及商業化運營的需要。
系統組成
SCADA系統主要由下位機系統、上位機系統以及聯繫兩者的通信網路系統3個部分組成。
下位機系統
隨著計算機技術的發展，下位機功能越來越強大，PLC和PAC得到廣泛套用，其特點是具有CPU、記憶體和程式，實質就是一台計算機。通過PLC，PAC中的程式運算或控制算法自動產生的命令可以實現對現場設備的自動控制。除了完成本身的數據採集與監控工作外，下位機的通信處理單元的能力越來越強大，還可完成與各種設備的協定接口處理和信息轉換工作。
上位機系統
上位機系統也稱主機單元，需開發功能強大的人機界面即HMI界面，在接受下位機的信息後，以適當的形式如聲音、圖形、圖像、各種參數的狀態(報警、正常或報警恢復)、報表等方式提供給系統運行管理人員，以實現對現場生產設備的監控。同時數據經過處理後保存到資料庫中，以備事後的經驗總結或事故追憶，也可以通過網路系統傳輸到不同的監控平台上，如與管理信息系統MIS、地理信息系統GIS等系統結合，形成功能更加強大的系統。上位機HMI系統可以接受操作人員的指示，將控制信號傳送到下位機中，以達到控制的目的。
開發HMI界面一般可採用兩種方法：
（1）採用面向對象語言，如Visual C++，Delphi，Visual Basic等。優點是：功能強大，編程靈活方便，可以很方便地與資料庫管理系統（DBMS）互動數據。缺點是：對編程人員的要求高，如要求掌握面向對象及資料庫知識，且需具有一定的編程經驗；工業被控對象一旦有變動．就必須修改其控制系統的源程式，開發成本高；受人員變動影響大；維護困難。
（2）採用專用工控組態軟體，如iFix，WinCC，Intouch，King View，MCGS等，其特點是為工控定製，因而專業性強，上手容易，可大大縮短開發周期，開發成本低，受人員變動影響小，維護相對容易，因而獲得了市場的青睞，但拓展功能相對困難，如果要深入定製用戶自己的功能，仍要用到高級語言編程知識及資料庫知識。
上位機系統一般包括如下內容：
（1）工程師工作站：負責系統HMI組態、畫面製作和系統的各種維護。
（2）生產調度工作站：是監控系統的主要用戶，負責顯示畫面、畫面瀏覽、處理各種報警信號等。
（3）各種監控工作站：主要用於大系統，根據需要設立各種監控工作站，每個工作站都有相應人員工作。
（4）實時資料庫系統：主要包括運行實時資料庫伺服器。
（5）歷史資料庫系統：是SCADA系統保存歷史數據的伺服器。
（6）Web伺服器：是當今SCADA主機單元的流行趨勢，只要用戶裝有瀏覽器軟體，並得到相應的授權，就可以從Web伺服器獲取相應數據並進行遠程控制。
（7）上層套用工作站：主要用於實時數據和歷史數據的計算、分析、圖形曲線顯示等工作。例如電力系統的潮流分析、負荷預測、事故追憶、電網穩定性分析、能量管理等；自來水行業的管網壓力損耗分析、管網經濟性分析、管網漏失分析等；採油工程的示功圖顯示、示功圖分析、泵況分析、功圖計產等。
通信網路系統
SCADA的通信系統主要負責解析上下位機各種不同的協定，完成通信數據傳送、接收及轉發處理。當今計算機、網路通信及控制技術發展迅猛，基於各種網路的通信方式發展很快，網路化、集成化、分布化、Web自動化成為SCADA通信系統的趨勢。工業網路控制系統NCS（Network Control System）即網路化的控制系統，通常根據系統構成的層次結構而分成3種基本通信方法，即分散式控制系統DCS、現場匯流排控制系統（FCS）及工業乙太網（IEN），它們構成當今工業控制的主流，同時，Intemet及Web技術的發展，促進工業控制系統向Web自動化的趨勢發展。工控系統通過NCS將現場各種設備的信號傳輸到現場控制層（即下位機），再將控制層信息傳輸到信息監控層（上位機）及企業管理層（MIS網），形成了系統信息傳輸的神經網路，並通過Web技術向Intranet或Intemet發布信息，從而完成了從底層到上層信息共享的目的。
系統開發基本要求
開發SCADA系統主要需解決以下3個問題。
數據採集及控制信號傳送
現場設備各種參數及狀態數據的採集以及控制信號的傳送。這裡主要涉及2個問題：一是怎樣採集設備參數及狀態數據，它通常由智慧型設備生產廠家解決，作為下位機在市場中出售，並提供可程式的通信協定；二是設備生產狀態數據如何傳遞到上位機系統進行處理。目前上位機通常通過標準串口、L/O卡或各種協定專用的網卡，運行專用的上層採集模組，從下位機中實時地採集設備各種參數和傳送控制信息。監控效率的高低表現在採樣周期的長短上，這是衡量一個系統是否適合於某個行業的一個重要指標。目前上位機可達到ms級的採樣周期。
參數的表達和實時報警
監控參數的圖形動畫表達和實時報警處理。監控參數的圖形、圖像、動畫、聲音等方式用於表達設備的各種運行參數和狀態，是SCADA系統的基本要求，融於HMI界面中，能仿真顯示現場工況，實現現場無人值守和遠程監控。報警作為監控的一項重要內容，是所有上位機系統必須解決的問題。如果上位機系統不能有效處理設備的報警狀態，所有的圖形動畫等表現形式將是多餘的。評價上位機系統可靠性和高效性的一個重要指標是能否不遺漏地實時處理多點同時報警。
趨勢分析和事故追憶
監控的一個重要目的是評價生產設備的運轉情況和預測系統可能發生的事故。在發生事故時能快速地找到和分析事故的原因，找到恢復生產的最佳方法。調用實時數據和系統操作記錄保存的資料庫，並調用實時趨勢圖、歷史趨勢圖、報表等HMI畫面，是常用的方法。評價一個SCADA系統功能強弱的重要指標之一就是對實時和歷史數據記錄、查詢的準確和高效。
典型套用
SCADA系統作為現場操作平台和遠程監控系統，已經廣泛套用於工業生產和設備管理的各個領域，典型的套用如下：
自動化生產線管理
用於監控和協調自動化生產線上各種設備的正常有序運行，進行產品數據的自動管理和控制。
樓宇自動化
對樓宇設備進行運行控制與管理，監控房屋設施的各項設備，主要有門警、照明、消防、電梯運行、供水、空調冷暖、備用電力等系統的自動化管理。
無人工作站系統
廣泛套用於集中監控無人值守系統的正常運行，分布在郵電、電力、鋼鐵、鐵路、水庫壩體、隧道、橋樑、機場、碼頭、石油、天然氣、城市供熱供水、糧庫、工業鍋爐、交通信號燈、高速公路、天文氣象等行業的監控、調度和管理自動化系統。
套用SCADA系統產生的社會和經濟效益主要體現在：
（1）生產管理實現自動化，可大大提高產品質量和生產效率；
（2）極大地改善了生產人員的工作環境，提高了單位時間產出，保證了產品質量的穩定；
（3）極大地提高了生產和運行管理的安全性能和可靠程度；
（4）生產過程實現集中控制和管理，極大地提高了企業整體效率，增強了企業競爭力。
