SCADA系统组成及功能学习教案课件.pptx

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1、会计学,1,SCADA系统组成及功能,会计学1SCADA系统组成及功能,12:34,2,2.1 SCADA系统组成,主要有三部分组成调控中心站控系统通信系统,第1页/共65页,22:2122.1 SCADA系统组成主要有三部分组成第,12:34,3,2.2、调控中心系统组成及功能,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。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

2、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。,第2页/共65页,22:2132.2、调控中心系统组成及功能调控中心作为SCA,12:34,4,2.2、调控中心系统组成及功能,系统的硬件配置 SCADA系统服务器 装软件管线调度员工作站工程师站应用软件工作站 交换机域控服务器Web服务器及防火墙激光打印机、大屏幕投影仪以太网接口，通讯采用局域网。,第3页/共65页,22:2142.2、调控中心系统组成及功能系统的硬件配置 第,12

3、:34,5,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DNP 3.0、IEC 60870-5等。,第4页/共65页,22:215上述的这些操作站、服务器及投影仪作为该局域网的节,12:34,6,（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

4、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。,第5页/共65页,22:216（1） SCADA系统服务器 主要作为数据采集及,12:34,7,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L

5、CD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。,第6页/共65页,22:217SCADA系统服务器（1主1备）需提供实时数据库,12:34,8,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

6、性。SCADA系统的通讯协议应是基于TCP/IP的工业以太网协议，如DNP 3.0、IEC 60870-5. 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。,第7页/共65页,22:218SCADA系统服务器还应具有必要的局域网通讯接口,12:34,9,（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

7、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。,第8页/共65页,22:219（2）调度员工作站主要作为调度员监视画面和发送指,12:34,10,（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

8、。,第9页/共65页,22:2110（3）工程师维护站第9页/共65页,12:34,11,（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,第10页/共65页,22:2111（6）域控服务器第10页/共65页,12:34,12,7）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

9、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。,第11页/共65页,22:21127）Web服务器及防火墙（主要完成SCADA画,12:34,13,第12页/共65页,22:2113第12页/共65页,12:34,14,、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

10、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，则通过屏幕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。,第13页/共65页,22:2114、调控中心主计算机系统的功能1.监视各站的工作,12:34,15,3.1 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

11、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

12、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。,第14页/共65页,22:21153.1 提供动态显示画面第14页/共65页,12:34,16,4.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

13、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。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，,第15页/共65页,22:21164.在显示终端上进行操作人员培训第15页/共6

14、,12:34,17,7.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。,第16页/共65页,22:21177.报表生成和打印第16页/共65页,1

15、2:34,18,2.3 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。,第17页/共65页,22:21182.3 站控系统站按设备及功能可分为泵站、,12:34,19,站控系统,第18页/共65页,22:2119站控系统第18页/共65页,12:34,20,2.3 站控系统,站控系统的结构,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。多点

16、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。,第19页/共65页,22:21202.3 站控系统站控系统的结构常用的两种形,12:34,21,第20页/共65页,22:2121第20页/共65页,12:34,22,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。,站控系统的硬件配置,第21页/共65页,22:2122站控系统一般由服务器、控制器、紧急停车控制器

17、（,12:34,23,硬件配置,（1）站控SCADA系统服务器（2）站场工作站 （3）交换机（4）打印机（5） PLC控制器及一定数量的I/O卡件.,第22页/共65页,22:2123硬件配置（1）站控SCADA系统服务器第22页,12:34,24,（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。,第23页/共65页,22:2124（1）站控SCADA系统服务器主要作为数据采集,12:34,25,（2

18、）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。,第24页/共65页,22:2125（2）站场工作站第24页/共65页,12:34,26,（5） PLC控制器及一定数量的I/O卡件.可编程序控制器（Programmable Logic Controller）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。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

19、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。,第25页/共65页,22:2126（5） PLC控制器及一定数量的I/O卡件.第,12:34,27,、站控系统功能,1.过程变量巡回检测和数据处理； 压力、温度、差压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。 如进站、出站压力远程控制,第26页/共65页,22:2127、站控系统功能1.过程变量巡回检测和数据处理；,12:34,28,、站控系统功能,5.实现流程切换；

20、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27页/共65页,22:2128、站控系统功能5.实现流程切换；第27页/共6,12:34,29,一、调度控制中心,2.4 西气东输SCADA系统,第28页/共65页,22:2129 一、调度控制中心 调度控制中心的主要任务,12:34,30,上海调度控制中心配置框图,第29页/共65页,22:2130上海调度控制中心配置框图激光打印机激光打印机冗,12:34,31,SCADA系统软件 一般由实时数据库和历史数据库组成实时数据库实现：采

21、集数据监控现场设备产生报警/事件日志执行计算功能能配置成完全冗余系统驱动设备能提供客户应用,第30页/共65页,22:2131SCADA系统软件第30页/共65页,12:34,32,历史数据库从实时数据库获得数据用于报表参数的趋势图冗余配置可按年，月，日时间间隔摘要数据，在线存储老数据自动存入（光盘，也可从光盘读取数据，回到在线的历史数据库）,第31页/共65页,22:2132历史数据库第31页/共65页,12:34,33,人机界面（MMI）图形用户界面显示建立和显示配置 操作员界面不同的操作权限的操作员通过不同的用户名和密码进行登录，从而达到安全的目的。一般情况下有三级控制权限： *监视级-

22、只能浏览流程图和参数，不能对设备进行控制； *操作级-既可以浏览，也可以对设备进行控制，如启停设备、开关阀门； *管理级-最高权限，可修改用户名和密码，并可以修改数据库的内容。,第32页/共65页,22:2133人机界面（MMI）第32页/共65页,12:34,34,调度控制中心监控范围,调度控制中心,第33页/共65页,22:2134站场名称单位数量备注压气站座10包括首站、郑州,12:34,35,调度控制中心将主要完成下列任务：,调度控制中心,全线启输； 增量或减量输送； 停输； 分输站启/停； 压气站启停；,第34页/共65页,22:2135调度控制中心将主要完成下列任务： 调度控制中心

23、,12:34,36,向管道沿线各站下达压力和流量设定值； 管道故障处理； 发布ESD命令； 控制权限的确定； 系统时钟同步； 数据通信信道故障时主备信道的切换等。,调度控制中心,第35页/共65页,22:2136 调度控制中心第35页/共65页,12:34,37,在上海调度控制中心由于任何原因不能对管道实施正常监控时，后备控制中心将接管系统监控权。,后备控制中心,SCADA系统,后备控制中心随时监视和跟踪上海调度控制中心的运行状态，保证数据同步并达到历史数据异地备份的目的。,第36页/共65页,22:2137 在上海调度控制中心由于任何原因不能对管,12:34,38,北京后备控制中心配置图,第

24、37页/共65页,22:2138北京后备控制中心配置图 去上海调度控制中心X,12:34,39,二、远程监控站,第38页/共65页,22:2139 二、远程监控站 站控系统主要由过程,12:34,40,典型站场站控系统配置图,第39页/共65页,22:2140典型站场站控系统配置图线路加密器线路加密器路由,12:34,41,站控系统的主要功能如下：,远程监控站,数据采集和处理; 提供人机对话的窗口; 信息显示; 数据存储及处理; 过程控制; 逻辑控制;,第40页/共65页,22:2141站控系统的主要功能如下： 远程监控站 数据采集,12:34,42,远程监控站,第41页/共65页,22:21

25、42 远程监控站 联锁保护; 执行调度控制中心发送,12:34,43,在沿线无人值守的清管站、分输清管站、分输阀室、远控线路截断阀室等共设有153套RTU。,远程监控站,第42页/共65页,22:2143 在沿线无人值守的清管站、分输清管站、分,12:34,44,2.5、过程终端单元RTU,长输管线距离长，沿线地形复杂，部分地段如果出现事故危害严重，如人口密集、重要的水源区等，出现事故时人员无法及时达到处理。为了控制事故的维护，在部分地段设置线路截断阀室，重点部位设置了可以远程操作的阀室。远控阀室主要由自动阀和RTU远程终端单元组成，通过采集阀室的压力、温度、阀门的状态，对远控阀进行实施监控。

26、,第43页/共65页,22:21442.5、过程终端单元RTU长输管线距离长，沿线,12:34,45,2.5、过程终端单元RTU,什么是RTU ? 远程终端单元 RTU是安装在远程现场的电子设备.采集本地数据并远传现在的RTU 具有数字滤波、数据正定、复杂数据计算、数据通讯、远程控制功能。带RTU的阀室,RTU通常由信号输入/出模块、微处理器、有线/无线通讯设备、电源及外壳等组成。,第44页/共65页,22:21452.5、过程终端单元RTU什么是RTU ?,12:34,46,第45页/共65页,22:2146第45页/共65页,12:34,47,RTU的功能,检测压力、温度、差压等模拟量。模

27、拟量定值控制。如进站、出站压力远程控制。监测工艺、设备报警与状态的开关量。开关量控制 。阀门、泵,第46页/共65页,22:2147RTU的功能检测压力、温度、差压等模拟量。第4,12:34,48,RTU硬件组成,模拟输入通道数字与开关量通道模拟输出通道开关量输出通道数据处理软件与硬件通信接口维护试验箱供电RTU外壳,第47页/共65页,22:2148RTU硬件组成模拟输入通道第47页/共65页,12:34,49,功能SCADA系统工作的有效性和可靠性，取决与调控中心和站控系统的数据传输情况。数据通信系统的主要功能是将控制中心计算机系统与分散在远处的站控系统连接起来，实现资源的共享及数据互传。

28、由于调控中心和站场之间距离都很遥远，为保证通信不被中断，大多采用通信冗余技术，即采用一主一备双通信信道。,2.6、 通信系统,第48页/共65页,22:2149 功能2.6、 通信系统第48页/共65,12:34,50,SCADA系统网络包括控制中心主计算机网络、主计算机对RTU（PLC）网络和就地RTU网络，用于实现系统的通信。通信方式：公用电话网、高频或甚高频无线电通信、微波通信、电力载波通信、直达线通信、同轴电缆、RTU。通信冗余技术，一用一备双信道。常用的通信方式：RTU,2.6、 通信系统,第49页/共65页,22:2150 SCADA系统网络包括控制中心主计算,12:34,51,S

29、CADA系统的通信,SCADA系统的可靠性和有效性取决于主站到RTU以及RTU到主站的数据传输。站场内部通信,站1,站2,调控中心,阀室RTU,站n,通信网络,第50页/共65页,22:2151SCADA系统的通信SCADA系统的可靠性和有,12:34,52,第51页/共65页,22:2152第51页/共65页,12:34,53,常用通信方式,电话线 微波卫星 光纤同轴电缆 电力线载波数字数据信号在通信通道上传输时，必须转换为音频信号。将数字信号转换成音频信号的技术叫调制常用：调幅、调频、调相,第52页/共65页,22:2153常用通信方式电话线,12:34,54,站场数据通信工业以太网,数据

30、流向,压力传感器温度传感器,PLC机柜,工作站显示器,流量计,现场仪表,电动阀,AO,DO/DI,PID调节阀,DO/DIAO/AI,局域网,现场总线,打印机,加热炉PLC,局域网,罐区,第53页/共65页,22:2154站场数据通信工业以太网数据流向压力传感器PL,12:34,55,第54页/共65页,22:2155第54页/共65页,12:34,56,网络结构图见附录 EIP 地址总汇阿拉山口 （主）（备）托 托 （主）（备）独 山 子 （主）（备）独山子前置 （主）（备）9# 阀 室 （主）（备）10# 阀 室 （主）（备）,第55页/共65页,22:2156网络结构图见附录 E第55页

31、/共65页,12:34,57,阿拉山口首站 PLC 控制系统采用RockWell 公司的Control Logic 5000 系列的控制器、I/O 卡件以及Prosoft 公司的MCMR 卡件组成，其硬件组成如下图所示,第56页/共65页,22:2157阿拉山口首站 PLC 控制系统采用RockWe,12:34,58,阿独管线阿拉山口站PLC硬件结构,6个17 槽的机架为远程I/O 机架,2 个7 槽的机架为控制器机架,第57页/共65页,22:2158阿独管线阿拉山口站PLC硬件结构6个17 槽的,12:34,59,第58页/共65页,22:2159第58页/共65页,12:34,60,CN

32、BR 模块主要用于控制器的内部各机架之间的通讯,左为 CNBR 模块 右为同轴电缆的连接情况,第59页/共65页,22:2160CNBR 模块主要用于控制器的内部各机架之间的,12:34,61,2.7、系统冗余技术,冗余技术：冗余技术又称储备技术，它是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段。冗余分为：工作冗余和后备冗余。工作冗余：是一种两个或以上的单元并行工作的并联模型。平时，由各处单元平均负担工作，因此工作能力有冗余。后备冗余：平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用 冗余结构应做到可靠性和经济合理性。,第60页/共65页,22:21612.7、系统冗余技术冗余技术：冗余

33、技术又称储备,12:34,62,系统冗余,冗余技术通常分为4 类，A.时间冗余B.信息冗余C. 结构冗余 可以分为静态、动态和混合冗余。D. 冗余附加技术! 长输管道SCADA系统冗余技术以硬件冗余为主，时间冗余和软件冗余为辅。,第61页/共65页,22:2162系统冗余冗余技术通常分为4 类，第61页/共6,12:34,63,管道SCADA系统冗余结构分类,控制中心主计算机冗余控制中心主计算机冗余，站PLC分级冗余控制中心主计算机冗余，站PLC采用全冗余结构系统分层多级冗余,第62页/共65页,22:2163管道SCADA系统冗余结构分类控制中心主计算机,12:34,64,典型冗余配置图,第63页/共65页,22:2164典型冗余配置图 第63页/共65页,12:34,65,SCADA系统控制中心冗余结构,服务器冗余局域网冗余系统冗余,第64页/共65页,22:2165SCADA系统控制中心冗余结构第64页/共65,