小规模SCADA系统的原理分析和维护探讨

吴晓强+孙成仁

摘 要 SCADA也简称为监控系统，目前企业较为常见的SCADA系统属于最小规模的监控系统。本文从保障企业生产的顺利进行，对SCADA系统知识、故障分析判断等方面进行简单探讨。

关键词 SCADA；监控系统；通信；故障判断

中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）202-0104-02

SCADA是“Supervisory Control And Data Acpuisition”的简称，翻译成中文就是“监控与数据采集”，部分文献简称为监控系统。目前企业较为常见的SCADA系统属于最小规模的监控系统，基本上都是采用一台主计算机配接辅助计算机和各节点PLC并且运行自行开发的应用软件来实现数据采集与监控。

1 SCADA系统组成

1.1 上位机系统

上位机就是主控计算机，一般都是运行自行开发的专业性应用软件，采用人机界面HMI及中央操控台控制，上位机系统主要完成数据采集和状态显示、远程监控、报警和报警处理、事故追忆和趋势分析、与其他应用系统的结合。我们一般把上位机通俗的叫作工控机。

1.2 下位机系统

下位机系统普遍采用RTU（远程终端单元）、PLC（可编程逻辑控制器）、PAC（可编程自动化控制器）及各种I/O卡件和智能仪表等。但是考虑到SCADA系统中上下位机之间通信因多种原因可能出现中断现象，下位机系统也须具有自主控制能力，控制系统的可靠性就进一步提高，现场控制单元自主性也得到进一步加强。

1.3 检测仪表

SCADA系统中监控参数根据数据类型可分为模拟量、数字量、脉冲量等，其中模拟量一般包含压力、温度、物位、流量等过程参数以及其他参数，数字量则主要是设备的启/停状态等参数。检测仪表在组成上包括检测元件（敏感元件或传感器）和转换电路。检测元件接收工艺变量后直接响应，然后输出一个对应关系的信号，信号不仅可以是通常的电压、电流、位移、电阻，还可以是电荷、频率、光量、热量等。

1.4 执行设备

下位机（控制器）的输出被执行设备接收后，操纵变量发生改变，从而使生产按预定要求来执行运行，执行主要由气、电、液等机构完成。在不同的行业中，执行器类别也在很大的差别，如在生产过程监控中，广泛应用的是各种气动执行器，如调节阀，还有各种开关阀门等。而在制造业中，应用更多的是各种步进电机、伺服电机、变频器等调速设备。

2 SCADA系统通信

2.1 SCADA系统通信简介

上位机系统要与下位机系统交换数据，要实现远程监控，必须要建立通信，就跟部队打仗一样，上级要指挥下级一定要使用下级能听的懂得语言进行交流，而这些在SCADA系统控制里就简称通信协议，为了交换数据，上位机系统和下位机系统都共同遵守这个协议。通信是涉及技术难度较深的一个领域，牵扯到发送、接收、单工、半双工、全双工、编码、调制、解调、纠错、并行传输、串行传输、同步传输、异步传输、基带传输、频带传输和数字数据传输等。现在几乎所有的仪表、控制设备都配置有串行接口。

2.2 SCADA系统通信接口

串行通信接口主要包含数据终端设备DTE和数据电路终接设备DCE。根据当前通信接口标准而言，DTE与DCE的接口标准多采用ITU-T和EIA制定的标准。其中ITU-T标准称为V系列和X系列，EIA标准有EIA-232、EIA-442和EIA-449等。数据通信接口标准主要是对数据通信的接口以及信号方式定义，要求通信线路两端有DTE和DCE，其中DTE产生数据直接传输到DCE，DCE通过将此信号转变为合适形式在传输线路完成传输。物理层而言，DTE可以是终端、计算机、传真机和打印机等其他设备，但通信需要有一个转接设备才能完成。DCE最常用的设备就是调制解调器，其可以通过网络接收和传输模拟数据或数字数据。

2.3 RS-232接口

以EIA-232为例，典型的代表就是RS-232接口标准。该标准是EIA（美国电子工业协会）于1973年提出的串行通信接口标准，主要用于模拟信道传输数字信号的场合。RS代表推荐标准，232是标识号，DTE/DCE接口标准的电气特性中，对接收端驱动器以及发送端驅动器的信号电平、传输速率、负载容限、传输距离等有严格规定。

2.4 RS-485接口

SCADA系统里最为常见的串行接口是RS-485接口，为EIA于1983年在RS-422基础开发制定的RS-485标准，与RS-422相比，主要增加多点、双向通信能力，即可以多个发送器在同一条总线上连接，另一方面也提高了发送器驱动能力以及冲突保护特性，对总线共模范围进一步拓展，后命名为TIA/EIA-485-A标准。其采用平衡传输方式，在传输线上需接终端电阻等以更好完成传输。

3 SCADA系统的故障维修

3.1 软件故障的判断

当系统出现故障不能运行时，第一要区分的是软件故障还是硬件故障。判断软件故障最笨的一个办法就是设备重启（前提是能开机），除了系统崩溃，重启一般都会将软件故障排除。当然如果使用者手里有厂家的程序软件那是最好不过的了，我们就像给电脑重装系统一样也重装一遍系统，没有解决不了的软件故障。

3.2 硬件故障的判断

在排除了软件故障后，我们处理硬件故障一定要划分故障范围，即使最小的SCADA系统也会有成百上千个节点，如果不加以甄别乱查一气，耽误时间不说，能找到故障点的可能性也是微乎其微的。但是，几乎所有的SCADA系统都有一个非常好的功能：故障点提示功能。感谢科技的发展让我们能够体验到这些全新的维修理念，好的运行软件都能将故障的提示做的非常详尽，所以平时一定要熟悉生产工艺，了解流程，这些对故障的排查都有着事半功倍的效果。

3.3 PLC故障的判断

PLC作为自动化工业控制里使用最多的控制器，在这里就起到一个承上启下的作用，各个采样点的信号，各个控制点的执行机构都是通过PLC与上位机进行联系的，PLC是可编程逻辑控制器，根据事先编好的程序运行，平均无故障时间为2～5万个小时，所以发生故障时不要轻易的去怀疑和替换，先要问问自己是否非常熟悉这个程序，所有的运行条件是否满足，因为逻辑运行就是这样的特点，上一个程序没有执行不可能进入到下一个程序，所以这点上平时还要多了解工作过程和编程原理。因为我国工业结构的问题，我们大多数的维修人员对PLC是不熟悉的，这也直接导致了发生故障时还是按照接触器检修的思路进行，跑偏是在所难免的。建议接触自动化的维修人员学一学PLC编程，熟悉PLC编程可以更快的找到故障点。

3.4 执行设备和采样仪表故障的判断

执行设备里比较有难度的是变频器和各种电子设备，对设备维修人员提出了更高的专业要求，每一个维修人员最基本的是要读懂设备技术手册，最好是能够彻底的了解每一个执行设备的运行原理，更要学会分析电子电路的故障特点。

4 结论

随着我国国民经济整体水平的不断发展，SCADA系统在企业有了广泛的应用，也取得了良好的实践效果。因此，企业的工作人员在工作时应对SCADA系统的重要性有着清晰的认识，提高工作人员的技术水平，对企业的长远发展具有现实意义。

参考文献

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[2]胡金初.计算机网络[M].北京：清华大学出版社，2004.

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