SCADA系统设计概述

SCADA系统的设计与开发不仅首先要了解相应的国家和行业标准，还要掌握一定的生产工艺方面的知识，充分掌握自动检测技术、控制理论、网络与通信技术、计算机编程等方面的技术知识。在系统设计时要充分考虑SCADA系统的发展趋势；在系统开发过程中，始终要和用户进行密切沟通，了解它们的真实需求和企业操作、管理人员的专业水平。

本书前七章介绍的内容是SCADA系统开发中的一些关键技术，熟练掌握这些技术对于系统设计与开发是大有裨益的。当然，这些内容还很基础，要真正设计开发出先进可靠的SCADA系统，更多的还是依靠工程实践。通过实践，不断的总结与摸索，系统设计与开发的水平才会上一个新的台阶。

在国内，SCADA系统设计与开发有不同的模式，对于一些小的系统，用户会委托工程公司或其他的自动化公司进行设计与开发；而对于大型的系统，特别是政府投资的项目，要进行公开招标，由中标者进行系统开发；还有一种情况，用户会对要开发的SCADA系统提出总体的功能要求、技术要求和验收条件，然后进行招标。应标者要提出详细的系统设计方案，最后由评标专家决定最终中标者，由中标者根据投标技术方案进行系统的开发和调试。

在介绍有关SCADA系统设计与开发前，有必要阐述SCADA系统生命周期的问题。任何一个系统的设计与开发基本上是由6个阶段组成，即可行性研究、初步设计、详细设计、系统实施、系统测试和系统运行维护。通常这6个步骤并不是完全按照直线顺序进行的，在任意一个环节出现了问题或发现不足后，都要返回到前面的阶段进行补偿、修改和完善。

由于SCADA系统规模不同，其设计与开发所包含的工作量有较大的不同，但总体的设计原则和系统开发步骤相差不大。本章主要介绍SCADA系统的设计原则、系统开发、调试等。所介绍的内容对于其他计算机控制系统的开发也有一定的参考意义。

SCADA系统设计原则

控制技术的发展使得对于任何一个工业、公用事业、环境等行业的SCADA系统都可以有多个不同的解决方案，而且这些方案各有特点，很难说哪个更好。为此，在设计时，必须考虑如下原则与要求，选取一个综合指标好的方案。当然，不同时期、不同用户对这些指标的认同程度可能是不一样的，甚至用户会根据其特殊需求提出一些其他方面的性能指标，这些因素都会影响到最终的系统设计。一般而言，以下几点是SCADA系统设计时要参考的主要指标。

1．可靠性

SCADA系统，特别是下位机工作环境比较恶劣，存在着各种干扰，而且它所担当的控制任务对运行要求很高，不允许它发生异常现象，因此，在系统设计时必须立足于系统长期、可靠和稳定的运行。因为一旦控制系统出现故障，轻者影响生产，重者造成事故，甚至人员伤亡。因此，在系统设计过程中，要把系统的可靠性放在首位，以确保系统安全、可靠和稳定地运行。

系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。在SCADA系统中，可靠性指标一般用系统的平均无故障时间MTBF和平均维修时间MTTR来表示。MTBF反映了系统可靠工作的能力，MTTR表示系统出现故障后立即恢复工作的能力。一般希望MTBF要大于某个规定值，而MTTR值越小越好。

为提高系统可靠性，需要从硬件、软件等方面着手。首先要选用高性能的上、下位机和通信设备，保证在恶劣的工业环境下仍能正常运行。其次是设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，如报警、事故预测、事故处理等。

对于特别重要的监控过程或控制回路，可以进行冗余设计。对于一般的控制回路选用手动操作为后备；对于重要的控制回路，选用常规控制仪表作为后备。对于监控主机，可以进行冷备份或热备份，这样，一旦一台主机出现故障，后备主机可以立即投入运行，确保系统安全。当然，冗余是多层次的，包括I/O设备、电源、通信网络和主机等。冗余设计多可以提高可靠性，但系统成本也会显著增加。

2．先进性

在满足可靠性的情况下，要设计出技术先进的SCADA系统。先进的SCADA系统不仅具有很高的性能，满足生产过程所提出的各种要求和性能指标，而且对于生产过程的优化运行和实施其他综合自动化措施都是有好处的。先进的SCADA系统通常都符合许多新的行业标准，采用了许多先进的设计理念与先进设备，因此可以确保系统在较长时间内稳定可靠工作。当然，也不能片面追求系统的先进性而忽视系统开发、应用及维护的成本和实现上的复杂性与技术风险。

3．实时性

SCADA系统的实时性，表现在对内部和外部事件能快速、及时的响应，并做出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。计算机处理的事件一般分为两类：一类是定时事件，如数据的定时采集、运算、调度与控制等；另一类是随机事件，如事故、报警等。对于定时事件，系统设置查询时钟，保证定时处理。对于随机事件，系统设置中断，并根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。

在SCADA系统中，不同的监控层面对实时性的要求是不一样的，下位机系统对实时性的要求最高，而监控层对实时性的要求较低。在系统设计时，要合理确定系统的实时性要求，分配相应的资源来处理实时性事件，一方面保证实时性要求高的任务得以执行，又要确保系统的其他任务也能及时执行。

4．开放性

由于SCADA系统多是采用系统集成的办法实现的，即系统的软、硬件是不同厂家的产品，因此，首先要保证所选用设备具有较好的开放性，以方便系统的集成；其次，SCADA系统作为企业综合自动化系统的最低层，既要向上层MES或ERP系统提供数据，也要接受这些系统的调度，因此，SCADA系统整体也必须是开放的。此外，系统的开放性还是实现系统功能扩展和升级的重要基础。在系统设计时一定要避免所设计的系统是“自动化孤岛”，导致系统的功能得不到充分发挥。

5．经济性

在满足SCADA系统性能指标（如可靠性、实时性、开放性）的前提下，尽可能地降低成本，保证性能价格比较高，为用户节约成本。

此外，还要尽可能地提高系统投运后的产出，即为企业创造一定的经济效益和社会效益，这才是SCADA系统的最大作用，也是用户最欢迎的。

6．可操作性与可维护性

操作方便表现在操作简单、直观形象和便于掌握，且不要求操作工一定要熟练掌握计算机知识才能操作。对于一些升级的系统，在新系统设计时要兼顾原有的操作习惯。

可维护性体现在维修方便，易于查找和排除故障。系统应多采用标准的功能模块式结构，便于更换故障模块，并在功能模块上安装工作状态指示灯和监测点，便于维修人员检查。另外，有条件的话，配置故障检测与诊断程序，用来发现和查找故障。

在系统设计时坚持以人为本是确保系统具有可操作性和可维护性的重要手段和途径。