SCADA HMI系統
SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）----監控與數據采集系統作為生產過程和事物管理自動化最為有效的計算機軟硬件系統之一，它包含兩個層次的含義：一是分步式的數據采集系統，即智能數據采集系統，也就是通常所說的下位機；另一個是數據處理和顯示系統，即上位機HMI（Human Machine Interface）----人機界面系統。
下位機一般意義上通常指硬件層上的，即各種數據采集設備，如各種RTU、 FTU、PLC及各種智能控制設備等等。這些智能采集設備與生產過程和事務管理的設備或儀表相結合，時感知設備各種參數的狀態，并將這些狀態信號轉換成數字信號，并通過特定數字通信網絡傳遞到HMI系統中。必要的時候，這些智能系統也可以向設備發送控制信號。上位機HMI系統在接受這些信息后，以適當的形式如聲音、圖形、圖象等方式顯示給用戶，以達到監視的目的，同時數據經過處理后，告知用戶設備各種參數的狀態（報警、正常或報警恢復），這些處理后的數據可能會保存到數據庫中，也可能通過網絡系統傳輸到不同的監控平臺上，還可能與別的系統（如MIS，GIS）結合形成功能更加強大的系統；HMI還可以接受操作人員的指示，將控制信號發送到下位機中，以達到控制的目的。
上位機與下位機結合的SCADA系統，作為操作員平臺和中央監控系統，可以廣泛地應用到工業生產和事物管理的各個領域，主要有：
樓宇自動化 開放性能良好的SCADA系統可作為樓宇設備運行與管理子系統，監控房屋設施的各項設備事務，如門警、電梯運營、消防系統、照明系統、空調系統、水工、備用電力系統等等的自動化管理；
生產線管理 用于監控和協調生產線上各種設備正常有序的運營和產品數據的配方管理；
無人工作站系統 用于集中監控無人看守系統的正常運行，這種無人值班系統廣泛分布在以下行業：
無線通訊基站網；
郵電通訊機房空調網；
電力系統配電網；
鐵路系統電力系統調度網；
鐵路系統道口，信號管理系統；
壩體、隧道、橋梁、機場和碼頭等安全監控網；
石油和天然氣等各種管道監控管理系統；
地鐵、鐵路自動收費系統；
交通安全監側
城市供熱、供水系統監控和調度
鋼鐵工業高爐安全監控系統；
環境、天文和氣象無人檢測網絡的管理；
各種工業鍋爐監控保護系統；
其它各種需要實時監控的設備。
機械人、機件臂系統 用于監視和控制機械人的生產作業；
其它生產行業 如大型輪船生產運營、糧庫質量和安全監測、設備維修故障檢測、高速公路流量監控和記費系統等。
這些行業在應用了SCADA系統后，可以取得了以下社會和經濟效益：
極大地提高了生產和運行管理的安全性能和可靠程度；
生產配方管理的自動化可大大提高產品的質量和生產的效率；
極大地減低了生產人員面臨惡劣工作環境的可能性，保證了工作過程中第一位的人員的安全性；
可大大地減少不必要的人工浪費；
通過生產過程的集中控制和管理，極大地提高企業作為一個整體效率的競爭能力；
系統通過對設備生產趨勢的保留和處理，可提高預測突發事件的能力，在緊急情況下的快速反應和處理能力可極大地減少生命和財產的損失，從而可帶來潛在的社 會和經濟效益；
1.SCADA系統的功能要求
SCADA系統，從傳統用戶的角度來講主要解決以下三個問題：
設備各種參數狀態數據的采集和控制信息的發送 這部分涉及兩個含義：一是怎樣采集設備參數狀態數據？它通常由智能設備生產廠家解決，及作為下位機在市場中出售，并提供可編程的通訊協議和協議處理芯片；二是設備生產狀態數據如何傳遞到上位機系統處理？目前上位機通常通過標準串口或IO卡運行專用的上層采集模塊，從下位機中實時地采集設備各種參數和發送控制信息；解決問題效率的高低表現在采集周期的長短上，這也是衡量一個系統是否適合于某個行業的一個重要指標。目前上位機可達到平均毫秒級的采集周期。
監控參數的圖形動畫表達和報警處理 報警作為監控的一個重要目的，是所有上位機系統必須解決的問題。如果說各種圖形、圖象、動畫、聲音等方式用于表達設備的各種參數運行狀態是必不少的話，那么若上位機系統不能有效的處理設備的報警狀態，所有的表現形式都是多余的。評價上位機系統可靠性和高效性的一個重要指標是看它能否不遺漏地處理多點同時報警。
事故追憶和趨勢分析 監控的另外一個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事故的原因，并找到恢復生產的最佳方法。從這個意義出發，實時歷史數據的保留和系統操作情況記錄變得非常重要。因而評價一個SCADA系統，其功能強弱最為重要的指標之一就是對實時歷史數據記錄和查詢的準確和高效。
現代計算機軟硬件技術的發展和應用的需要，又使得SCADA系統還要能解決以下一些問題：
與管理信息系統（MIS）的結合。在現代企業中，生產過程管理和企業日常事物管理的結合是不可分割的，信息流的分層次流動適合于不同的管理需要，而且地域和行政部門的分布，在企業集團化管理的趨勢下變得越來越明顯，因此現代SCADA系統除了生產設備的分步式管理之外，上位機系統的分布式要求變得越來越重要。評價一個SCADA系統功能的強弱，其網絡數據庫功能將是一個不可缺少的評價指標。
與地理信息系統（GIS）的結合。SCADA系統應用面臨的眾多領域中，對地理信息系統的要求越來越高。從這種角度上說，將一個適合于工業和事物管理的地理信息系統嵌套于SCADA系統中，將帶來不可估量的效益，從而也是評價SCADA系統的一個重要指標。
為了滿足以上要求，從計算機軟硬件技術要求來看，SCADA系統作為一個應用軟件系統，它涉及到IT技術的方方面面，集中強調以下幾種技術的綜合利用：
通訊技術：面臨多種通訊協議模式如：ASCII、RTU等，通訊方式表現為同步、異步和主被動結合等，通訊媒體包括有線和無線方式；
計算機網絡技術：應用表現為標準局域網、廣域網、撥號網絡、串口組網等等，協議包括TCP/IP、專用協議等，系統結構囊括點對點、客戶/服務器等方式；
分布式數據庫技術：強調實時高性能數據庫的應用和與通用數據庫的開放接口等等；
編譯技術：由于SCADA系統應用領域的特殊性，不同的應用對監控各方面的要求均不一樣，因而，SCADA系統通常提供可編程功能，由于效率要求和保護二次開發知識產權的關系，設計一個好的專用語言,并提供一個好的編譯系統將是至關重要的；
操作系統技術：SCADA系統面臨的應用需要一個多任務、并發控制的系統結構，因此在開發系統時需要引入先進的調度算法和運行機制；
可靠性保障技術：由于SCADA系統應用的特殊性，系統通常需要提供多種可靠性保障技術，包含硬件如備用網絡技術、備用數據采集設備和軟件（如備用運行系統）等等，以及軟件的多機熱備用技術；
多媒體技術：需要結合動畫、聲音、圖形圖象等多媒體技術的綜合應用，以便真實客觀地反映設備生產過程的狀態和方便事務管理的要求；
圖形用戶界面技術：由于SCADA系統面臨的用戶的計算機應用能力參差不齊，方便易學的圖形用戶界面是極為必要的；
2.SCADA系統現狀和主要問題
基于PC機Windows平臺的SCADA上位機系統是目前發展的趨勢，特別是基于95/98/NT平臺的SCADA系統。目前，國際和國內市場上基于以上兩種平臺，應用比較廣泛的SCADA上位機系統有：WondWare的InTouch、西門子公司的WinCC、澳大利亞的CiTech、美國Interlution公司的Fix、意大利LogoSystem的LogView等，這些系統較好地解決了傳統SCADA上位機系統的功能主要方面：
數據采集與控制信息發送 提供基于進程間通訊的數據采集方法（主要表現為開發DDE服務程序），并且已開發了常用的多種智能數據采集設備的服務程序；
報警處理 具有多點同時報警處理功能，提供報警信息的顯示，登錄，部分提供用戶應答功能；
歷史趨勢顯示與記錄 提供基于專用實時數據庫的監控點數據的記錄、查詢和圖形曲線顯示；同時，針對管理和控制的需要，這些系統還提供以下工業過程控制和管理中相當有幫助的功能：
配方管理功能：控制系統按一定的配方完成生產管理；
網絡通訊功能：提供非透明網絡通訊機制，可以構筑上位機的分布式監控處理功能；
開放系統功能：提供基于DDE數據交換機制與其它應用程序交換數據，部分提供ODBC與其它系統數據庫系統連接。
但是這些系統在完成以下功能時具有明顯的缺陷：
與企業MIS系統的結合性能差；
不具備GIS功能；
網絡通訊不透明，不適合開發現代企業基于局域或專線網的網狀層次結構監控管理系統；
數據采集速度有待進一步提高；
系統事故追憶能力差；
缺乏高效能的控制任務調度算法的支持；
針對國內的需要，這些系統有明顯的弱點：
本地化差：雖然部分系統已經漢化，但是中國市場中某些行業規范，他們很難滿足；
價格昂貴：這些系統，動則上萬美元，很難為國內一般應用所接受。
同國外系統相比，大部分國產通用系統具有較高的性能價格比，本地化能力較強，如三維科技公司的力控、北京亞控科技公司的組態王等。但多數產品仍有諸如：與MIS集成能力差、GIS功能薄弱、多任務調度能力差，事故追憶和診斷能力缺乏等等致命的弱點，要滿足企業級和行業部門級大型集中監控管理GIS系統的要求，還需要相當的時間。而且人力資源以及資金限制使得它們可能在很長時間內只能維持對現有系統功能的維護和補充。在這種情況下，國內對于大型監控項目的開發還需要系統集成公司開發專用的結合MIS，GIS和SCADA的系統來滿足需要。
目前，三維公司開發的《流程行業智能集成制造軟件平臺》，已成功地將監控組態軟件、實時數據庫、管理信息系統和辦公自動化系統有機地結合起來，可以滿足大型企業CIMS建設的需要。
下位機一般意義上通常指硬件層上的，即各種數據采集設備，如各種RTU、 FTU、PLC及各種智能控制設備等等。這些智能采集設備與生產過程和事務管理的設備或儀表相結合，時感知設備各種參數的狀態，并將這些狀態信號轉換成數字信號，并通過特定數字通信網絡傳遞到HMI系統中。必要的時候，這些智能系統也可以向設備發送控制信號。上位機HMI系統在接受這些信息后，以適當的形式如聲音、圖形、圖象等方式顯示給用戶，以達到監視的目的，同時數據經過處理后，告知用戶設備各種參數的狀態（報警、正常或報警恢復），這些處理后的數據可能會保存到數據庫中，也可能通過網絡系統傳輸到不同的監控平臺上，還可能與別的系統（如MIS，GIS）結合形成功能更加強大的系統；HMI還可以接受操作人員的指示，將控制信號發送到下位機中，以達到控制的目的。
上位機與下位機結合的SCADA系統，作為操作員平臺和中央監控系統，可以廣泛地應用到工業生產和事物管理的各個領域，主要有：
樓宇自動化 開放性能良好的SCADA系統可作為樓宇設備運行與管理子系統，監控房屋設施的各項設備事務，如門警、電梯運營、消防系統、照明系統、空調系統、水工、備用電力系統等等的自動化管理；
生產線管理 用于監控和協調生產線上各種設備正常有序的運營和產品數據的配方管理；
無人工作站系統 用于集中監控無人看守系統的正常運行，這種無人值班系統廣泛分布在以下行業：
無線通訊基站網；
郵電通訊機房空調網；
電力系統配電網；
鐵路系統電力系統調度網；
鐵路系統道口，信號管理系統；
壩體、隧道、橋梁、機場和碼頭等安全監控網；
石油和天然氣等各種管道監控管理系統；
地鐵、鐵路自動收費系統；
交通安全監側
城市供熱、供水系統監控和調度
鋼鐵工業高爐安全監控系統；
環境、天文和氣象無人檢測網絡的管理；
各種工業鍋爐監控保護系統；
其它各種需要實時監控的設備。
機械人、機件臂系統 用于監視和控制機械人的生產作業；
其它生產行業 如大型輪船生產運營、糧庫質量和安全監測、設備維修故障檢測、高速公路流量監控和記費系統等。
這些行業在應用了SCADA系統后，可以取得了以下社會和經濟效益：
極大地提高了生產和運行管理的安全性能和可靠程度；
生產配方管理的自動化可大大提高產品的質量和生產的效率；
極大地減低了生產人員面臨惡劣工作環境的可能性，保證了工作過程中第一位的人員的安全性；
可大大地減少不必要的人工浪費；
通過生產過程的集中控制和管理，極大地提高企業作為一個整體效率的競爭能力；
系統通過對設備生產趨勢的保留和處理，可提高預測突發事件的能力，在緊急情況下的快速反應和處理能力可極大地減少生命和財產的損失，從而可帶來潛在的社 會和經濟效益；
1.SCADA系統的功能要求
SCADA系統，從傳統用戶的角度來講主要解決以下三個問題：
設備各種參數狀態數據的采集和控制信息的發送 這部分涉及兩個含義：一是怎樣采集設備參數狀態數據？它通常由智能設備生產廠家解決，及作為下位機在市場中出售，并提供可編程的通訊協議和協議處理芯片；二是設備生產狀態數據如何傳遞到上位機系統處理？目前上位機通常通過標準串口或IO卡運行專用的上層采集模塊，從下位機中實時地采集設備各種參數和發送控制信息；解決問題效率的高低表現在采集周期的長短上，這也是衡量一個系統是否適合于某個行業的一個重要指標。目前上位機可達到平均毫秒級的采集周期。
監控參數的圖形動畫表達和報警處理 報警作為監控的一個重要目的，是所有上位機系統必須解決的問題。如果說各種圖形、圖象、動畫、聲音等方式用于表達設備的各種參數運行狀態是必不少的話，那么若上位機系統不能有效的處理設備的報警狀態，所有的表現形式都是多余的。評價上位機系統可靠性和高效性的一個重要指標是看它能否不遺漏地處理多點同時報警。
事故追憶和趨勢分析 監控的另外一個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事故的原因，并找到恢復生產的最佳方法。從這個意義出發，實時歷史數據的保留和系統操作情況記錄變得非常重要。因而評價一個SCADA系統，其功能強弱最為重要的指標之一就是對實時歷史數據記錄和查詢的準確和高效。
現代計算機軟硬件技術的發展和應用的需要，又使得SCADA系統還要能解決以下一些問題：
與管理信息系統（MIS）的結合。在現代企業中，生產過程管理和企業日常事物管理的結合是不可分割的，信息流的分層次流動適合于不同的管理需要，而且地域和行政部門的分布，在企業集團化管理的趨勢下變得越來越明顯，因此現代SCADA系統除了生產設備的分步式管理之外，上位機系統的分布式要求變得越來越重要。評價一個SCADA系統功能的強弱，其網絡數據庫功能將是一個不可缺少的評價指標。
與地理信息系統（GIS）的結合。SCADA系統應用面臨的眾多領域中，對地理信息系統的要求越來越高。從這種角度上說，將一個適合于工業和事物管理的地理信息系統嵌套于SCADA系統中，將帶來不可估量的效益，從而也是評價SCADA系統的一個重要指標。
為了滿足以上要求，從計算機軟硬件技術要求來看，SCADA系統作為一個應用軟件系統，它涉及到IT技術的方方面面，集中強調以下幾種技術的綜合利用：
通訊技術：面臨多種通訊協議模式如：ASCII、RTU等，通訊方式表現為同步、異步和主被動結合等，通訊媒體包括有線和無線方式；
計算機網絡技術：應用表現為標準局域網、廣域網、撥號網絡、串口組網等等，協議包括TCP/IP、專用協議等，系統結構囊括點對點、客戶/服務器等方式；
分布式數據庫技術：強調實時高性能數據庫的應用和與通用數據庫的開放接口等等；
編譯技術：由于SCADA系統應用領域的特殊性，不同的應用對監控各方面的要求均不一樣，因而，SCADA系統通常提供可編程功能，由于效率要求和保護二次開發知識產權的關系，設計一個好的專用語言,并提供一個好的編譯系統將是至關重要的；
操作系統技術：SCADA系統面臨的應用需要一個多任務、并發控制的系統結構，因此在開發系統時需要引入先進的調度算法和運行機制；
可靠性保障技術：由于SCADA系統應用的特殊性，系統通常需要提供多種可靠性保障技術，包含硬件如備用網絡技術、備用數據采集設備和軟件（如備用運行系統）等等，以及軟件的多機熱備用技術；
多媒體技術：需要結合動畫、聲音、圖形圖象等多媒體技術的綜合應用，以便真實客觀地反映設備生產過程的狀態和方便事務管理的要求；
圖形用戶界面技術：由于SCADA系統面臨的用戶的計算機應用能力參差不齊，方便易學的圖形用戶界面是極為必要的；
2.SCADA系統現狀和主要問題
基于PC機Windows平臺的SCADA上位機系統是目前發展的趨勢，特別是基于95/98/NT平臺的SCADA系統。目前，國際和國內市場上基于以上兩種平臺，應用比較廣泛的SCADA上位機系統有：WondWare的InTouch、西門子公司的WinCC、澳大利亞的CiTech、美國Interlution公司的Fix、意大利LogoSystem的LogView等，這些系統較好地解決了傳統SCADA上位機系統的功能主要方面：
數據采集與控制信息發送 提供基于進程間通訊的數據采集方法（主要表現為開發DDE服務程序），并且已開發了常用的多種智能數據采集設備的服務程序；
報警處理 具有多點同時報警處理功能，提供報警信息的顯示，登錄，部分提供用戶應答功能；
歷史趨勢顯示與記錄 提供基于專用實時數據庫的監控點數據的記錄、查詢和圖形曲線顯示；同時，針對管理和控制的需要，這些系統還提供以下工業過程控制和管理中相當有幫助的功能：
配方管理功能：控制系統按一定的配方完成生產管理；
網絡通訊功能：提供非透明網絡通訊機制，可以構筑上位機的分布式監控處理功能；
開放系統功能：提供基于DDE數據交換機制與其它應用程序交換數據，部分提供ODBC與其它系統數據庫系統連接。
但是這些系統在完成以下功能時具有明顯的缺陷：
與企業MIS系統的結合性能差；
不具備GIS功能；
網絡通訊不透明，不適合開發現代企業基于局域或專線網的網狀層次結構監控管理系統；
數據采集速度有待進一步提高；
系統事故追憶能力差；
缺乏高效能的控制任務調度算法的支持；
針對國內的需要，這些系統有明顯的弱點：
本地化差：雖然部分系統已經漢化，但是中國市場中某些行業規范，他們很難滿足；
價格昂貴：這些系統，動則上萬美元，很難為國內一般應用所接受。
同國外系統相比，大部分國產通用系統具有較高的性能價格比，本地化能力較強，如三維科技公司的力控、北京亞控科技公司的組態王等。但多數產品仍有諸如：與MIS集成能力差、GIS功能薄弱、多任務調度能力差，事故追憶和診斷能力缺乏等等致命的弱點，要滿足企業級和行業部門級大型集中監控管理GIS系統的要求，還需要相當的時間。而且人力資源以及資金限制使得它們可能在很長時間內只能維持對現有系統功能的維護和補充。在這種情況下，國內對于大型監控項目的開發還需要系統集成公司開發專用的結合MIS，GIS和SCADA的系統來滿足需要。
目前，三維公司開發的《流程行業智能集成制造軟件平臺》，已成功地將監控組態軟件、實時數據庫、管理信息系統和辦公自動化系統有機地結合起來，可以滿足大型企業CIMS建設的需要。
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