摘  要：在简要介绍信息化时代SCADA的原理特点的基础上，对于子站与主站端通讯技术方案给出对比分析。根据液晶显示器电子车间无尘室空调监控系统的要求详细论述SCADA系统设计技术。项目基于欧姆龙PLC自动化技术，以液晶生产厂（简称S厂）无尘室空调SCADA应用为主题。

关键词：无尘室； 远程监控 ； 空调；  OPC

1 引言

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即远程控制和数据采集与监视系统。SCADA广泛应用于石油、化工、电力系统、给水系统、市政等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。 SCADA系统可以分为监控中心，通讯网络，和现场远程测控系统三部分。监控中心硬件常用通用的服务器或服务器集群组成，是通用商用信息化设备。软件则多采用专用的SCADA系统软件。目前这类软件很多，随了网络技术等技术的发展，监控中心软件展现出越来越先进的特性。

2 信息化时代的远程监控

信息化时代的远程监控支持手机作为操作终端；视频与工业数据一体化；B/S结构即
浏览器/服务器结构；大地域，大视图，海量数据；远程组态和维护技术；复杂的权限管理；
电话拨号轮询SCADA系统。常见SCADA系统构图如图1所示。信息化时代为SCADA提供了空前的通讯技术解决方案。

图1 信息化时代的SCADA系统构

2.1  通过Internet公网来进行通信

由于Internet公网是不安全的，所以，不能直接将主站端和子站端通过公网相联接。必须使用安全设备，最方便的方式就是使用VPN网关。VPN网关可以通过Internet建立安全的隧道，主站端和子站端通过这个安全隧道来传输数据。隧道建立后，主站端和子站端的通讯同本地TCP/IP的通讯方式完全相同，这样将极大地方便数据的传输。VPN网关设备在提供安全隧道的同时，也提供防火墙服务，我们可以通过配置防火墙来进一步提高通信系统的安全性。使用Internet来通讯的最大好处是费用低，速度快，最高速度可以达到512Kbps。目前，在项目厂区内已现存铁通ADSL的Internet宽带网，而且价格十分便宜，完全可以利用已有的Internet连接来建立安全的数据连接通道。

2.2 通过电话拔号方式与主站端连接

在这种情况下主站端需要安装一台RAS服务器，我们的方案是采用具有RAS功能的ISDN服务器，这样做的好处是，不论客户端是普通电话线，还是ISDN线，都可以进行RAS连接。子站端的用户可以通过普通的电话线（PSTN)及一个普通异步MODEM拔号到主站端来建立数据通道。这种通信方式的速率只能达到19.2Kbps，建立连接速度慢，一般需要20到60秒钟才能建立起连接。并且此时的通信费用相当于长途电话费，如果数据传输时间长，通信费用将会很高。所以只能作为一个备份方案，当其它通信方式出故障时临时使用。

2.3通过ISDN连接

用户可以申请一条ISDN线，通过ISDN线与中心端连接。ISDN的连接速度可以达到64Kbps，建立连接的速度非常快，只需要１秒钟左右。我们采用LAN ISDN MODEM，只在有数据时才建立连接并传输数据，当系统空闲时并不占用通信线路，所以，这种方式的费用要比第二种方式低一些。

2.4 GPRS通信技术连接

GPRS是通用分组无线业务(General PACket Radio Service)的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。GPRS提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS理论带宽可达171.2Kbit/s，实际应用带宽大约在40～100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用。

2.5 本项目通讯方案确定

综合上述四种通讯连接方式，并根据本项目实际情况，确定主要系统数据通讯通过楼宇自身的局域网来进行，适应较大的通讯数据流量和通讯速率，保证整体信息集中系统的通讯稳定和可靠性、保证故障信息的即时、可靠传送。从经济角度是最佳的选择。各种通讯连接方式最终都是在子站端和主站端建立TCP/IP连接，但需考虑双网的切换管理，软件需要相关的适配和调整。其他通讯方式，如：无线电台通讯等由于通讯设备的高费用，不在本项目中考虑。

3 液晶面板车间空调SCADA监控系统

3.1 液晶显示器无尘室HVAC

液晶显示器生产车间不同于舒适性空调房间,室内的温湿度控制要求精度要求温度在23℃±2℃,相对湿度在60%±5%以内,同时对空气的洁净度也有较高要求,使得换气次数较多,新风量大,甚至有直排系统。维持无尘室一定的温湿度与洁净度，为生产工艺过程提供良好的生产环境，从而保障整个生产线的良率。无尘室是液晶生产的关键设施，其中HVAC（Heating, Ventilating and Air-Conditioning.供暖、通风及空调）系统对于无尘室环境至关重要，维持无尘室一定的温湿度与洁净度，为生产工艺过程提供良好的生产环境，从而提高整个生产良品率。洁净空气中含尘量多少的程度（即含尘浓度）。含尘浓度高则洁净度低，含尘浓度低则洁净度高。其中洁净度的划分，即在每立方米内可允许的微尘粒子大于等于0.5um的粒子数目的多少，分为1级、10级、100级、1000级、10000级和100000级。除了美国、日本、德国的洁净室标准外，世界上尚有英国、法国、澳洲及韩国等规格。

HVAC控制系统包含了三大部分：冷热源机组、空调机组和空调末端设备的控制，HVAC监视系统则实时监测无尘室内供暖通风及空调设备的启停及故障状况、漏电漏水的报警，同时监测无尘室内各部分的温度、湿度、压力以及设备的温度、压力、流量、频率等其它参数，并对故障报警、设备启停状态和模拟量数据等作随时的记录保存，从而中央监控人员可以根据监视系统显示的实时数据对相应的报警作及时的处理，可以根据数据趋势图进行分析作相应的预警处理，更可以根据系统记录的历史数据分析系统故障原因。HVAC监视系统是整个HVAC系统和中央监控人员的人机界面，随时记录和汇报系统的运行状况。

3.2项目描述

S厂按其生产工艺分为阵列、成盒、模块三个厂房，以及负责全厂动力供给的动力厂房。由于厂房面积大，无尘室暖通设备分散在整个厂房的各个部分，所需监控的信号点无法集中到一个站，所以采用基于PLC的多站分散、集中监视的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统。根据厂房内设备分布情况，在各个区域设立多个分站：成盒分站2个，模块分站2个，阵列分站6个，分别收集周边需要监测的数据；工厂有两个监控室，阵列监控室设立两个监控主站，“成盒模块主站PLC1”和“阵列主站PLC1”，分别监视成盒模块厂房和阵列厂房的信息，动力监控室设立“动力主站PLC1”，同时监视包括成盒模块和阵列厂房的所有信息。以上分布在厂房现场的各PLC分站采集到的数据，将通过网络传送到各监控室的PLC主站，再由各上位监控计算机连接主站PLC，通过上位工业监控软件监视和记录全厂现场的相关信息。

3.3 现场网络架构

监控系统网络架构共由3层网络组成，分别为CLK1，CLK2和上层以太网络。CLK是一种FA（工厂自动化）网络，Omron的多种机型可以通过它轻易地进行数据交换。CLK网络支持数据共享和信息服务的数据链接功能，可以在需要通信时发送和接收数据。数据共享允许在网络上不同的节点之间共享预先设定的数据区域，这样，当地节点发送区域内的数据会被自动发送到目的节点的接收区域，而不需要用SEND、RECV和CMND等指令编写专用的通信程序。所有的内存区（CIO、LR、DM等区域），都能够被人为或系统自动设定成收发区域。信息服务主要通过执行相应的通信程序来控制数据在特定节点之间的传输、状态数据的读写、以及操作模式的改变等。CLK网络连接介质可以是屏蔽双绞线或光纤，光纤有较强的噪音抑制能力，特别在长距离和大范围的网络中，其优势更明显。

（1）现场一层PLC网络：现场各分站PLC和监控室主站PLC之间采用欧姆龙控制器链接网光纤冗余环网（Controller Link）：成盒模块现场4个站PLC和位于阵列监控室的成盒模块主站PLC1构成一个光纤环网，通过成盒模块现场一层网络CLK1，将成盒模块现场各PLC采集的数据汇集到成盒模块主站PLC1作监控显示；阵列现场6个站PLC和位于阵列监控室的阵列主站PLC1构成一个光纤环网，通过阵列现场一层网络CLK1，将阵列现场各PLC采集的数据汇集到阵列主站PLC1作监控显示。

（2）监控二层PLC网络：通过现场一层网络，现场PLC采集的数据都被汇集到了阵列监控室的两个主站PLC1。而动力监控室内对全厂数据的监控显示则通过动力主站1和成盒模块主站1、阵列主站1之间监控二层网络CLK2，将成盒模块主站1和阵列主站1汇集的现场数据全部集中到动力主站PLC1，完成全厂的监控显示。

（3）信息层以太网：监控上位机通过以太网和监控室内各主站PLC1通讯，实时显示现场数据并作数据记录。信息层以太网链接如图2所示。

图2 信息层以太网链

3.4 系统软件平台和应用环境

（1）上位工业监控软件：上位工业监控软件采用美国罗克韦尔软件公司开发的RSView 32，RSView32是一种集成式的、组件化的人机接口软件，它运行于Windows95/98/2000/NT等操作系统下，可实现监视和控制自动化设备和过程。其可以很方便地完成工艺监控画面的形成、数据实时采集、趋势记录分析、报警报表打印等任务。该软件还具有很强的网络浏览器集成功能、嵌入标准的编程语言(VB)、在线帮助、支持实时视频图像和嵌入字处理、电子表格和ActiveX文本等功能。上位软件主要完成对设备的主要工艺参数和运行状态分别以工艺画面和表格的形式进行监视、在画面设置并监视主要控制回路的调节参数及过程、对主要仪表数据进行趋势记录、报警记录及联锁值的设定。

（2）OPC（用于过程控制的OLE）服务器：过去上位软件与现场自动化设备相连需要开发专用的底层通讯接口，实际应用很不方便。现在OPC作为自动化系统、现场总线、现场总线设备和办公管理应用程序之间的有效连接方式，使办公室和现场设备之间的数据交换简捷化、标准化，极大地简化了系统的结构，使原来错综复杂的体系结构变得简单清晰，上位软件只需注意与OPC Server之间的数据交换，而不必担心具体设备的连接问题。OPC是一个工业标准，基于微软的OLE（现在的Active X）、COM（部件对象模型）和DCOM（分布式部件对象模型）技术。OPC包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统。Active X/COM技术定义各种不同的软件部件如何交互使用和分享数据。不论过程中采用什么软件或设备，OPC为多种多样的过程控制设备之间进行通讯提供了公用的接口。欧姆龙SYSMAC OPC Server是专用于欧姆龙系列PLC等设备的OPC软件，在本系统用于与上位软件RSView32的数据接口，实现罗克韦尔的RSView32与欧姆龙PLC的数据交换。

3.5通讯工具软件

FinsGateWay是欧姆龙PLC的通讯接口工具软件，主要用于上位机与PLC各种通讯网络之间的管理，并提供建立通讯的数据接口。在本系统中，其主要用于上位机和PLC以太网之间的通讯控制和数据管理，在软件中可以对欧姆龙PLC以太网进行设定和服务启停控制。本系统中，监控上位机和监控室内各主站PLC1之间物理连接通过以太网来实现；而SYSMAC OPC Server通过PLC通讯接口工具软件FinsGateWay与PLC进行数据交换，同时又和RSView 32数据库（DataBase）进行数据交换，成为罗克韦尔RSView32和欧姆龙PLC的链接的软件接口，软件链接如图3所示。FINS（Factory Interface Network Service）是OMRON公司开发的用于FA控制网络的通信协议系统，FINS通信使用一组专门的地址，它不同于以太网的地址系统，不管目标节点在以太网还是在另外一个FA网络上，这种寻址方式都提供了一致的通信方法。以太网支持FINS通信，PLC与PLC以及PLC与上位机之间可以通过以太网单元传输数据。上位机在程序里可以使用FINS指令，PLC可以通过SEND、RECV、CMND指令来发送FINS命令。以太网单元通过UDP/IP或TCP/IP端口提供FINS通信服务，当上位机与PLC进行FINS通信时，通过向以太网单元FINS/UDP或TCP/IP端口发送包含FINS命令的数据报，可以读写PLC的内存数据或控制PLC运行。同一网络的设备之间通过执行SEND、RECV、CMND指令可以收发FINS通信命令。FINS通信也有其它网络支持，如SYSMACLINK、CLK等，处在互连网络的不同类型的网络上的节点可通过网关进行通信。

图3 基于OPC标准的软件链接

3.6 冗余以太网的建立

在欧姆龙CS1 系列PLC中，以太网单元CS1W-ETN21支持100Base-TX型工业以太网，媒体接入控制采用CSMA/CD技术，传输方式采用基带，网络层和传输层采用TCP/IP或UDP/IP协议，应用层可采用FINS通信协议。FinsGateway作为网络通信的中介软件，并安装以太网驱动单元（ETN_UNIT）和两块CS1W-ETN21网络单元建立冗余以太网络。在固定的时间间隔内，网络状态的特定通信数据段在网络间被广播，用来监测冗余网络的通断情况和网络节点的在线和离线状态。FINS通信服务建立后，当冗余网络的主网络出现单元错误，断线，在线更换等情况时，网络通信立刻切换到备用网络进行。

3.7 PLC编程软件 

CX-Programmer是欧姆龙公司PLC的软件编程、调试工具程序，其运行在Windows98\NT\2000操作系统下，具有丰富、简捷的操作环境和强大的编程、调试功能。欧姆龙的SYSMAC CS1系列PLC具有较丰富的指令系统，其包括继电器指令、定时器和计数器指令、计算指令(包括三角函数、指数、幂运算等)、数据转换、诊断、位移寄存器、比较、数据传送、程序控制和PID控制等指令。利用这些指令即可完成本系统现场环境、设备参数的数据采集、处理和传送。

3.8 PLC硬件配置

各站PLC采用目前欧姆龙公司最新产品CS1机型，CS1系列PLC按照工业控制的严格要求设计制造，是目前最先进的PLC之一。欧姆龙PLC相关中文资料丰富，使用方便；欧姆龙在国内有研发中心、工厂、物流中心，PLC产品货源充足、备品备件方便；欧姆龙在国内还有技术服务中心、维修中心，后期技术服务方便、国内维修便利。

根据分站和主站PLC负载大小可选择不同档次的CPU：分站PLC只处理本地的数据，数据量小，CPU采用欧姆龙CS1系列CS1H-CPU44H；主站需处理全厂各分站PLC传送来的数据，数据量大，CPU采用欧姆龙CS1系列性能最强的CS1H-CPU67H，其指令处理速度最快，程序、数据容量都是最大。

4 结束语

本系统自2004年投运以来，随着全厂产能的提升，厂务系统的扩展，本系统完成了数十次系统的追加和完善，运行至今系统稳定、可靠。系统全面反应了整个无尘室环境状况和暖通及空调设备的运行状态，其实时的监视功能和历史数据的记录功能为获得生产工艺过程所需要的良好生产环境提供了保障，从而提高整个生产良品率。该系统具有调试简单、操作方便、扩充容易、使用安全、效率高、故障率低等特点；其友好的人机界面，操作简单，提高了生产效率；同时由于PLC采用了模块化结构，方便了工程技术人员的安装、调试和维修；而欧姆龙无缝的网络结构，也使在监控室对现场PLC方便的进行远程监控成为可能。

参考文献

[1]欧姆龙CS1系列PLC操作手册

[2]中华工控网相关技术文献资料

[3]Rockwell公司相关文献资料

[4]中国传动网相关技术文献资料

[5]Rockwell Software. RSView32-1.0ZH-October,1999

作者简介                            

李斌 男 上海交通大学电子信息与电气工程学院工程硕士在职研究生，上海广电ＮＥＣ液晶显示器有限公司工程师，从事电气自动化及通信方面相关工作。