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關鍵詞：
SCADA
給排水
- 摘要：本文分析了給排水SCADA系統(tǒng)中的計算機技術、通訊技術及控制技術問題，概述了給排水SCADA系統(tǒng)的市場構成情況，并提出完善SCADA系統(tǒng)的幾點建議。
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摘 要：分析了給排水SCADA系統(tǒng)中的計算機技術、通訊技術及控制技術問題，概述了給排水SCADA系統(tǒng)的市場構成情況，并提出完善SCADA系統(tǒng)的幾點建議。
關鍵詞：SCADA通訊；控制；市場；建議
計算機自動化SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)技術又稱計算機四遙(遙測、遙控、遙信、遙調)技術，在給排水行業(yè)得到廣泛的應用，取得了良好的經(jīng)濟效益與社會效益，已形成了造福社會的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。如何指導該技術的發(fā)展，培育好給排水自動化的市場，進而促進自動化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是一件十分有意義的工作。為此，本文對該技術加以綜述，以起拋磚引玉之目的。
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一、SCADA系統(tǒng)的技術分析
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SCADA技術建立在3C+S(Computer、Communication、Control、Sensor)基礎上。以上四種技術近來發(fā)展很快，不斷推出新技術、新產(chǎn)品，同時很多舊技術和產(chǎn)品也無情地遭受被淘汰的命運。如何采用新觀念、新技術、新產(chǎn)品構建適用于給水排水的管理功能強大、可靠性強、有良好的現(xiàn)場安裝界面、易于操作和維護與價格低廉的SCADA系統(tǒng)，是給排水行業(yè)客戶的需要也是SCADA系統(tǒng)集成商的責任，以下就3C+S技術分述如下：
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?1、計算機(Computer)技術
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近些年來，計算機PC技術以每一年多更新一代的速度飛速發(fā)展。強大的硬件平臺(主頻300M以上，CPU內置MMX技術、內存128M及以上、10G以上的硬盤和高速CD-ROM 及 DVD-ROM驅動器等)支持著不斷更新的視窗操作系統(tǒng)Windows軟件和網(wǎng)絡技術。功能強大的PC系統(tǒng)平臺，既擺脫了DOS操作的煩惱，解除了鍵盤操作PC的尷尬，使PC得到了廣泛的應用，更為構建高功能的SCADA系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。眾所周知在SCADA系統(tǒng)中PC機主要用做Master或稱調度中心。近來國內外許多廠家都推出了基于Windows的 forSCADA的組態(tài)軟件。這些軟件平臺上可以完成與給排水調度相關的數(shù)據(jù)采集(提供了與多種PLC或其它智能設備通訊驅動程序Driver、動態(tài)數(shù)據(jù)交換DDE功能及 OLE 技術等等)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)記錄等工作，具有良好的圖形化人機界面，MMI具備趨勢分析和控制功能。為給排水優(yōu)化調度、節(jié)能降耗提供了盡善盡美的手段。PC機的網(wǎng)絡功能為多級調度SCADA系統(tǒng)的建設和參與水廠管理提供了很多意想不到的功能。在SCADA系統(tǒng)中不斷更新PC軟硬件平臺，所需費用占SCADA系統(tǒng)建設費的比例不太大，但對提高SCADA的功能與可靠性影響較大，加強調度中心建設的投資是合算的。
目前存在的主要問題是還沒有國產(chǎn)專為給排水自動化的ForSCADA組態(tài)軟件問世，而通用組態(tài)軟件的購置價格較貴。組織生產(chǎn)規(guī)范化標準化、價格適中、功能適用于給排水的SCADA組態(tài)軟件有著廣泛的前景，也是建設中國給排水自動化系統(tǒng)ChinaSCADA的重要環(huán)節(jié)。
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?2、通訊(Communication)技術
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通訊技術與設備的選擇是構建SCADA系統(tǒng)最豐富多彩的部分，SCADA系統(tǒng)設計是否合理，通訊技術的選擇十分重要。由于各種通訊技術之間融匯貫通，試圖按分類去加以說明是十分困難而又會漏洞百出的。這里，為敘述方便，只能牽強地加以分類。
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?（1）網(wǎng)絡技術LAN WAN與INTranet
我們權且把網(wǎng)絡技術作為SCADA通訊的一部分。基于TCP/IP 的計算機網(wǎng)絡互連與擴展技術，如網(wǎng)關、路由器、網(wǎng)橋、中繼器、遠程訪問服務；基于存儲器的動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術；基于開放數(shù)據(jù)庫的訪問技術等構成控制網(wǎng)絡與信息。事實上這部分應是SCADA系統(tǒng)以上管理層部分，這里不多加敘述。
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?（2）串行互連總線
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RS232、RS485以及USB(Universal Serial BUS)，前兩種是大家熟知的，而USB是近期推出的高效率、即插即用、熱切換的接口。
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?（3）測控總線標準
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如Bitbus, Profibus, PROWAYC,PHOEBUS, HART, CAN, Dupline, L2, Modbus, SDS, ControlNET, FIP, SERCOS, FF, Lonworks等。
以上多種測控總線標準正不斷地滲透到SCA DA系統(tǒng)之中，特別是現(xiàn)場、儀表與智能終端之間的通訊應用十分廣泛。
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?（4）無線通訊
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如微波、擴頻通訊、衛(wèi)星通訊、銥星通訊、超短波通訊、短波通訊、GSM、CDMA、雙向無線尋呼等。
以上無線通訊有些是公共數(shù)據(jù)網(wǎng)的應用，一般情況下應用最多的是超短波200MHz的通訊。特別應指出的是，正在發(fā)展的雙向無線尋呼為構成給排水SCADA中的測壓終端，水源井群和城市排水網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的通信將會有十分重要的作用，是既可靠又廉價的通訊手段。
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?（5）有線通訊
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公共數(shù)據(jù)網(wǎng)PSDN ISDN和BISDN，特別是BISDN綜合寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)與光纖入戶工程的增值業(yè)務，將極大地方便城鎮(zhèn)給排水SCADA系統(tǒng)中通訊功能的建設，例如，測壓點、水源井、污水監(jiān)控站等。
自建有線網(wǎng)，一般采用雙絞線作介質。各PLC 廠商和通訊廠商都分別制定了封閉和開放的有線通訊系統(tǒng)協(xié)議，并有相應的產(chǎn)品供應，如以色列RAD公司的6DC型M ODEM、GE fanuc的Genius BUS 以及西門子的L2 等，都為SCADA系統(tǒng)提供了良好的通信手段。在凈水廠和污水處理廠內的SCADA系統(tǒng)中得到廣泛的應用。
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?（6)載波通訊技術
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電力載波技術爭論許多年，近日有文章報道西門子公司有相應的載波通訊設備出售，相信該技術會有較好前景。在凈水廠、污水處理廠內的SCADA中加以應用，不用布線即可構成系統(tǒng)。
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?（7）光纖通訊
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光纖通信以其高帶寬，高抗干擾性在信息通訊中得到廣泛應用。在SCADA系統(tǒng)中也已具備了應用條件。德國赫斯曼公司HIRSCHMANN生產(chǎn)的OZD485，用于光電485協(xié)議轉換，可適用于：Partyl－ine，SINEC、L1、L2，Uni telway，GEbus，Modbus+，BitBus，PROFIBUS，PNET，CAN等多種協(xié)議。其多模設備，售價只幾百馬克。可見，光纖通信在SCADA中的應用已達到實用水平。
如何構建良好的SCADA系統(tǒng)，通訊技術的選擇舉足輕重。現(xiàn)在各種通信技術發(fā)展很快，公共通信技術在市場的發(fā)展中逐步建立了可靠而廉價的平臺。SCADA系統(tǒng)集成商要緊跟先進技術，才能提出最好的通訊方案。
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?3、控制(Control)技術
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本文所指控制設備為SCADA系統(tǒng)的 Slave，或稱下位機，遠方終端RTU和現(xiàn)場測控智能裝置，也可以是專用的RTU、智能儀表和智能控制器以及PLC系統(tǒng)等統(tǒng)稱下位控制單元。控制設備，在每一個SCADA系統(tǒng)中都會有若干臺，對SCADA系統(tǒng)的可靠性和價格影響最大。近十多年來給排水SCADA系統(tǒng)建設形成了不少模式，如PC+PLC 模式，PC+單片機模式，全部進口的 PC+RTU模式等。
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?（1）PC+PLC模式
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這里只談控制部分，即PLC。各廠家和各種型號的PLC都是一個系列化產(chǎn)品的系統(tǒng)平臺，既有自己封閉的網(wǎng)絡又有開放接口。僅控制功能而言，PLC是嚴謹、方便、易安裝、易編程，可靠性高的技術產(chǎn)品。它提供高質量的硬件、高水平的系統(tǒng)軟件平臺和易學易懂的應用軟件平臺(用戶平臺)，應用于順序邏輯控制和許多復雜計算方面是盡善盡美的。而且規(guī)模越大在經(jīng)濟上越合算。在給排水SCADA系統(tǒng)中，如自來水凈水過程控制，污水處理過程控制，自來水二級泵站多泵系統(tǒng)控制和遠程調水中多泵閥的控制等方面具有無可爭議的優(yōu)勢。PLC的缺點在給排水SCADA中也暴露無遺，這表現(xiàn)在模擬量數(shù)據(jù)采集的高價位，人機界面高價位和中小型PLC 數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)歷史事件追憶(SOE)功能等方面，在給排水SCADA系統(tǒng)中的應用受到限制。在SCADA調度系統(tǒng)中，無法忍受做一個測壓點終端只監(jiān)測一個模擬量而采用PLC的資源浪費，應當因地制宜地采用PC+PLC 構建SCADA系統(tǒng)。
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?（2）PC+單片機模式
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這里只講與控制有關的單片機(下位機)。十多年來單片機構成給排水SCADA系統(tǒng)下位機是主流。由Z80單板機經(jīng)8031、8098過渡到目前主流為80C196的單片機。各種科研單位及公司研制的單片機構成SCADA系統(tǒng)的 RTU，始終沒有改變目標設計的模式。在這種方式下單片機RTU的軟件采用互相保密(甚至同一單位內部也互相保密)的封閉式做法。這種封閉既造成了難以維護的缺點又破壞了單片機的資源，還造成了單片機RTU不廉價的怪現(xiàn)象。據(jù)悉，迄今為止每一個單片機裝置的售價都在數(shù)千元之巨，而一片單片機CPU 才幾十元人民幣。當然較之PLC與進口RTU相比，單片機還是價位最低的。單片機RTU只適于做測壓點終端、簡單的水源井控制和簡單環(huán)境的數(shù)據(jù)采集。還應當指出的是，目前國內各廠家用單片機做的RTU，只支持有線RS232、RS485和無線200MHz通訊，很少有人考慮其它高效率通信協(xié)議的接口應用問題。迄今為止，還沒有適用于給排水SCADA的按系統(tǒng)平臺設計的商品化的單片機RTU產(chǎn)品。十多年來，單片機RTU 的廣泛應用給SCADA用戶培養(yǎng)了一大批應用與維修人員。這些人員是給排水SCADA發(fā)展的寶貴資源，是給排水自動化產(chǎn)業(yè)大軍的一部分。
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?（3）PC+進口RTU模式
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據(jù)悉一個進口RTU完成一個測壓點的數(shù)據(jù)監(jiān)測，有的要6萬元人民幣之巨，這是一個怪現(xiàn)象，不多加評述。
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?（4）混合模式
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采用PLC和單片機RTU構成混合SCADA下位機，是目前大多數(shù)系統(tǒng)的做法。
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?（5）現(xiàn)場測控智能執(zhí)行機構
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現(xiàn)場測控智能機構在SCADA系統(tǒng)中有許多種類。在給排水SCADA中使用最多的是變頻調速裝置，該裝置對完善給排水工藝，加強工藝可控性及節(jié)能降耗等方面都有著很好的作用。現(xiàn)場測控智能還包括壓力調節(jié)器等等，應歸類在傳感裝置中，現(xiàn)場測控智能裝置一般在SCADA系統(tǒng)的Slave控制之下。有些直接與上位 PC 機通訊構成系統(tǒng)。
控制技術作為SCADA系統(tǒng)的重點工作，迄今為止沒有一個規(guī)范的做法，更沒有標準化的產(chǎn)品。在具體構建SCADA系統(tǒng)時它主要由承建者和設計者的水平、好惡與利益決定。另外，技術的不斷發(fā)展更新，也是造成沒有標準化、規(guī)范化的原因之一。做好SCADA系統(tǒng)下位機平臺的規(guī)范化與標準化是建設高質量低價位SCADA系統(tǒng)的關鍵。
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?4、傳感(Sensor)技術
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在給排水SCADA系統(tǒng)的生產(chǎn)現(xiàn)場層，安裝著許多傳感器與執(zhí)行機構，完成SCADA系統(tǒng)的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與調控命令的執(zhí)行。
傳感器可分為智能型和非智能型兩類。非智能型完成電量的標準化信號轉換和非電量的理化數(shù)據(jù)向標準化電量信號轉換。智能型傳感器除完成上述非智能型傳感器的工作之外，還具有上、下限報警設置，數(shù)據(jù)顯示，簡單數(shù)字邏輯控制，PID調節(jié)等功能。最新的智能傳感器大都具有某種現(xiàn)場總線功能，可以與SCADA的上位 PC 或下位控制單元通訊，構成SCADA系統(tǒng)。在給排水SCADA中常用的傳感器主要有：水位、壓力、流量、溫度、濕度、濁度、余氯、BOD、COD、電壓、電流、功率、電度、cosφ、流動電流儀以及接近開關、限位開關、水位開關、繼電器等。前幾年，國產(chǎn)傳感器普遍沒有過關，給排水SCADA的傳感器還是國外傳感器廠商的天下。
近來給排水傳感器市場推出了大量的國產(chǎn)高質量的產(chǎn)品。可以說，傳感器是SCADA國產(chǎn)化最高也是最成功的環(huán)節(jié)。
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二、給排水自動化SCADA的市場概述
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給排水自動化市場由供需雙方構成。供方主要由從事SCADA系統(tǒng)集成及相關的廠商構成，需方為各自來水公司、污水處理廠及與給排水相關的大型廠、礦和政府機構等。
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?1、需方市場構成
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我國現(xiàn)有城市600多個，每個城市都具有一個給排水自動化市場，還有數(shù)百座發(fā)電站和大型聯(lián)合企業(yè)及廣大鄉(xiāng)鎮(zhèn)，都構成廣大的給排水自動化市場。需方是市場原動力，需方購買給排水SCADA系統(tǒng)的動力大致如下：
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?（1）法律原因
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給水(自來水)：有"水法"制約，必須達標。SCADA系統(tǒng)是實現(xiàn)水質達標的重要手段之一。
排水：國家制定了相關法律，污水必須達標排放，而SCADA系統(tǒng)是實現(xiàn)達標排放的重要手段之一。
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?（2）經(jīng)濟原因
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一個系統(tǒng)設計完整，設備選型慎重、科學，系統(tǒng)集成良好，質量可靠的SCADA系統(tǒng)，可為排水SCADA的需方在減員、節(jié)能、降耗、加強管理等方面帶來良好的經(jīng)濟效益。
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?（3）公司形象
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很多用戶考慮公司形象建立SCADA系統(tǒng)。
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（?4）投資方要求
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現(xiàn)在很多凈水廠和污水處理廠及大型廠礦為外商投資，在原設計中已有SCADA系統(tǒng)，受投資方要求建SCADA系統(tǒng)。
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?2、供方市場構成
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面對廣大的需方市場和復雜的需方購買原因，勢必造成復雜的供方市場。供方是市場競爭的動因和參與人。供方市場權且按設備供應商構成的一級市場與系統(tǒng)集成商構成的二級市場分類。
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?（1）SCADA 設備供應的一級市場
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一級市場包括計算機及外圍設備硬件供應商；計算機及控制器軟件設備供應商；通訊設備供應商；控制設備供應商(PLC等)；傳感器及執(zhí)行機構供應商；線纜與機箱機柜供應商；電子器件供應商；電源供應商等。
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?（2）系統(tǒng)集成商(自動化工程承包商)構成的二級市場
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國外SCADA系統(tǒng)的專業(yè)代理集成； 從事系統(tǒng)互連的系統(tǒng)集成； 科研單位自己開發(fā)軟硬件裝置的工程承包商；
需方用戶自己承包的SCADA系統(tǒng)集成； 轉包商。
系統(tǒng)集成商中有許多有實力的，不斷發(fā)展的公司，也有許多是魚目混珠的單位，這些集成商承建的自動化系統(tǒng)差異十分巨大，這里不加以評述。
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三、搞好SCADA系統(tǒng)的幾點建議
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?1、充分利用社會資源建設SCADA系統(tǒng)
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眾所周知，計算機(PC)技術與通訊技術已構成了巨大的社會資源。這包括數(shù)以萬計的PC 軟硬件平臺、有線電話(PSDN、ISDN)、無線電話(GSM、CDMA)、衛(wèi)星通訊、廣電網(wǎng)(BISDN) 、INTernet、INTranet 以及各種通訊總線、協(xié)議等。
給排水SCADA系統(tǒng)建設要盡可能地利用上述資源，這包括：
利用不斷發(fā)展升級的 PC 軟硬件平臺，構建SCADA調度中心； 利用WAN技術與公共通訊網(wǎng)構成多級SCADA調度系統(tǒng)； 利用INTernet技術與防火墻技術，在網(wǎng)上對SCADA調度進行遠方瀏覽與操作； 利用BISDN增值業(yè)務和無線雙向尋呼業(yè)務作為SCADA遠方智能控制單元的數(shù)據(jù)通訊； 在網(wǎng)上學習瀏覽SCADA新技術、新設備、新經(jīng)驗。
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?2、SCADA系統(tǒng)集成的建議
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我很贊成COTS(Commercial off The shelf)的做法，意為采用商品化的產(chǎn)品和技術。這是采用社會化大生產(chǎn)方式集成SCADA系統(tǒng)的方式，也是構建最合理、最可靠、最廉價的SCADA系統(tǒng)的方式，所采用的技術包括：
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?（1）調度中心軟件應徹底淘汰由集成商自編的軟件，改用基于Windows95以上平臺的forSCADA組態(tài)軟件。這樣多系統(tǒng)的互相移植與互連、升級、功能擴充、冗余、熱備份、數(shù)據(jù)庫、優(yōu)化手段、上網(wǎng)等功能可一次性解決，擺脫了某些系統(tǒng)集成商的暗箱操作，使系統(tǒng)維護由自己或社會進行。
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在盡量采用公共通訊網(wǎng)仍然不足以解決問題的情況下，應選擇專業(yè)化、商品化的產(chǎn)品，構建SCADA通訊網(wǎng)。很多科研單位自行研發(fā)的通訊設備因小批量、手工制造，質量很差，早應淘汰。只有規(guī)模生產(chǎn)才有規(guī)模效益。
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?（2）對構成SCADA系統(tǒng)影響最大的是現(xiàn)場控制單元設備 PLC 或 RTU：
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對較復雜的順序控制應選用 PLC，但要注意該PLC要具備與上位機組態(tài)軟件相適應的驅動程序和適用的通訊接口。從一般意義上看，各種 PLC 沒有質量差別。
模擬量數(shù)據(jù)采集和簡單控制應充分調查供方市場，并進行相應的技術分析，盡量采用能與上位機進行通訊的智能儀表。
對選用單片機構成的RTU或PCU應注意選用市售的商品而非科研單位自己使用的東西。市售商品應包括如下特點：按規(guī)模生產(chǎn)、有標準、有規(guī)模、有廠牌按系統(tǒng)平臺設計(即有系統(tǒng)軟件和應用軟件，應用軟件應按梯形圖編程)、能提供全部軟硬件文檔、負責培訓等售前售后服務、有適用的通訊接口并完整提供接口使用方法。
建議不采用進口高價位RTU。 構建的SCADA系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，不能依賴某特定的供應商提供的軟硬件平臺。
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?3、對SCADA系統(tǒng)設備制造商的建議
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?（1）生產(chǎn)SCADA系統(tǒng)中應用的設備應注意開放性原則，包括：
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標準化：程序設計、通信、網(wǎng)管、界面、接口等按國際標準兼容；
可移植性：應用程序可在多種平臺上互相移植；
可伸縮性：設計的系統(tǒng)規(guī)模應按需要而伸縮；
可互操作性：不依賴特定供應商的平臺。
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?（2）選用最新技術與產(chǎn)品：大規(guī)模集成電路的發(fā)展使原來需多個元件完成的工作，已集成在一個芯片上。選用高功能的CPU是降低造價與提高可靠性的捷徑。同時還要注意新的總線協(xié)議、標準的應用。
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?（3）加強軟件的研制投入：建設一個自動化系統(tǒng)，硬件采用商品化的產(chǎn)品，除現(xiàn)場安裝之外，絕大部分工作是開發(fā)軟件。加強不同應用領域和應用環(huán)境的軟件研制的投入，形成自己的NOWHOW是企業(yè)發(fā)展的關鍵。
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