什么是SCADA

SCADA是一個功能強大的控制系統(tǒng)，旨在收集，分析和可視化來自工業(yè)設備的數(shù)據(jù)。

SCADA系統(tǒng)自動提取、監(jiān)控、處理、分發(fā)、記錄和顯示從遠程現(xiàn)場設備(如傳感器、工廠機器、電機、泵、閥門)和工業(yè)企業(yè)、制造設施、核電站和煉油廠等資產(chǎn)密集型環(huán)境中的其他終端設備收集的數(shù)據(jù)。

SCADA系統(tǒng)開發(fā)涉及例程和應用程序的編程，以根據(jù)通過監(jiān)督控制中心收集和處理的指標自動響應事件，該中心包括通信網(wǎng)絡，用戶界面，設備控制器，客戶端和服務器計算機以及存儲設施。

SCADA系統(tǒng)不是全控制系統(tǒng)，執(zhí)行有限的監(jiān)督控制功能。它們監(jiān)控和收集壓力、溫度、流速、pH 值、循環(huán)時間和體積等指標。指標用于衡量工業(yè)流程的性能和效率、數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的質量以及是否符合制造標準和法規(guī)。自動SCADA命令控制響應輸入數(shù)據(jù)，以調節(jié)和控制現(xiàn)場設備的狀態(tài)和行為，例如調節(jié)數(shù)據(jù)中心的溫度。

中央樞紐的機器操作員和IT管理員使用SCADA系統(tǒng)，通過人機界面(HMI)查看有關遠程設備(例如泄漏管道)的行為和狀態(tài)的信息，并手動遠程控制設備。

SCADA的組件

現(xiàn)場設備

SCADA系統(tǒng)中的現(xiàn)場設備，也稱為現(xiàn)場儀表硬件，包括傳感器、采樣器、執(zhí)行器、繼電器、控制單元、變送器和傳輸器。傳感器是檢測或測量物理特性的現(xiàn)場設備，例如機器是打開還是關閉，或油箱中的燃油液位。執(zhí)行器是控制組件的現(xiàn)場設備，例如關閉閥門。它們通過 RTU、IED 和 PLC 進行管理。

RTU

RTU、IED 和 PLC 是基于微處理器的物理現(xiàn)場設備控制器。SCADA系統(tǒng)中的現(xiàn)場設備控制器實時監(jiān)控和收集來自現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)，將信息從設備位置傳輸?shù)椒Q為MTU的監(jiān)控控制器，并對其進行編譯，以便在由人工操作員操作的集中控制中心向系統(tǒng)操作員提供最佳呈現(xiàn)。它們通常安裝在面板上，并通過I/O模塊與現(xiàn)場設備連接，并使用串行或網(wǎng)絡通信與中央控制集線器連接。

RTU 是一種基于微處理器的電子設備。它由 I/O 硬件和通信接口組成，并支持無線連接。RTU 負責將從現(xiàn)場設備收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦袠?，并從控制中心向現(xiàn)場設備發(fā)出命令。

PLC是一種物理上堅固的微控制器，可以承受工業(yè)環(huán)境中可能發(fā)現(xiàn)的惡劣物理條件。微控制器是用于控制電子設備特定功能的集成電路(IC)。微處理器具有中央處理器 (CPU)，而微控制器在一個芯片上具有 CPU、內(nèi)存和 I/O 功能。PLC 提供 SCADA 系統(tǒng)根據(jù) SCADA 系統(tǒng)程序和功能中的編碼指令自動化過程或響應警報所需的信息。PLC取代了早期SCADA系統(tǒng)的繼電器和定時器。與繼電器不同，PLC能夠監(jiān)視和控制電路，并且可以編程。傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)幾乎總是有PLC。有一些專有的I/O模塊可以在沒有PLC的情況下進行簡單的監(jiān)控和自動化。 可以通過無線電波進行通信的PLC可以用作RTU的替代品。

在SCADA系統(tǒng)中，IED是一種基于微處理器的設備，用于從現(xiàn)場設備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。它們有時被描述為對傳統(tǒng)RTU的升級，主要區(qū)別在于IED與其監(jiān)視和控制的設備集成在一起，并具有內(nèi)置的計量，數(shù)據(jù)傳輸和計算功能。***的例子包括繼電保護裝置、斷路器控制器和電壓調節(jié)器。IED有時被比作PLC。PLC和IED之間的主要區(qū)別在于PLC通常用于集中(本地)自動化任務，而IED通常用于變電站(遠程)自動化任務。

RTU、IED 和 PLC 的功能重疊，區(qū)分它們可能會令人困惑，但它們有不同的用途。RTU被認為比PLC更適合遠程地理遙測，因為它們支持無線通信，而PLC更適合本地控制任務，例如在工廠和倉庫中。在某些情況下，IED可以直接與控制器通信，或者可以設置系統(tǒng)，以便RTU輪詢IED以獲取數(shù)據(jù)并將其傳遞給控制器。

MTU

MTU 也稱為控制服務器、主控制器或監(jiān)督控制器。MTU 托管的軟件提供有關必須如何處理從 RTU 和 PLC 收集的數(shù)據(jù)的說明。

SCADA網(wǎng)絡通信協(xié)議

SCADA系統(tǒng)依賴于系統(tǒng)元件和中央SCADA控制中樞之間的復雜通信網(wǎng)絡。通信選項包括以太網(wǎng)、電話線和光纖線等硬連線選項，以及 Wi-Fi、無線電、微波和蜂窩等無線選項。

SCADA系統(tǒng)中使用的一些最流行的協(xié)議是標準Modbus，以太網(wǎng)/ IP，Profibus，Conitel，RP-570.IEC 60870-5(T101基于此)和分布式網(wǎng)絡協(xié)議(DNP3)。

Modbus RTU是工業(yè)電子設備之間串行通信的事實標準協(xié)議。

IEC 60870-5是由國際電工委員會(IEC)制定的一套規(guī)范，旨在為SCADA數(shù)據(jù)傳輸提供開放標準，并廣泛用于電氣應用。

T101.也稱為IEC 60870-5-101.是主要用于電力系統(tǒng)的通信和控制的國際標準。

DNP3 廣泛用于過程自動化應用，如水和能源行業(yè)。

人機界面

人們通過HMI查看，調節(jié)和報告數(shù)據(jù)，HMI在SCADA系統(tǒng)中充當中央處理中心和圖形用戶界面(GUI)。

HMI和GUI之間的區(qū)別在于，雖然GUI的主要功能是提供用戶友好的界面，允許人們有效地瀏覽應用程序，但HMI的主要功能是允許操作員使用各種界面執(zhí)行控制任務，而不僅僅是視覺界面。HMI 不依賴于賞心悅目的界面，可以包括一個帶有旋鈕、按鈕和杠桿的基本控制臺來執(zhí)行控制任務。

HMI 不收集數(shù)據(jù)，而是報告由 RTU、PLC 和 IED 收集的數(shù)據(jù)。雖然SCADA系統(tǒng)理論上可以在沒有HMI的情況下運行，但在大多數(shù)情況下，這是毫無意義的，因為操作員無法看到數(shù)據(jù)或接收報告。HMI旨在自動監(jiān)控過程和設備，通知操作員日常維護要求，在系統(tǒng)或設備發(fā)生故障時發(fā)送警報，并在必要時觸發(fā)對設備的修改，例如關閉機器。

HMI為組織的管理層提供趨勢，趨勢是歷史和實時數(shù)據(jù)的圖形說明。

存儲設備

SCADA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以存儲在本地或云數(shù)據(jù)庫中。SCADA中的數(shù)據(jù)庫有時被稱為數(shù)據(jù)歷史學家。數(shù)據(jù)歷史記錄經(jīng)過優(yōu)化，可有效地收集、存儲和處理用于顯示 SCADA 系統(tǒng)中趨勢的時間序列數(shù)據(jù)。

SCADA的功能

監(jiān)控

SCADA系統(tǒng)旨在監(jiān)督和監(jiān)控監(jiān)督級別的特定流程和行為。監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是將操作員與從現(xiàn)場設備獲取的數(shù)字數(shù)據(jù)聯(lián)系起來。SCADA系統(tǒng)是事件驅動的，并非旨在主動執(zhí)行高級過程控制功能。它們通過自動或手動遠程關閉設備來響應實時事件，例如提醒設備過熱。

監(jiān)控系統(tǒng)可以由小型SCADA系統(tǒng)中的單臺計算機組成，也可以由運行分布式軟件應用程序并鏈接到大型SCADA網(wǎng)絡中的多個災難恢復站點的多臺計算機組成。

SCADA系統(tǒng)中的監(jiān)控是通過監(jiān)控控制器實現(xiàn)的，該控制器連接輸入和輸出元件，并與位于中央集線器并由人操作的人機界面集成。雖然監(jiān)督控制中心負責大部分數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，但這些信息始終被引導到中央控制中心，以便人員進行分析、報告和性能監(jiān)控。

工業(yè)控制

SCADA系統(tǒng)屬于ICS的總稱。ICS 的一些示例包括可編程自動化控制器 (PAC)、HMI、PLC、分布式控制系統(tǒng) (DCS)、IED 和 RTU。

ICS 按其功能、應用和復雜性進行分類。例如，RTU將不同類型的硬件連接到其他控制系統(tǒng)，如SCADA系統(tǒng)或DCS，而HMI控制人機(H2M)通信。PLC 設計用于監(jiān)視和控制傳感器和執(zhí)行器等現(xiàn)場設備。

SCADA ICS的主要功能是促進基于采集數(shù)據(jù)的不同遠程硬件設備和人類操作員之間的通信。

遙測

遙測涉及測量和傳輸數(shù)據(jù)以及遠程設備的狀態(tài)到可以對其進行分析的中心位置。SCADA系統(tǒng)使用遙測技術來獲取、分析、存儲和報告現(xiàn)場設備的狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集

在SCADA系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集是指從遠程傳感器(輸入)收集數(shù)據(jù)并通過現(xiàn)場控制器將其傳輸?shù)街醒肟刂浦行牡倪^程。傳感器的類型包括運動、溫度、壓力和振動傳感器。收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和分析，可用于遠程控制執(zhí)行器(輸出)。執(zhí)行器的示例包括伺服電機、步進電機、氣缸、LED、噴油器和螺線管。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還用于預測未來事件，例如通過監(jiān)測天氣模式來預測洪水等潛在的自然災害。

過程控制與過程自動化

SCADA系統(tǒng)是一種過程控制系統(tǒng)(PCS)(有時稱為ICS)和一種過程自動化系統(tǒng)(PAS)。過程自動化和過程控制是相互關聯(lián)的。

過程自動化是指使用各種技術來自動化特定流程，這些流程可能包括大量重復、復雜或危險的高層次任務。

過程控制可能有兩種不同的含義，具體取決于方案。在第一種情況下，可用于指控制和監(jiān)測簡單的事件或設備，例如瓶中的液位。從這個意義上說，PCS可以指像液位傳感器這樣的物理設備。在第二種情況下，可以指復雜自動化系統(tǒng)在高層次上的監(jiān)視和控制。在這種情況下，PCS可以指使操作員能夠監(jiān)控眾多自動化過程并響應警報和通知的軟件和界面，例如裝瓶機過熱。從這個意義上說，過程控制將一個或多個自動化過程的所有元素聯(lián)系在一起。

報警

報警是SCADA系統(tǒng)的一個關鍵功能。警報是通知操作員有關事件的通知，范圍從日常維護提醒到緊急警報。一些常見的緊急SCADA警報觸發(fā)器是設備故障，系統(tǒng)停機時間和所需設備指標的偏差。SCADA 警報可能會提供有關性能不佳和不合規(guī)的通知。

警報可能會觸發(fā)自動響應，例如通知操作員車站停電，同時自動激活UPS和備用電源。

SCADA的好處

訪問實時數(shù)據(jù)使企業(yè)和個人能夠快速做出數(shù)據(jù)驅動的決策

可以通過產(chǎn)生一致的輸出和自動化質量控制檢查來提高產(chǎn)品和服務質量

通過在危險的工作環(huán)境中用機器代替人來提高安全標準

提供眾多指標，助力行業(yè)加速轉型

自動執(zhí)行任務復雜、重復或容易出現(xiàn)人為錯誤的流程，如交通系統(tǒng)

允許實施監(jiān)控流程以保護環(huán)境并優(yōu)化能源使用

允許在本地或云中存儲大量數(shù)據(jù)，并輕松添加其他資源以實現(xiàn)高可擴展性

單元冗余可在發(fā)生系統(tǒng)錯誤或故障時強化流程

現(xiàn)代 IT 標準和協(xié)議提高了基于云的 SCADA 系統(tǒng)的安全性、效率和可靠性

SCADA的應用

SCADA系統(tǒng)可以針對任何工業(yè)應用進行配置，從為連鎖超市提供制冷服務的小型系統(tǒng)到監(jiān)控國家電網(wǎng)的復雜裝置。工業(yè)企業(yè)被定義為商業(yè)或服務企業(yè)以外的企業(yè)，但SCADA系統(tǒng)通常用于任何需要大量處理，需要定期干預或任務控制系統(tǒng)中可能需要立即遠程修復的重資產(chǎn)系統(tǒng)。

SCADA通常用于食品飲料、建筑設施管理、工業(yè)自動化、石油天然氣、化工、運輸、農(nóng)業(yè)、廢物控制、航空航天、國防、木材生產(chǎn)、建筑、水泥和金屬制造以及水凈化等行業(yè)。

SCADA應用的例子包括：在關鍵任務系統(tǒng)中為擴展的地理區(qū)域提供電力，控制工廠自動化設備的行為，遠程監(jiān)控石油和天然氣行業(yè)的海上資產(chǎn)，監(jiān)測采礦業(yè)的環(huán)境影響，調節(jié)地鐵等公共交通的電源，控制零售部門的照明和溫度， 以及調節(jié)大壩的水位。

SCADA系統(tǒng)用于強制遵守法規(guī)且沒有人為錯誤的行業(yè)，例如健康和制藥行業(yè)。它們用于自動化對業(yè)務有益的環(huán)境，例如在裝配線或空間站上制造產(chǎn)品。

SCADA組態(tài)軟件

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審核編輯黃宇