科普SCADA系统

什么是SCADA系统？

在20世纪中期，工业设施依靠人员对设备进行物理控制和监控。然而，随着行业规模的扩大，设备控制的创新出现了。20世纪70年代初，监控与数据采集（SCADA）系统被发明。该系统允许自动控制系统监测和控制设备和过程。

与直接数字控制（DDC）类似的控制系统体系结构——将单个微处理器分配给管理多个控制功能的任务，并在微处理器单元之间进行数字通信——用于管理本质上分布在广阔地理区域的系统。此类系统通常被称为SCADA，这是代表监督控制和数据采集的缩写。

典型的SCADA系统由多个远程终端单元（RTU）设备组成，这些设备连接到过程变送器和最终控制元件，实现基本控制功能，如电机启动/停止和PID回路控制。

这些RTU设备与中央位置的主终端单元（MTU）设备进行数字通信，操作员可以在中央位置监控过程并发出命令。

SCADA系统是指由多个远程终端单元（或RTU）组成的系统，这些远程终端单元收集通过通信系统连接回主站的现场数据。主站显示获取的数据，还允许操作员执行远程控制任务。准确及时的数据（通常是实时的）可以优化工厂和工艺的运行。

SCADA体系结构由两个基本部分组成——RTU（远程终端单元）和PLC（可编程逻辑控制器）。PLC本质上是一台微型计算机，它直接与大量对象通信，如终端设备、传感器或许多工厂机器。

然而，PLC直接连接到工厂机器，而RTU顾名思义是远程使用的。SCADA软件的强大功能使我们能够处理、分发和显示所需的数据，从而使员工更容易对其进行分析，并在需要时提出解决方案。

基本的SCADA架构从可编程逻辑控制器（PLC）或远程终端单元（RTU）开始。PLC和RTU是微型计算机，它们与一系列对象（如工厂机器，HMI，传感器和终端设备）进行通信，然后使用SCADA软件将信息从这些对象路由到计算机。SCADA软件处理、分发和显示数据，帮助操作员和其他员工分析数据并做出重要决策。

另一个好处是更高效、更可靠，最重要的是更安全的操作。与早期的非自动化系统相比，这一切都导致了更低的操作成本。SCADA的成功安装取决于利用成熟可靠的技术，并对所有人员进行充分全面的系统操作培训。

总之，SCADA系统从远程位置或本地控制各种进程，通过HMI（人机界面）软件与传感器、泵、电机和阀门进行交互，监控、获取和处理实时数据，将事件记录到文件中。

SCADA系统有失败的历史——导致这些系统的因素包括系统各个组件的集成不足、系统不必要的复杂性、不可靠的硬件和未经验证的软件。

如今，硬件可靠性已不再是一个问题，但日益增加的软件复杂性正在产生新的挑战。顺便指出的是，许多操作员不仅通过RTU、通信链路和主站（均属于SCADA系统的保护伞下）的平稳性能来判断SCADA系统，还通过现场设备（传感器和控制设备）来判断。然而，现场设备不在本手册SCADA的范围内，将不再进一步讨论。
RTU为位于每个远程站点的现场模拟和数字信号提供接口。通信系统为主站和远程站点之间的通信提供了路径。这种通信系统可以是无线电、电话线、微波，甚至可能是卫星。
特定的协议和错误检测原理用于高效和优化的数据传输。主站（和子主站）从各种RTU收集数据，并且通常提供用于显示信息和控制远程站点的操作员界面。在大型遥测系统中，子主站从远程站点收集信息，并充当返回控制主站的中继。
注意：在过去，我们称SCADA系统为完整的控制系统，包括硬件和软件，用于监测和控制工业中的设备。而在现代，我们有单独的先进系统，如PLC、DCS作为控制系统，并使用SCADA作为操作员界面或称为人机界面（HMI）或简单地作为图形用户界面。因此，不要混淆“SCADA”的术语在古代和现代之间。下面我们将讨论过去的SCADA系统，即作为完整的控制系统。
SCADA技术自60年代初就已经存在，现在有另外两种可能的竞争方法——分布式控制系统（DCS）和可编程逻辑控制器（PLC）。此外，在所有这些系统中，使用智能仪器作为关键组件的趋势越来越大。
分布式控制系统（DCS）是SCADA的另一种变体，其中数据采集和控制功能由位于受控设备或收集数据的仪器附近的多个分布式微处理器单元执行。DCS系统已经发展成为提供非常复杂的模拟（例如回路）控制能力的系统。提供了一组紧密集成的操作员界面（或人机界面），以便于系统配置和操作员控制。数据高速公路通常具有相当高的速度。
广泛使用的SCADA组件的另一个变体是可编程逻辑控制器（PLC）。PLC已经用梯形逻辑软件和固态电子输入输出模块的组合取代了硬接线继电器。它们通常用于SCADA RTU的实施，因为它们提供了标准硬件解决方案，价格非常经济。

注意：PLC是一种基于硬件的设备，SCADA是一种与PLC协同工作的系统。但是，HMI也是一个与PLC协同工作的系统。

SCADA的发展

1890年代的远程控制和远程指示

1920年代的远程指挥与控制

1930年代基于机电技术的操作前检查（CEO）系统

1960年代的监控系统（远程控制和状态指示）

1960年代的数据采集游戏普及（DAS）SCADA应运而生。

1980年代的负荷调度中心和控制

1990年代的能源控制中心

2000年代的能源管理系统

SCADA的目标

SCADA的重要目标如下：

监测：对电压、电流等参数进行连续监测。

测量：用于处理的变量的测量。

数据采集：频繁从RTU和数据记录器/相量数据集中器（PDC）采集数据。

数据通信：从现场到控制中心的大量数据的传输和接收。

控制：闭环和开环过程的在线实时控制。

自动化：输电线路、CB等的自动切换任务。

SCADA的好处

重要的好处可以通过以下功能来解决：

过程的持续监控。

实时控制。

自动化和保护。

远程控制和操作。

SCADA系统的元素

SCADA系统的结构具有以下基本组件（图1）：

中央监控站：是一个或多个中央服务器（中央主机服务器）。

中间数据采集站：是RTU远程终端（远程终端单元）或PLC（可编程逻辑控制器）可编程控制块的输入块，带有带执行器（现场液位传感器、开关设备控制箱和执行器阀门…）的输送功能继电器。

通信系统：包括工业通信网络、电信设备和多路交换设备，具有向控制单元和服务器传输现场级数据的功能

人机界面HMI机器（人机界面）：是显示数据处理过程的设备，供操作员控制系统的操作过程。
在SCADA系统中，数据收集过程首先在扫描从连接到它们的设备获得的RTU信息的过程中执行。执行此任务的时间称为内部扫描时间。服务器扫描RTU以从这些RTU收集数据。为了进行控制，服务器向RTU发送所需的信号，从而允许RTU直接向执行设备发送控制信号。

SCADA系统中传输的数据可以是连续（模拟）、数字（数字）或脉冲（脉冲）。

SCADA系统中的数据传输仅以称为数据字段的数字形式显示。该数字数据由逻辑信号（开/关）、模拟/电流信号、高速脉冲信号等形成…。

在终端操作的基本界面是GUI（图形用户界面）屏幕，用于显示整个监控系统或系统中的设备。在某一点上，数据显示为静态图像，当数据发生变化时，图像也会发生变化。

在系统数据随时间连续变化的情况下，SCADA系统通常以图形的形式在图形界面（GUI）屏幕上显示更改这些数据的过程。

SCADA系统的一大优点是当系统发生错误时能够非常成功地处理错误。通常，当出现问题时，SCADA系统可以选择以下方式之一：

使用存储在RTU中的数据：在SCADA系统中，有具有大内存容量的RTU，当系统稳定运行时，数据将备份在RTU的内存中。因此，当系统出现故障时，RTU将暂时使用这些数据，直到系统再次恢复正常。

系统冗余硬件的使用：大多数SCADA系统都设计有额外的备件，如双向通信系统、双RTU或两台服务器…因此，当SCADA系统崩溃或离线工作时（可能用于维护、维修、测试等），这些备件将投入使用。