SCADA（监控与数据采集系统）

什么是 SCADA？

SCADA 代表监控与数据采集系统。SCADA 系统通常是由软件和硬件组件集合而成，用于对工业工厂进行监控和控制。大多数 SCADA 解决方案尝试实现四个关键作用：

1. 控制工业流程（本地和远程）
2. 从工业设备（PLC、传感器）收集和监控实时工厂数据
3. 为工厂工人提供界面，以便通过 HMI（人机界面）软件直接与传感器、泵和电机交互
4. 事件日志记录

在 SCADA 系统出现之前，工厂内的工业流程必须通过选择开关、按钮和刻度盘手动监控和操作。

大多数现代 SCADA 系统都采用开放式架构设计，OPC 基金会等联盟被广泛认为是制定 SCADA 解决方案行业标准的权威机构。

SCADA 如何工作？

SCADA 系统通常由 RTU（远程终端单元）和 PLC（可编程逻辑控制器）组成。RTU 和 PLC 是与现场设备（传感器、HMI、阀门、电机）通信的微处理器。来自这些单元的通信数据被路由到 SCADA 平台。

SCADA 系统提供一个站点地图，用于显示路由的数据。这可以是现场设备的当前状态（开、关、关闭、打开），以及实时传感器读数，例如（温度、速度、振动）。此外，SCADA 平台可以将命令发送回 PLC 和 RTU，以控制现场设备的状态（阀门开或关）。

值得注意的是，SCADA 系统能够使用条件逻辑自动响应常发生的事件，为系统自动化提供了基础。在大多数情况下，设施会选择系统自动化和直接控制的混合部署版本。

SCADA 用例/行业示例

如上所述，SCADA 系统促进了两个关键作用：实时采集现场设备数据和控制物理状态的能力。SCADA 系统在各行各业中都用于相同的目的。以下是一些部署 SCADA 系统的常见场景：

1. 石油和天然气设施
2. 制造业
3. 水资源管理
4. 能源生产

Realpars 开发了一个很棒的示例视频，展示了如何将 SCADA 系统部署到水处理厂

传统 SCADA 与现代 SCADA

人们普遍认为 SCADA 架构有 3 代（有些人将第 3 代分为第 3 代和第 4 代）

第一代（单片系统）

基于大型机系统，几乎没有网络功能。第一代主要使用专有供应商协议与远程终端单元 (RTU) 通信。

第二代（分布式 SCADA）

引入局域网 (LAN) 技术和 SCADA 系统精简化。为 SCADA 解决方案引入了通用系统组件（HMI、RTU 和数据库）。专有协议仍然是一个限制因素。

第三代（网络化 SCADA）

当前一代 SCADA 系统引入了开放式系统架构，为第三方集成和广域网 (WAN) 通信提供功能。

SCADA 系统特性

SCADA 系统架构通常包括 5 个主要元素

监控计算机

监控计算机是 SCADA 系统的核心组件。它指的是负责收集和控制现场设备（如 RTU 和 PLC）的计算机。监控计算机通常由工厂 HMI 和用于存储从现场设备收集的时序数据的历史库组成。

根据操作规模的大小，监控计算机的部署可能会有所不同。在较小的用例中，部署可以像一个主工作站一样简单。该工作站将包括历史库和 HMI 面板。在大多数现代大型部署中，很可能有一个服务器和客户端工作站集群处理数据收集、存储和远程控制。监控计算机现在也部署在云架构中，以支持设施的全球可见性和控制。

远程终端单元 (RTU)

RTU 本质上是一种微处理器控制的电气设备，可与传感器和执行器接口。PLC 和 RTU 之间有很多重叠之处，但主要区别特征之一是它们的部署位置。RTU 通常安装在设施的偏远地区，并部署无线接口用于数据和采集。在大多数情况下，RTU 由监控计算机直接控制。还值得注意的是，RTU 主要用于数据采集，而不是驱动，因为存在信号故障的风险，除非与 PLC 配对使用。

可编程逻辑控制器 (PLC)

PLC 是工业计算机，也可监控传感器和控制执行器。本质上，工程师部署一系列规则和逻辑来控制工业计算机的 I/O。PLC 和 RTU 之间的主要区别在于，在大多数情况下，PLC 可以独立于 SCADA 系统工作。PLC 还可以部署自己的本地存储。现代 PLC 现在可以直接向 SCADA 系统提供基于 IP 的通信，但通常此通信由 RTU 处理。

通信基础设施

监控计算机和现场设备之间的通信骨干。大多数设施都部署无线和有线通信基础设施。根据 SCADA 系统和现场设备的不同，通信协议可能会有所不同。SCADA 和现场设备的标准化通信协议是 OPC UA。

人机界面 (HMI)

HMI 是监控系统的操作员窗口。大多数 HMI 将模拟由监控计算机监控和控制的流程或设施示意图。每个传感器/执行器都将在界面中表示，并实时查看从每个传感器/执行器收集的数据。这可以是状态、传感器读数或警报。HMI 还将为数据历史库提供一个界面，以便工厂工程师可以查看为每个现场设备存储的历史数据。

SCADA 的优势

在大多数大型设施中，SCADA 系统被认为是运营的关键组成部分。这是由于以下优势：

• 对问题快速响应 - SCADA 系统近乎实时地从所有现场设备收集数据。这使现场工程师能够快速识别并对异常传感器读数（如低压、高温）做出反应。HMI 地图对于这一成功至关重要，使工程师能够快速确定根本原因。
• 主动维护 - 此外，SCADA 系统为主动维护奠定了基础。工程师可以开始识别其现场设备中的趋势。这些趋势可能预示着某些机械组件的寿命终止 (EOL)。这使工程师能够订购新零件并安排维护，而不是意外停机。
• 自动化 - 最后，SCADA 解决方案提供了自动化设施运营中流程的能力。这大大降低了工作时间之外的风险，并减少了管理设施日常运营所需的人员。

SCADA 的缺点

尽管 SCADA 系统开发在其第三代中已大大改进，但仍有一些领域需要进一步开发和改进

• 复杂性 - SCADA 系统（尤其是在大规模部署时）是复杂的硬件和软件网络。需要熟练的操作员和程序员来维护 SCADA 系统。在许多情况下，SCADA 团队的关键成员可能会离开设施，留下知识空白。
• 遗留历史库 - 当今 SCADA 系统的主要问题之一是使用过时的自定义历史库数据库。在大多数情况下，遗留历史库将源自像 Microsoft SQL Server 这样的 SQL 数据库，并经过高度调整以摄取原始传感器数据。随着 SCADA 系统的增长（更多数据，对数据的分析需求更大），这些历史库无法与 SCADA 系统的其余部分一起扩展。
• 遗留用户界面 - 与历史库一样，SCADA 系统的 HMI 界面在几代人中也没有得到很大改进。尽管当前的 可视化效果很强大，但它确实限制了传感器数据的创新视图，例如热图。现场设备的 历史数据与实时读数之间也缺乏统一性，许多解决方案为每个数据都配备了完全不同的 HMI。