一文读懂SCADA系统的组件功能及应用

什么是SCADA

SCADA是一个功能强大的控制系统，旨在收集，分析和可视化来自工业设备的数据。

SCADA系统自动提取、监控、处理、分发、记录和显示从远程现场设备(如传感器、工厂机器、电机、泵、阀门)和工业企业、制造设施、核电站和炼油厂等资产密集型环境中的其他终端设备收集的数据。

SCADA系统开发涉及例程和应用程序的编程，以根据通过监督控制中心收集和处理的指标自动响应事件，该中心包括通信网络，用户界面，设备控制器，客户端和服务器计算机以及存储设施。

SCADA系统不是全控制系统，执行有限的监督控制功能。它们监控和收集压力、温度、流速、pH 值、循环时间和体积等指标。指标用于衡量工业流程的性能和效率、数据和产品的质量以及是否符合制造标准和法规。自动SCADA命令控制响应输入数据，以调节和控制现场设备的状态和行为，例如调节数据中心的温度。

中央枢纽的机器操作员和IT管理员使用SCADA系统，通过人机界面(HMI)查看有关远程设备(例如泄漏管道)的行为和状态的信息，并手动远程控制设备。

SCADA的组件

现场设备

SCADA系统中的现场设备，也称为现场仪表硬件，包括传感器、采样器、执行器、继电器、控制单元、变送器和传输器。传感器是检测或测量物理特性的现场设备，例如机器是打开还是关闭，或油箱中的燃油液位。执行器是控制组件的现场设备，例如关闭阀门。它们通过 RTU、IED 和 PLC 进行管理。

RTU

RTU、IED 和 PLC 是基于微处理器的物理现场设备控制器。SCADA系统中的现场设备控制器实时监控和收集来自现场设备的数据，将信息从设备位置传输到称为MTU的监控控制器，并对其进行编译，以便在由人工操作员操作的集中控制中心向系统操作员提供最佳呈现。它们通常安装在面板上，并通过I/O模块与现场设备连接，并使用串行或网络通信与中央控制集线器连接。

RTU 是一种基于微处理器的电子设备。它由 I/O 硬件和通信接口组成，并支持无线连接。RTU 负责将从现场设备收集的数据传输到控制中枢，并从控制中心向现场设备发出命令。

PLC是一种物理上坚固的微控制器，可以承受工业环境中可能发现的恶劣物理条件。微控制器是用于控制电子设备特定功能的集成电路(IC)。微处理器具有中央处理器 (CPU)，而微控制器在一个芯片上具有 CPU、内存和 I/O 功能。PLC 提供 SCADA 系统根据 SCADA 系统程序和功能中的编码指令自动化过程或响应警报所需的信息。PLC取代了早期SCADA系统的继电器和定时器。与继电器不同，PLC能够监视和控制电路，并且可以编程。传统的SCADA系统几乎总是有PLC。有一些专有的I/O模块可以在没有PLC的情况下进行简单的监控和自动化。 可以通过无线电波进行通信的PLC可以用作RTU的替代品。

在SCADA系统中，IED是一种基于微处理器的设备，用于从现场设备发送和接收数据。它们有时被描述为对传统RTU的升级，主要区别在于IED与其监视和控制的设备集成在一起，并具有内置的计量，数据传输和计算功能。IED的例子包括继电保护装置、断路器控制器和电压调节器。IED有时被比作PLC。PLC和IED之间的主要区别在于PLC通常用于集中(本地)自动化任务，而IED通常用于变电站(远程)自动化任务。

RTU、IED 和 PLC 的功能重叠，区分它们可能会令人困惑，但它们有不同的用途。RTU被认为比PLC更适合远程地理遥测，因为它们支持无线通信，而PLC更适合本地控制任务，例如在工厂和仓库中。在某些情况下，IED可以直接与控制器通信，或者可以设置系统，以便RTU轮询IED以获取数据并将其传递给控制器。

MTU

MTU 也称为控制服务器、主控制器或监督控制器。MTU 托管的软件提供有关必须如何处理从 RTU 和 PLC 收集的数据的说明。

SCADA网络通信协议

SCADA系统依赖于系统元件和中央SCADA控制中枢之间的复杂通信网络。通信选项包括以太网、电话线和光纤线等硬连线选项，以及 Wi-Fi、无线电、微波和蜂窝等无线选项。

SCADA系统中使用的一些最流行的协议是标准Modbus，以太网/ IP，Profibus，Conitel，RP-570.IEC 60870-5(T101基于此)和分布式网络协议(DNP3)。

Modbus RTU是工业电子设备之间串行通信的事实标准协议。

IEC 60870-5是由国际电工委员会(IEC)制定的一套规范，旨在为SCADA数据传输提供开放标准，并广泛用于电气应用。

T101.也称为IEC 60870-5-101.是主要用于电力系统的通信和控制的国际标准。

DNP3 广泛用于过程自动化应用，如水和能源行业。

人机界面

人们通过HMI查看，调节和报告数据，HMI在SCADA系统中充当中央处理中心和图形用户界面(GUI)。

HMI和GUI之间的区别在于，虽然GUI的主要功能是提供用户友好的界面，允许人们有效地浏览应用程序，但HMI的主要功能是允许操作员使用各种界面执行控制任务，而不仅仅是视觉界面。HMI 不依赖于赏心悦目的界面，可以包括一个带有旋钮、按钮和杠杆的基本控制台来执行控制任务。

HMI 不收集数据，而是报告由 RTU、PLC 和 IED 收集的数据。虽然SCADA系统理论上可以在没有HMI的情况下运行，但在大多数情况下，这是毫无意义的，因为操作员无法看到数据或接收报告。HMI旨在自动监控过程和设备，通知操作员日常维护要求，在系统或设备发生故障时发送警报，并在必要时触发对设备的修改，例如关闭机器。

HMI为组织的管理层提供趋势，趋势是历史和实时数据的图形说明。

存储设备

SCADA系统中的数据可以存储在本地或云数据库中。SCADA中的数据库有时被称为数据历史学家。数据历史记录经过优化，可有效地收集、存储和处理用于显示 SCADA 系统中趋势的时间序列数据。

SCADA的功能

监控

SCADA系统旨在监督和监控监督级别的特定流程和行为。监控系统的主要作用是将操作员与从现场设备获取的数字数据联系起来。SCADA系统是事件驱动的，并非旨在主动执行高级过程控制功能。它们通过自动或手动远程关闭设备来响应实时事件，例如提醒设备过热。

监控系统可以由小型SCADA系统中的单台计算机组成，也可以由运行分布式软件应用程序并链接到大型SCADA网络中的多个灾难恢复站点的多台计算机组成。

SCADA系统中的监控是通过监控控制器实现的，该控制器连接输入和输出元件，并与位于中央集线器并由人操作的人机界面集成。虽然监督控制中心负责大部分数据的采集、处理和传输，但这些信息始终被引导到中央控制中心，以便人员进行分析、报告和性能监控。

工业控制

SCADA系统属于ICS的总称。ICS 的一些示例包括可编程自动化控制器 (PAC)、HMI、PLC、分布式控制系统 (DCS)、IED 和 RTU。

ICS 按其功能、应用和复杂性进行分类。例如，RTU将不同类型的硬件连接到其他控制系统，如SCADA系统或DCS，而HMI控制人机(H2M)通信。PLC 设计用于监视和控制传感器和执行器等现场设备。

SCADA ICS的主要功能是促进基于采集数据的不同远程硬件设备和人类操作员之间的通信。

遥测

遥测涉及测量和传输数据以及远程设备的状态到可以对其进行分析的中心位置。SCADA系统使用遥测技术来获取、分析、存储和报告现场设备的状态和测量数据。

数据采集

在SCADA系统中，数据采集是指从远程传感器(输入)收集数据并通过现场控制器将其传输到中央控制中心的过程。传感器的类型包括运动、温度、压力和振动传感器。收集的数据经过处理和分析，可用于远程控制执行器(输出)。执行器的示例包括伺服电机、步进电机、气缸、LED、喷油器和螺线管。数据采集系统还用于预测未来事件，例如通过监测天气模式来预测洪水等潜在的自然灾害。

过程控制与过程自动化

SCADA系统是一种过程控制系统(PCS)(有时称为ICS)和一种过程自动化系统(PAS)。过程自动化和过程控制是相互关联的。

过程自动化是指使用各种技术来自动化特定流程，这些流程可能包括大量重复、复杂或危险的高层次任务。

过程控制可能有两种不同的含义，具体取决于方案。在第一种情况下，可用于指控制和监测简单的事件或设备，例如瓶中的液位。从这个意义上说，PCS可以指像液位传感器这样的物理设备。在第二种情况下，可以指复杂自动化系统在高层次上的监视和控制。在这种情况下，PCS可以指使操作员能够监控众多自动化过程并响应警报和通知的软件和界面，例如装瓶机过热。从这个意义上说，过程控制将一个或多个自动化过程的所有元素联系在一起。

报警

报警是SCADA系统的一个关键功能。警报是通知操作员有关事件的通知，范围从日常维护提醒到紧急警报。一些常见的紧急SCADA警报触发器是设备故障，系统停机时间和所需设备指标的偏差。SCADA 警报可能会提供有关性能不佳和不合规的通知。

警报可能会触发自动响应，例如通知操作员车站停电，同时自动激活UPS和备用电源。

SCADA的好处

• 访问实时数据使企业和个人能够快速做出数据驱动的决策
  
• 可以通过产生一致的输出和自动化质量控制检查来提高产品和服务质量
• 通过在危险的工作环境中用机器代替人来提高安全标准
• 提供众多指标，助力行业加速转型
• 自动执行任务复杂、重复或容易出现人为错误的流程，如交通系统
• 允许实施监控流程以保护环境并优化能源使用
• 允许在本地或云中存储大量数据，并轻松添加其他资源以实现高可扩展性
• 单元冗余可在发生系统错误或故障时强化流程
• 现代 IT 标准和协议提高了基于云的 SCADA 系统的安全性、效率和可靠性

SCADA的应用

SCADA系统可以针对任何工业应用进行配置，从为连锁超市提供制冷服务的小型系统到监控国家电网的复杂装置。工业企业被定义为商业或服务企业以外的企业，但SCADA系统通常用于任何需要大量处理，需要定期干预或任务控制系统中可能需要立即远程修复的重资产系统。

SCADA通常用于食品饮料、建筑设施管理、工业自动化、石油天然气、化工、运输、农业、废物控制、航空航天、国防、木材生产、建筑、水泥和金属制造以及水净化等行业。

SCADA应用的例子包括：在关键任务系统中为扩展的地理区域提供电力，控制工厂自动化设备的行为，远程监控石油和天然气行业的海上资产，监测采矿业的环境影响，调节地铁等公共交通的电源，控制零售部门的照明和温度， 以及调节大坝的水位。

SCADA系统用于强制遵守法规且没有人为错误的行业，例如健康和制药行业。它们用于自动化对业务有益的环境，例如在装配线或空间站上制造产品。

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