SCADA系统简介

一、SCADA系统介绍

1.1、SCADA系统简介

    SCADA（(Supervisory Control And Data Acquisition)即：监控和数据采集）是一种自动化控制系统，SCADA系统的应用领域很广：用于能源，石油和天然气，水，电力等行业。SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。

    它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。

1.2、SCADA系统的五个基本组成部分

· ①人机界面（HMI）

· ②监控系统

· ③远程终端单元（RTU）

· ④可编程逻辑控制器（PLC）

· ⑤通信基础设施

HMI处理来自每个标签的数据并将其发送给操作员，然后他或她可以监控或控制系统；

监控系统收集从每个标签发送的数据，并向该过程发送命令或操作；

RTU远程终端单元 ( Remote Terminal Unit，RTU) 连接传感器并将其信号转换为数字数据并将其发送到监控系统，在监控系统中，它可以存储在分布式数据库中。

PLC用作现场设备，因为它们比特定于过程的RTU更加通用和经济。

最后，通信基础设施提供与监控系统的连接，然后连接到RTU和PLC以供用户命令。通信基础设施是从远程RTU / PLC中继数据所必需的，远程RTU / PLC沿着电网，供水和管道运行。通信是SCADA系统正常运行的绝对最重要的环节; 但是，系统如何管理从HMI到RTU和PLC的通信从根本上决定了SCADA系统的成功程度。

下面是一个基本SCADA系统对于给定基础设施可能是什么样子的图。

1.3、SCADA系统的特点（优化性能）

    虽然许多电力，电力和水务公司仍然使用手工劳动来执行测量和调整，但这些任务可以通过SCADA系统轻松实现自动化。利用框架中的自动化，可以降低劳动力成本，并通过测量或调整最大限度地减少错误。SCADA系统似乎只是在分布式数据库中处理和存储数据，但系统本身的复杂性要高得多。该系统提供了许多优于手工劳动的好处，例如冗余调整，时间戳数据的稳定备份以及安全警报系统。SCADA不使用人工来检查整个工厂，网格或管道中的错误，而是使用可检测系统中的问题的脚本，并快速调整系统以免造成中断。如果发生中断，SCADA系统' 分布式数据库将帮助工作人员立即识别故障位置。此外，自动化系统显着增加了停电带来的电力恢复时间; 从控制室，按下按钮，工作人员可以启用开关并帮助将电源重新布线到未受影响的部分。

SCADA系统现在拥有云计算的可用功能; 这些系统可以报告接近实时的准确性，并使用云环境来实现更复杂的算法。否则，这些算法将无法在传统PLC或RTU上实现。即使不在工厂，工作人员也可以访问网络，存储，服务器和设备控制等计算资源。

云计算可以通过两种方式支持：

①SCADA系统在现场运行，直接连接到通信基础设施，并向云提供信息

②SCADAsystem完全在云网络中运行并远程连接到通信基础设施。

实际上，访问现场位置的控制可能是，通过SCADA应用程序的云计算仍然非常容易受到网络攻击。如果系统受到攻击，黑客可以访问可能暴露公司的组织数据和资源，并无意中将客户推送到另一个服务提供商。

1.4、SCADA系统安全情况

   虽然它们曾经是工程师，操作员和系统技术人员手中的孤立实体，但SCADA系统并不总是优先考虑与公共网络的安全连接，使许多SCADA平台受到攻击。

    如今，安全SCADA平台运行和运营所需的标准众多。如果没有正确实施这些程序和标准中的任何一个，SCADA平台可以保持开放以进行攻击或病毒。然而，即使使用所有这些程序和实践，在一些现有SCADA网络的设计和操作中也存在严重的认证缺失。虽然这些系统控制电网，天然气和石油管道以及配水。

二、SCADA系统构成

 

2.1、SCADA系统的意义

    SCADA系统是Supervisory Control And Data Acquisition System的缩写，是对分布距离远，生产单位分散的生产系统的一种数据采集、监视和控制系统。

了解生产情况是实施科学生产的基础：

①如果生产过程分布很近，可以采用就近控制的办法，就地接线，就地监视，就地控制。

②对于复杂的过程：生产采用DCS系统控制的比较多，也有采用PLC的或者专业控制器。

③对于生产各个环节分布距离非常远的，比如几公里，几十公里，几百公里甚至几千公里的，如变电站，天然气管线，油田，自来水管网，随着技术的发展，人们慢慢发展出远程采集监视控制系统，称为SCADA系统。

2.2、SCADA系统与其他系统的区别

①分布区域广泛

②主站与控制对象距离远

③监控终端的工作条件苛刻

④通讯系统复杂多变

⑤通讯系统不保证可靠传输

2.3、SCADA系统的构成

SCADA系统主要包括三部分组成，主站端，通讯系统和远程终端单元。

    主站一般采用先进的计算机，有着良好的图形支持，现在采用PC计算机和WINDOWS系统居多，在历史上，曾经有很多系统采用UNIX系统和XWINDOWS图形界面。一个主站可能的分站数量从几十到几百、几千个不等。

    通讯系统就非常复杂了，有线的包括音频电缆、载波电缆、光纤、电力载波等，无线的包括电台、卫星、微波等。

    远程终端单元(RTUorTeleControl)的品种也很多，大的系统由很多机柜组成，小的系统可能就是一个小盒子。

2.3.1、SCADA的主站系统

    SCADA系统的主站过去由很多著名的系统是基于UNIX操作系统家族和XWINDOW图形界面的。随着计算机系统的发展，特别是PC机的发展，PC机和PC机上运行的操作系统在扮演着越来越重要的角色。

庞大的主站系统一般包括如下内容：

通讯前置系统，主要负责解析各种不同的规约，完成通讯接口数据处理，包括数据转发。包括前置计算机，串口池或者MODEM池，机架，防雷措施和网络接口。

实时数据库系统，主要包括运行实时数据库的服务器。

工程师工作站，负责系统的组态、画面制作和系统的各种维护。

生产调度工作站，是监控系统的主要用户，显示画面，画面浏览，实现各种报警等。

各种监控工作站，主要用于特别庞大的系统，几个人已经无法监控的情况，这时会根据需要，设立各种的监控工作站，每个工作站有人员工作。

历史数据库服务器，是SCADA系统保存历史数据的服务器。

WEB服务器，是现在SCADA主站系统的一个流行趋势，只要用户装有浏览器软件，得到相应的授权，就可以访问相应的他关心的数据。

上层应用工作站，主要用于实时数据和历史数据的挖掘工作。在电力系统比如潮流分析，负荷预测，事故追忆，电网稳定性分析，能量管理等等。在自来水行业包括管网压力损耗分析，管网经济性分析，管网漏失分析等。在采油工程上，包括示功图显示，示功图分析，泵况分析，功图计产等等。

作为SCADA主站系统，大的系统可能有几十个上百个工作站，多个服务器。为了保证系统的可靠性，采用双前置系统，多服务器系统，两个网络。但是对于简单的SCADA主站系统可能就只有一台计算机，运行一套软件。

各种不同应用的SCADA系统，可以说大部分是相同的或者类似的。但是各个行业有各个行业的特点，每个行业所关心的东西不一样。比如电力行业非常关心每个线路电压电流功率，而对于自来水行业就不是特别关心这些数据，而关心管道的压力流量等。这样就形成了不同行业的系统。也有通用的人机界面使用，但是这种界面一般无法满足各个行业的特殊需要。

2.3.2、SCADA的通讯系统

    SCADA通讯系统是最丰富多彩的，有很多通讯方式是很多人都没有听说过的。一般分类大体可以分为两类，有线和无线，但是随着通讯技术的发展，基于各种网络的通讯方式也发展很快，这种通讯方式很难归结到有线或者无线的范畴，所以也单独作为一类。

有线方式比较多：音频电缆，架空明线，载波电缆，同轴电缆，光纤，电力载波等。在有线上传输大体分为基带传输和调制传输，基带传输是在介质上传输的是数字信号，可能也要经过信号变化。调制解调传输要经过模拟数字变换的传输。很多介质既可以作为基带传输也可以作为调制传输。

无线方式主要包括：电台、微波、卫星、光纤等手段。

网络方式是通讯系统架构在一个计算机网络之上，这种通讯方式可能是有线的也可能是无线的，甚至多次跨越无线和有线。其性能也明显区分于有线和无线系统。比如不用考虑误码，不用考虑报文的大小，不考虑系统的拓扑结构，但是网络的时延可能比较大。通过GPRS网络或者CDMA传输SCADA系统数据就是典型的例子。

2.3.3、SCADA的远方终端单元

    SCADA系统远程终端单元有一个专门的词汇RTU。现在术语中称为TeleControl。

    RTU一般包括通讯处理单元、开关量采集单元、脉冲量采集单元、模拟量采集单元、模拟量输出单元，开关量输出单元和脉冲量输出单元等构成。还有一些其他的接口方式，比如电力变压器的分接头，气象的格雷码接口，水文的BCD码接口等等。

远方的通讯一般和RTU安装在一起，这样便于接线。

现在的RTU出来完成本身的数据采集工作和协议处理之外，还要完成和各种IED设备的接口和协议转换工作。而且RTU的通讯处理单元的能力越来越强大，而相应的采集工作却在逐渐的弱化，由各种IED设备代替了。

由于随着HMI软件的功能的完善以及功能的强大，HMI软件与SCADA之间渐行渐近，他们之间的界线已经不存在了，存在的只是用户的选择，技术上已经没有障碍，系统中如何来进行选择，使得制造过程最优化，是集成商和用户最终要考虑的问题。