SCADA系統

SCADA系統是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統。它可以對現場的運行設備進行監視和控制。

由於各個應用領域對SCADA的要求不同，所以不同應用領域的SCADA系統發展也不完全相同 ^[1]  。

SCADA系統在電力系統中的應用最為廣泛，技術發展也最為成熟。它作為能量管理系統（EMS系統）的一個最主要的子系統，有着信息完整、提高效率、正確掌握系統運行狀態、加快決策、能幫助快速診斷出系統故障狀態等優勢，現已經成為電力調度不可缺少的工具。它對提高電網運行的可靠性、安全性與經濟效益，減輕調度員，實現電力調度自動化與現代化，提高調度的效率和水平方面有着不可替代的作用。

SCADA在鐵道電氣化遠動系統上的應用較早，在保證電氣化鐵路的安全可靠供電，提高鐵路運輸的調度管理水平起到了很大的作用。在鐵道電氣化SCADA系統的發展過程中，隨着計算機的發展，不同時期有不同的產品，同時我國也從國外引進了大量的SCADA產品與設備，這些都帶動了鐵道電氣化遠動系統向更高的目標發展。

SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統，全名為數據採集與監視控制系統。SCADA系統自誕生之日起就與計算機技術的發展緊密相關。SCADA系統發展已經經歷了三代。

第一代是基於專用計算機和專用操作系統的SCADA系統，如電力自動化研究院為華北電網開發的SD176系統以及在日本日立公司為我國鐵道電氣化遠動系統所設計的H-80M系統。這一階段是從計算機運用到SCADA系統時開始到70年代。

第二代是80年代基於通用計算機的SCADA系統，在第二代中，廣泛採用VAX等其它計算機以及其它通用工作站，操作系統一般是通用的UNIX操作系統。在這一階段，SCADA系統在電網調度自動化中與經濟運行分析，自動發電控制（AGC）以及網絡分析結合到一起構成了EMS系統（能量管理系統）。第一代與第二代SCADA系統的共同特點是基於集中式計算機系統，並且系統不具有開放性，因而系統維護，升級以及與其它聯網構成很大困難。

90年代按照開放的原則，基於分佈式計算機網絡以及關係數據庫技術的能夠實現大範圍聯網的EMS/SCADA系統稱為第三代。這一階段是我國SCADA/EMS系統發展最快的階段，各種最新的計算機技術都彙集進SCADA/EMS系統中。這一階段也是我國對電力系統自動化以及電網建設投資最大的時期，國家計劃未來三年內投資2700億元改造城鄉電網可見國家對電力系統自動化以及電網建設的重視程度。

第四代SCADA/EMS系統的基礎條件已經誕生。該系統的主要特徵是採用Internet技術、面向對象技術、神經網絡技術以及JAVA技術等技術，繼續擴大SCADA/EMS系統與其它系統的集成，綜合安全經濟運行以及商業化運營的需要。 SCADA系統在電氣化鐵道遠動系統的應用技術上已經取得突破性進展，應用上也有迅猛的發展。由於電氣化鐵道與電力系統有着不同的特點，在SCADA系統的發展上與電力系統的道路並不完全一樣。在電氣化鐵道遠動系統上已經成熟的產品有由我所自行研製開發的HY200微機遠動系統以及由西南交通大學開發的DWY微機遠動系統等。這些系統性能可靠、功能強大，在保證電氣化鐵道供電安全，提高供電質量上起到了重要的作用，對SCADA系統在鐵道電氣化上的應用功不可沒。

2022年12月，中國首套基於中國電子旗下飛騰芯片、麒麟操作系統開發的掘進設備SCADA系統在深圳地鐵13號線正式投運。 ^[4] 

SCADA系統在不斷完善，不斷髮展，其技術進步一刻也沒有停止過。當今，隨着電力系統以及鐵道電氣化系統對SCADA系統需求的提高以及計算機技術的發展，為SCADA系統提出新的要求，概括地説，有以下幾點：

1、SCADA/EMS系統與其它系統的廣泛集成

SCADA系統是電力系統自動化的實時數據源，為EMS系統提供大量的實時數據。同時在模擬培訓系統，MIS系統等系統中都需要用到電網實時數據，而沒有這個電網實時數據信息，所有其它系統都成為“無源之水”。所以SCADA系統如何與其它非實時系統的連接成為SCADA研究的重要課題；現有的SCADA系統已經成功地實現與DTS（調度員模擬培訓系統）、企業MIS系統的連接。SCADA系統與電能量計量系統，地理信息系統、水調度自動化系統、調度生產自動化系統以及辦公自動化系統的集成成為SCADA系統的一個發展方向。

2、變電所綜合自動化

以RTU、微機保護裝置為核心，將變電所的控制、信號、測量、計費等迴路納入計算機系統，取代傳統的控制保護屏，能夠降低變電所的佔地面積和設備投資，提高二次系統的可靠性。變電所的綜合自動化已經成為有關方面的研究課題，我國東方電子等公司已經推出相應的產品，但在鐵道電氣化上還處於研究階段。

3、專家系統、模糊決策、神經網絡等新技術研究與應用

通常SCADA系統分為兩個層面，即客户/服務器體系結構。服務器與硬件設備通信，進行數據處理和運算。而客户用於人機交互，如用文字、動畫顯示現場的狀態，並可以對現場的開關、閥門進行操作。還有一種“超遠程客户”，它可以通過Web發佈在Internet上進行監控。硬件設備(如PLC)一般既可以通過點到點方式連接，也可以以總線方式連接到服務器上。點到點連接一般通過串口(RS232)，總線方式可以是RS485，以太網等連接方式。

SCADA由很多任務組成，每個任務完成特定的功能。位於一個或多個機器上的服務器負責數據採集，數據處理（如量程轉換、濾波、報警檢查、計算、事件記錄、歷史存儲、執行用户腳本等）。服務器間可以相互通訊。有些系統將服務器進一步單獨劃分成若干專門服務器，如報警服務器，記錄服務器，歷史服務器，登錄服務器等。各服務器邏輯上作為統一整體，但物理上可能放置在不同的機器上。分類劃分的好處是可以將多個服務器的各種數據統一管理、分工協作，缺點是效率低，局部故障可能影響整個系統 ^[2]  。

SCADA系統中的通信分為內部通信、與I/O設備通信、和外界通信。客户與服務器間以及服務器與服務器間一般有三種通信形式，請求式，訂閲式與廣播式。設備驅動程序與I/O設備通訊一般採用請求式，大多數設備都支持這種通訊方式，當然也有的設備支持主動發送方式。SCADA通過多種方式與外界通信。如OPC，一般都會提供OPC客户端，用來與設備廠家提供的OPC服務器進行通訊。因為OPC有微軟內定的標準，所以OPC客户端無需修改就可以與各家提供的OPC服務器進行通訊。

SCADA系統主要有以下部分組成：監控計算機、遠程終端單元（RTU）、可編程邏輯控制器（PLC）、通信基礎設施、人機界面（HMI）。

使用SCADA概念可以構建大型和小型系統。這些系統的範圍可以從幾十到幾千個控制迴路，具體取決於應用。示例流程包括工業，基礎設施和基於設施的流程，如下所述：

工業過程包括製造，過程控制，發電，製造和精煉，並可以連續，間歇，重複或離散模式運行。

基礎設施過程可以是公共的或私人的，包括水處理和分配，污水收集和處理，油氣管道，電力輸送和配電以及風力發電場。

設施流程，包括建築物，機場，船舶和空間站。他們監視和控制暖氣，通風和空調系統（HVAC），通道和能源消耗。

但是，SCADA系統可能存在安全漏洞，因此應對系統進行評估，以識別風險和解決方案，以減輕這些風險。

這是SCADA系統的核心，收集過程數據並向現場連接的設備發送控制命令。 它是指負責與現場連接控制器通信的計算機和軟件，這些現場連接控制器是RTU和PLC，包括運行在操作員工作站上的HMI軟件。 在較小的SCADA系統中，監控計算機可能由一台PC組成，在這種情況下，HMI是這台計算機的一部分。 在大型SCADA系統中，主站可能包含多台託管在客户端計算機上的HMI，多台服務器用於數據採集，分佈式軟件應用程序以及災難恢復站點。 為了提高系統的完整性，多台服務器通常配置成雙冗餘或熱備用形式，以便在服務器出現故障或故障的情況下提供持續的控制和監視。

遠程終端單元，也稱為（RTU），連接到過程中的傳感器和執行器，並與監控計算機系統聯網。 RTU是“智能I / O”，並且通常具有嵌入式控制功能，例如梯形邏輯，以實現布爾邏輯操作。

也稱為PLC，它們連接到過程中的傳感器和執行器，並以與RTU相同的方式聯網到監控系統。 與RTU相比，PLC具有更復雜的嵌入式控制功能，並且採用一種或多種IEC 61131-3編程語言進行編程。 PLC經常被用來代替RTU作為現場設備，因為它們更經濟，多功能，靈活和可配置。

這將監控計算機系統連接到遠程終端單元（RTU）和PLC，並且可以使用行業標準或製造商專有協議。 RTU和PLC都使用監控系統提供的最後一個命令，在過程的近實時控制下自主運行。 通信網絡的故障並不一定會停止工廠的過程控制，而且在恢復通信時，操作員可以繼續進行監視和控制。 一些關鍵系統將具有雙冗餘數據高速公路，通常通過不同的路線進行連接。

人機界面（HMI）是監控系統的操作員窗口。它以模擬圖的形式向操作人員提供工廠信息，模擬圖是控制工廠的示意圖，以及報警和事件記錄頁面。 HMI連接到SCADA監控計算機，提供實時數據以驅動模擬圖，警報顯示和趨勢圖。在許多安裝中，HMI是操作員的圖形用户界面，收集來自外部設備的所有數據，創建報告，執行報警，發送通知等。

模擬圖由用來表示過程元素的線圖和示意符號組成，或者可以由工藝設備的數字照片覆蓋動畫符號組成。

工廠的監督操作是通過HMI進行的，操作員使用鼠標指針，鍵盤和觸摸屏發出命令。例如，泵的符號可以向操作員顯示泵正在運行，並且流量計符號可以顯示通過管道泵送了多少流體。操作員可以通過鼠標點擊或屏幕觸摸從模擬器切換泵。 HMI將顯示管道中流體的流量實時減少。

SCADA系統的HMI包通常包含一個繪圖程序，操作員或系統維護人員用來改變這些點在接口中的表示方式。這些表示可以像在屏幕上的交通燈一樣簡單，其代表現場中實際交通燈的狀態，或者像代表摩天大樓中所有電梯的位置的多投影儀顯示器一樣複雜。

“歷史記錄”是HMI中的一項軟件服務，它在數據庫中存儲帶時間戳的數據，事件和報警，可以查詢或用於填充HMI中的圖形趨勢。歷史學家是從數據採集服務器請求數據的客户端 ^[3]  。