SCADA系统架构类型和应用

Posted 2022-11-27

智能仪表和远程终端单元(RTU)/可编程逻辑控制器(PLC)的进步使得许多行业的过程控制都可以利用SCADA系统的优势轻松管理和操作。SCADA在多种应用中很受欢迎，如加工工业、石油和天然气、发电、配电和公用事业，水和废物控制、农业/灌溉、制造、运输系统等。让我们从本文中简要了解SCADA系统的工作原理。

SCADA的定义

SCADA 代表 监督控制和数据采集；它是一种基于工业计算机的控制系统，用于收集和分析实时数据，以跟踪监视和控制不同类型行业的工业设备。

SCADA基础知识

在讨论SCADA的架构和不同类型的SCADA系统之前，首先必须了解一些SCADA基础知识。如图中所示，SCADA系统由不同的模块组成，包括人机界面(HMI)、监控系统、远程终端单元、PLC、通信基础设施和SCADA编程。

1. 人机界面

它是一种输入输出设备，用于呈现由人工操作员控制的过程数据。它通过链接到SCADA系统的软件程序和数据库来提供管理信息，包括特定传感器或机器的定期维护程序，详细原理图，物流信息，趋势和诊断数据。HMI系统便于操作人员以图形方式查看信息。

2. 监督系统

监控系统用作服务器，用于在SCADA系统的设备(如RTU，PLC和传感器等)与控制室工作站中使用的HMI软件之间进行通信。主站或监控站包括较小SCADA系统中的单个PC，对于较大的SCADA系统，监控系统包括分布式软件应用程序，灾难恢复站点和多台服务器。这些多服务器以热备用或双冗余形式配置，在服务器发生故障时持续控制和监视，以提高系统的完整性。

3. 远程终端单元

SCADA系统中的物理对象与称为远程终端单元(RTU)的微处理器控制的电子设备连接。这些单元用于将遥测数据传输到监控系统，并从主系统接收消息以控制连接的对象。因此，这些也称为远程遥测单元。

4. 可编程逻辑控制器

在SCADA系统中，PLC连接到传感器以收集传感器输出信号，以便将传感器信号转换为数字数据。使用 PLC 代替 RTU，因为与 RTU 相比，PLC 具有灵活性、配置、多功能性和经济性等优势。

5. 通信基础设施

通常，SCADA系统使用无线电和直接有线连接的组合，但在发电站和铁路等大型系统的情况下，经常使用SONET/SDH。在SCADA系统中使用的非常紧凑的SCADA协议中，一些标准化的通信协议被SCADA供应商认可 - 仅在监控站轮询RTU时发送信息。

6. SCADA编程

主站或HMI中的SCADA编程用于创建地图和图表，这些地图和图表将在事件故障或过程故障时提供重要的情境信息。标准接口用于对大多数商用SCADA系统进行编程。SCADA编程可以使用派生的编程语言或C语言来完成。

SCADA的架构

通常，SCADA系统包括以下组件：本地处理器、操作设备、PLC、仪器、远程终端单元、智能电子设备、主终端单元或主机以及具有人机界面的PC。

上图描述了一个集成的SCADA架构，它支持TCP / IP，UDP和其他基于IP的通信协议以及工业协议。

SCADA的类型****

SCADA系统可以被认为是四代不同的SCADA架构：

第一代：单片或早期SCADA系统；

第二代：分布式SCADA系统；

第三代：联网的SCADA系统；

第四代：物联网SCADA系统

1. 单片或早期SCADA系统

小型计算机较早用于计算SCADA系统。在早期，在第一代时代，开发了单片SCADA系统，其中公共网络服务不可用。因此，这些是独立的系统，与其他系统没有任何连接。

所有远程终端单元站点都将连接到备用大型机系统，以实现第一代SCADA系统冗余，该冗余用于主主机系统发生故障的情况。第一代单片SCADA系统的功能仅限于监控系统中的传感器，并在超过编程报警水平的情况下标记任何操作。

2. 分布式SCADA系统

在第二代中，控制功能的共享分布在通过局域网(LAN)相互连接的多个系统中。因此，这些被称为分布式SCADA系统。这些单独的工作站用于共享实时信息和命令处理，以执行控制任务，以跳闸可能问题的警报级别。

与第一代系统相比，该站的成本和尺寸有所降低，因为第二代的每个系统都负责以减小的尺寸和成本执行特定任务。但即使在第二代系统中，网络协议也没有标准化。SCADA安装的安全性是由开发人员以外的极少数人决定的，因为协议是专有的。但通常忽略了SCADA安装的安全性。

3. 联网的SCADA系统

当前的SCADA系统通常是联网的，并通过数据线或电话使用广域网(WAN)系统进行通信。这些系统使用以太网或光纤连接在节点之间频繁传输数据。这些第三代SCADA系统使用可编程逻辑控制器(PLC)来监控和调整常规标记操作员，仅在重大决策要求的情况下。

第一代和第二代SCADA系统仅限于称为密封系统的单站点网络或单个建筑物。在这些系统中，与连接到互联网的第三代SCADA系统相比，我们没有任何风险，导致安全风险。在网络架构中，在单个监控器下将有多个并行工作的分布式SCADA系统。

4. 物联网SCADA系统

在第四代中，通过采用物联网技术和商用云计算，降低了SCADA系统的基础设施成本。与早期的SCADA系统相比，第四代系统的维护和集成也非常容易。

这些SCADA系统能够使用云计算设施的水平刻度实时报告状态;因此，可以实现更复杂的控制算法，这些算法实际上足以在传统PLC上实现。

分散式SCADA实施(例如专有网络协议的异源混合)的安全风险可以使用开放网络协议(例如物联网中固有的TLS)来克服，这将提供可理解和可管理的安全边界。

SCADA的应用

SCADA系统用于监控各种行业的流量、电流、电压、压力、温度、水位等各种数据。如果系统从任何监控数据中检测到任何异常情况，则会触发中心或远程站点的警报，以通过HMI向操作员发出警报。

SCADA系统有许多应用，但一些最常用的SCADA应用包括：

· 制造业

· 废水处理

· 电力系统

制造业示例

在制造业中，使用SCADA应用程序可以处理常规流程，例如运行生产系统以满足生产率目标，检查生产的单位数量并计算已完成的操作阶段以及制造过程各个阶段的温度等。

废水处理示例

废水处理厂有不同的类型，例如地表水处理和井水处理系统，其中许多控制系统和自动化过程都涉及水处理和分配系统。SCADA系统用于根据工作时间或通过过滤器的水流量来控制所用设备的自动操作，例如反冲洗过滤器。

电力系统示例

电力系统可以定义为发电、输电和配电的组成部分。所有这些部门都需要定期监测，以提高系统效率。因此，SCADA在电力系统中的应用通过对发电、输电和配电系统进行监督和控制，提高了系统的整体效率。电力系统网络中的SCADA提高了系统对综合电网运行的可靠性和稳定性。

SCADA开发软件

​​Sovit2D​​ 是一款功能强大的基于Web的可视化2D组态编辑器，采用标准html5技术，基于B/S架构进行开发，支持WEB端呈现，支持在浏览器端完成便捷的人机交互，简单的拖拽即可完成可视化页面的设计。可快速构建和部署可扩展的SCADA、HMI、仪表板或IIoT系统。使用Sovit2D组态编辑器，可以创建现代化、可视化、形象化的流程，来反映机器设备和实时数据的状态，为自动化工业工厂的控制仪表进行个性化设计。

结论

SCADA软件是当今标准制造实践中不可或缺的工具。选择合适的SCADA将确保管理者对生产车间、设施和公用事业供应进行最佳控制，更不用说保护正在生产的昂贵工厂设备和产品了。