什么是SCADA系统？
在工业领域，为了保持高效运转、及时解决系统故障以减少停机时间，并利用数据进行更明智的决策，SCADA（监控和数据采集）系统发挥着至关重要的作用。
早期，许多工厂、远程站点以及制造车间依赖人工操作，通过模拟仪表盘和按钮来手动监控和控制电气设备。
随着远程站点和工业规模的不断扩大，需要更有效的远程控制电气设备方案。一些企业开始采用定时器和继电器来实现更高水平的监控和控制。
尽管定时器和继电器在一定程度上解决了问题，但其自动化能力有限，配置也较为复杂。此外，控制面板和故障排除占据了大量的空间，导致更多的问题出现。
为了应对这些挑战，一种名为“SCADA”的技术应运而生。
在SCADA发展过程中，PLC（可编程逻辑控制器）和微处理器的兴起使得企业能够以前所未有的程度监控和控制自动化流程。
本文将深入探讨SCADA系统的概念、应用、特点、组成部分、类型等相关内容。
让我们开始吧！
SCADA 的定义
监控和数据采集 (SCADA) 是一种工业控制应用，它允许企业远程实时收集数据，从而控制设备的状态。SCADA 系统为实时数据驱动决策提供了必要的工具。
自 20 世纪 70 年代以来，SCADA 系统已在许多工业监控过程中发挥了关键作用。
在 90 年代末和 2000 年代初，SCADA 系统通过采用开放系统架构和非特定供应商的通信协议，实现了重大变革。这种变革利用了以太网等通信技术，使得系统能够与其他供应商的设备进行通信，从而突破了旧式 SCADA 系统的限制。
现代 SCADA 系统允许工业现场从世界任何地方访问实时数据。这种访问能力使企业、个人和政府能够做出更明智的决策，从而改进流程。如果没有 SCADA 软件，就无法收集到如此大量的数据。
此外，现代 SCADA 设计软件还具有快速应用程序开发 (RAD) 功能，即使不具备软件开发知识的用户也能轻松设计应用程序。
在 SCADA 软件中引入现代 IT 实践和标准（如基于 Web 的应用程序和 SQL）提高了 SCADA 系统的安全性、可靠性、生产力和效率。
使用 SQL 数据库的一大优势是简化了与 ERP 和 MES 系统的集成，从而使数据能够在整个组织中无缝流动。
总而言之，SCADA 是一个由硬件和软件组成的系统，它使工业企业能够：
- 远程或本地控制工业流程
- 实时监控、收集和处理数据
- 通过人机界面 (HMI) 软件直接与泵、阀门、传感器、电机等设备交互
- 在日志文件中记录所有事件
SCADA系统的架构基础是远程终端单元 (RTU) 和可编程逻辑控制器 (PLC)。它们是与各种对象（如传感器、终端设备、HMI 和工厂机器）通信的微型计算机。RTU 和 PLC 使用 SCADA 软件将数据从对象路由到计算机。
然后，SCADA 软件负责处理、显示和分发数据，从而帮助员工和操作员分析信息并做出关键决策。
例如，如果一批产品出现错误，SCADA 系统可以帮助操作员快速解决问题。操作员暂停操作，通过 HMI 查看系统数据，从而确定问题所在。通过查看信息，操作员发现是“4 号机器”出现故障。
因此，SCADA 系统可以帮助操作员识别问题，及时解决问题，并防止进一步的损失。
SCADA 系统的组成部分
SCADA 系统由部署在现场的各种组件组成，这些组件实时收集数据。这些组件能够收集数据并增强工业自动化。
下面详细介绍每个组件：
1. 传感器和执行器
传感器是用于检测工业流程中输入功能的设备或系统。执行器是一种控制工业流程机制的设备。传感器的功能类似于显示机器状态的仪表。 执行器的作用类似于控制设备的刻度盘、控件或开关。两者都由 SCADA 现场控制器监控。
2. SCADA 现场控制器
现场控制器直接与执行器和传感器连接。主要分为两大类：
- 远程遥测单元 (RTU)：与传感器连接，用于收集遥测数据，然后将数据转发到主系统进行后续处理。
- 可编程逻辑控制器 (PLC)：与执行器连接，根据 RTU 收集的实时遥测数据来维护和控制工业流程。
3. SCADA 监控计算机
监控计算机控制所有与 SCADA 相关的流程。它们用于从现场设备收集数据，并向设备发送命令以控制工业流程。
4. 人机界面软件
该软件提供了一个用于确认和呈现来自 SCADA 现场设备数据的系统。它还使操作员能够了解和修改 SCADA 控制流程的状态。
5. 通信基础设施
通信基础设施使 SCADA 监控系统能够与现场控制器和现场设备进行通信。 这也使 SCADA 系统能够从现场设备收集数据并控制这些设备。
SCADA 系统的特点
SCADA 系统包含针对特定应用或行业的特殊功能，但大多数系统都支持以下功能：
- 数据采集：这是 SCADA 系统的基础，传感器收集数据并将其传输到现场控制器。反过来，现场控制器将数据馈送到 SCADA 计算机。
- 远程控制：通过现场执行器的控制来实现，该控制基于从现场传感器收集的数据。
- 网络数据通信：它支持所有 SCADA 功能。从传感器收集的数据被传输到 SCADA 现场控制器，然后与 SCADA 监控计算机进行通信。远程控制命令从监控计算机传回执行器。
- 数据呈现：通过 HMI 实现，HMI 代表操作员运行 SCADA 系统所需的当前和历史数据。
- 警报：它可以提醒操作员 SCADA 系统中的重要情况。当进程被阻塞、某些系统出现故障或其他方面需要停止、启动或调整时，它可以轻松配置以通知操作员。
- 实时和历史数据：两者都是 SCADA 系统的重要组成部分。这将使用户能够根据历史趋势跟踪当前场景的性能。
- 报告：包括关于过程性能、系统状态以及针对特定用途的定制报告。
SCADA 的工作原理
SCADA 系统执行多项功能，包括数据采集、数据通信、信息/数据呈现以及监控/控制。 这些功能由 SCADA 的组件（如传感器、RTU、控制器、通信网络等）执行。
传感器用于收集基本数据，RTU 用于将此数据发送到控制器以显示系统状态。 根据状态，用户向其他组件发出命令以执行其功能。通信网络执行此功能。
下面将详细介绍每个功能，以了解 SCADA 系统的工作原理。
数据采集
实时 SCADA 系统由许多传感器和组件组成，用于收集信息并发送数据以进行进一步处理。
例如，一些传感器测量从蓄水池到水箱的水流，而其他传感器则测量水从蓄水池释放时的压力。 在这里，传感器获取不同类型的数据，以了解所有流程是否顺利进行。
数据通讯
SCADA 系统使用有线网络在用户和设备之间收集和传输数据。 实时 SCADA 应用程序使用远程控制的组件和传感器，同时使用互联网进行通信。由于继电器和传感器无法直接通信，因此使用 RTU 作为通信网络接口和传感器之间的桥梁。
数据展示
常规网络由可见的指示器组成，以便进行控制。在实时 SCADA 应用中，大量的警报和传感器难以一次管理。 SCADA 系统使用 HMI 来提供从各种传感器收集的所有数据。
监控
SCADA 系统使用各种开关来操作设备并显示受控区域的状态。使用这些开关可以从工作站打开/关闭任何部分。SCADA 应用程序在没有任何人工干预的情况下自动运行，仅在危急情况下才需要人工干预。
SCADA 的类型
SCADA 系统可分为四种类型，包括单片 SCADA 系统、分布式 SCADA 系统、网络化 SCADA 系统和物联网 SCADA 系统。
1. 单片 SCADA 系统
早期或第一代 SCADA 系统被称为单片 SCADA 系统。它使用小型计算机，并且在公共网络服务不可用时进行开发。这个系统的设计就像一个独立的系统，这意味着一个系统的设计不需要与其他系统关联。 可以使用备份大型机从 RTU 收集数据。第一代系统的关键功能仅限于标记过程和监控传感器。
2. 分布式 SCADA 系统
分布式 SCADA 系统也被称为第二代系统。通过与 LAN 连接，控制功能分布在各种系统中。 通过命令处理和共享实时数据来执行控制操作。
在这个系统中，每个站点的成本和规模都降低了，但是没有统一的网络协议。
3. 网络化 SCADA 系统
网络化的 SCADA 系统被称为第三代系统。目前，SCADA 系统的通信网络通过电话线或数据线通过 WAN 系统工作。
节点之间的数据传输通过使用光纤或以太网连接完成。一旦必要，这将使用 PLC 来调整、监控和控制标记操作。
4. 物联网 SCADA 系统
物联网 SCADA 系统被称为第四代系统。它通过云计算实现物联网，从而最大限度地降低了系统基础设施成本。与其他系统相比，集成和维护这些系统更加容易。
在实时系统中，可以通过云计算轻松报告组件或设备的状态。
SCADA 系统的优点
SCADA 系统的优势如下：
- 可扩展性：现代 SCADA 系统具有高度的可扩展性，原因包括：支持的软件和硬件的可用性更高、使用云计算满足工作负载需求等。
- 互操作性：现代 SCADA 系统不依赖于专有软件和硬件，从而避免了供应商锁定。
- 通信：SCADA 支持现代通信协议，从而可以更好地访问 Scada 控制和数据。
- 支持：现代 SCADA 系统得到了供应商的良好支持。开放的网络标准、现代软件开发平台以及现成的商业硬件的采用使得第三方供应商更容易获得。
SCADA 系统的局限性
SCADA 系统的一些限制如下：
- 它包含复杂的硬件单元和依赖模块。
- 它需要程序员、熟练的操作员和分析师进行维护。
- 安装成本高昂。
- 一些人认为 SCADA 可能会导致失业率上升。
SCADA 系统的应用案例
SCADA 系统被广泛应用于各个工业领域，以协助管理和自动化工业流程。这些流程如果由人工控制和监控，将会变得复杂而繁琐。
SCADA 对于可以远程控制和监控的流程非常有用，特别是在能够最大限度地减少浪费和提高效率的情况下。
以下是一些 SCADA 自动化的常见行业示例：
- 石油和天然气炼油业务
- 发电和配电
- 化工制造
- 电信基础设施
- 制造及相关工艺
- 交通运输基础设施
- 公用事业基础设施，如水和废物控制
- 食品和饮料加工
在 SCADA 技术的帮助下，可以密切跟踪和适当地控制这些流程，从而随着时间的推移提高性能。高效的系统可以显着节省资金和时间。
现代世界正在使用某种形式的 SCADA 系统，例如：维护制冷系统、确保炼油厂的生产安全、在污水处理厂达到质量标准、跟踪家庭的能源使用情况等。
如何实施 SCADA 解决方案
在实施 SCADA 系统时，您必须考虑以下重要步骤：
- 明确定义您要监控的内容并充分理解其运作原理。
- 确定您要收集的数据类型以及如何收集。
- 添加网关以连接到最近的数据收集点。
- 如果需要，创建新的数据收集点。
- 将数据集中到您想要监控的位置。
- 在您选择的 SCADA 应用程序中映射数据。
- 添加控制和数据流程的可视化功能。
- 定义规则和自动化。
完成以上步骤后，SCADA 软件将处理剩下的事情。它可以帮助您与设施交互、发出问题警报、通知预测性维护并提供对设备的控制。
结论
SCADA 提供了一种有效的方式来控制和管理工业流程和数据，检测系统问题并进行通信以快速修复。 因此，与其手动完成所有操作或浪费时间和金钱，不如使用 SCADA 系统自动执行这些流程。
SCADA 的实施是基于特定目标的。因此，当您希望在您的公司中实施 SCADA 系统时，请先确定您的需求，然后进行相应的流程自动化。