2024-01-25碼農

本篇文章將由淺入深的聊聊SCADA系統設計相關的內容，最也是在學習這塊所以將學習到的內容形成文章方便記憶且分享給各位，由於篇幅有限有的地方寫的比較簡單模糊，但是作為初學者看完之後起碼有一定的了解。

1.SCADA

SCADA (監控和數據采集系統, Supervisory Control And Data Acquisition) 是一種用於監控和管理工廠、裝置或過程的自動化系統。它是一個多功能的大型系統，主要用於透過即時監控和控制生產過程以提高效率。

功能

數據收集 ：SCADA系統能夠從遠距離的裝置收集數據，包括溫度、壓力、電流等，並將其發送至中心電腦進行處理。
監控：SCADA系統使營運人員能夠透過圖形界面觀察和監控整個制造過程或系統執行情況。
控制：SCADA系統使營運人員能夠遠端操控裝置，例如開啟或關閉泵、調整裝置參數等。
報警：當檢測到系統異常或超出預設閾值的情況時，SCADA系統可以生成警報，提示營運人員進行幹預或修復。

使用領域

SCADA系統廣泛套用於各種產業領域，如電力、石油和天然氣、水和廢水處理、交通、制造業等。利用SCADA系統，企業可以更有效地監測和控制他們的營運，降低營運成本，提高生產效率和安全性。

2.結構

一個標準的SCADA系統主要由以下部份組成：

分布式數據采集系統 ：這是SCADA系統的關鍵組成部份，負責收集來自現場裝置（如傳感器和執行元件）的資訊，並將這些數據發送到中央電腦。在分布式環境裏，數據采集裝置（如RTU或PLC）被分散安裝在各個位置，每個裝置負責其所在區域的數據采集。這種設計可以降低數據傳輸的延遲，提高系統的響應速度。
過程監控系統 ：過程監控系統是SCADA系統的一個核心功能，允許營運人員即時監視生產過程，並了解裝置的執行狀況。監控系統通常透過圖形化使用者介面展示數據，使得營運人員可以直觀地理解系統的狀態。此外，當檢測到異常或超出預設閾值的情況時，監控系統還會生成警報，提示營運人員進行調整或修復。
資料通訊網路 ：資料通訊網路負責連線SCADA系統的各個部份，包括現場裝置、數據采集裝置和中央電腦，以便於數據的傳輸。資料通訊網路可能包括各種型別的通訊技術，如有線網路（例如乙太網路）、無線網路（例如Wi-Fi或蜂巢式網路）、衛星通訊等。資料通訊網路的設計需要考慮多種因素，如傳輸距離、傳輸速率、可靠性、安全性等。

詳細名詞解釋：

傳感器和執行元件 ：這些裝置部署在現場，用於采集數據（如溫度、壓力等）並按照指令執行操作（如開啟/關閉閥門）。
**遠端終端單元(RTU)**：RTU連線到傳感器和執行元件，將采集的數據轉換為數位訊號，並將其發送至中央電腦。
通訊網路 ：這是SCADA系統的核心，用於連線RTU和中央電腦，以便進行數據傳輸。
主站電腦系統 ：該系統接收從RTU發送的資訊，並提供友好的使用者介面，允許營運人員檢視數據、執行命令以及設定警報條件。
**可編程邏輯控制器(PLC)**：是一種被廣泛使用在工業生產過程自動化控制中的電子裝置。它接收來自各種傳感器的輸入訊號，處理這些訊號，並按照預先編程的指令控制裝置或過程。
**數據機(Modem)**：是一種用於數據訊號轉換的裝置。其主要功能是將電腦的數位訊號轉換為模擬訊號，使得數據能夠透過電話線、電纜或衛星進行傳輸，然後再將接收到的模擬訊號轉換回數位訊號。
現場控制站點 ：通常指在工廠或生產過程中的現場位置，安裝有一台或多台用於監視和/或控制生產裝置的電腦或其他裝置。這些站點可能包括了傳感器、執行元件、控制器等，它們透過各種型別的通訊（如有線或無線）連線到更大的網路或系統。
現場匯流排 ：現場匯流排(Fieldbus)是一種工業網路系統，用於現場裝置(如傳感器、執行器、控制器等)之間的通訊。現場匯流排技術使得裝置能夠直接交換數據，無需透過中央控制器，從而提高了數據交換的效率，降低了系統的復雜性。
現場匯流排I/O裝置 ：現場匯流排輸入/輸出(I/O)裝置是指連線到現場匯流排上，並與其他裝置進行通訊的裝置。這些裝置可以包括傳感器（提供數據輸入），執行元件（如閥門，馬達，用於響應控制指令），以及其他裝置。這些I/O裝置將來自現場裝置的數據轉換成數位訊號，透過現場匯流排發送給其他裝置，或從現場匯流排接收數位訊號並將其轉換成物理動作。
串口伺服器 ：也被稱為裝置伺服器或終端伺服器，這是一種網路裝置，它能把序列通訊（如RS-232，RS-422 或 RS-485）轉化為乙太網路數據。在SCADA系統中，串口伺服器可以使傳統的序列裝置連線到網路，並與SCADA伺服器進行通訊。
SCADA伺服器 ：這是SCADA系統的核心部份，負責處理來自現場裝置的即時數據，執行控制命令，和管理報警事件。SCADA伺服器通常包含資料庫來儲存歷史數據，以及提供使用者介面讓營運人員能監視和控制整個過程。
工作站 ：在SCADA系統中，工作站是指營運人員用於監控和控制生產過程的電腦。工作站通常安裝有SCADA軟體的客戶端，透過圖形化界面顯示即時數據、報警資訊，並允許營運人員輸入控制命令。
數據伺服器 ：數據伺服器主要負責數據管理和儲存。在SCADA系統中，數據伺服器通常用於儲存從SCADA伺服器收集的大量數據，並對這些數據進行處理和分析，以生成報告或做進一步的業務決策。
Web伺服器 ：Web伺服器在SCADA系統中用於提供基於web的使用者介面，允許透過互聯網或企業網路絡對系統進行遠端存取。這樣，營運人員無需在現場就可以檢視即時數據、報警資訊，或輸入控制命令。
衛星：衛星通訊可提供全球覆蓋，特別適合在偏遠地區或其他無線通訊困難的環境下使用。它可以用於將位於極遠地方的SCADA裝置（如油井、輸電路線等）的數據傳輸到中央控制站。然而，由於需要發射和接收衛星訊號的裝置，以及可能存在的天線調整問題，衛星通訊的初始成本和營運成本可能會較高。
GPRS ：GPRS (General Packet Radio Service) 是一種基於GSM行動通訊網路的無線數據傳輸服務。在SCADA系統中，GPRS可以用於在有GSM網路覆蓋的地方傳輸現場裝置的數據。其優點是成本相對較低，可以實作行動通訊，但數據傳輸速率相對較低，並且受到GSM網路覆蓋範圍的限制。
X2.5電台 ：X2.5電台（或稱為X.25）是一個早期的分組交換網路協定，最初設計用於公共數據網路。雖然現在已經被更現代的網路協定（如IP）所取代，但在某些特定套用中，例如銀行ATM網路或航空預訂系統，X.25仍然在使用。在SCADA系統中，如果現場裝置已經配備了支持X.25的終端裝置，那麽可以利用X.25進行資料通訊。不過，由於該協定的復雜性和較低的數據傳輸速度，現在正在被更現代的通訊技術取代。
上位機 ：上位機通常指的是中央控制站或管理站，這是整個SCADA系統的核心。上位機負責接收並處理來自各下位機的數據，透過圖形化使用者介面展示資訊，以便營運人員可以監視和控制整個系統。此外，上位機還可以發送命令到下位機，如控制指令或設定參數等。在SCADA中，伺服器、工作站、PC等裝置通常被視為上位機。
下位機 ：下位機通常指的是現場裝置，如傳感器、執行元件、PLC或RTU等。這些裝置負責采集現場數據（例如溫度、壓力、電流等），並將數據發送到上位機。同時，根據上位機發來的命令，下位機也會執行相應的操作，如開/關閥門、檢測、執行所屬上位機命令，調整裝置參數等。

上位機和下位機旨在實作"監控與被監控"、"控制與被控制"的關系。其中，上位機通常扮演著控制者和決策者的角色，而下位機則執行任務並提供必要的反饋資訊。

3.管理集中、控制分散

CADA系統中的「管理集中，控制分散」是指系統的執行策略和架構設計思想。

管理集中 ：這裏的「管理」主要指的是數據管理、系統監視、決策等高級功能。所有這些功能都在SCADA系統的中心位置（例如中央控制室）進行。由於所有重要的資訊都反饋到中心，所以營運人員可以對整個系統有全面的理解，做出最好的決策。此外，集中化的管理也更利於數據的儲存、處理和分析。
控制分散 ：在分布式控制系統（DCS）中，「控制分散」意味著控制任務被分散到現場裝置（如PLC或RTU）上執行。每個裝置都負責特定區域或過程的控制。相比於集中式控制，分散式控制可以減少通訊延遲，提高系統的響應速度和可靠性。同時，當某一部份裝置出現問題時，其他裝置仍然能夠獨立工作，不影響整個系統的執行。

"管理集中，控制分散"的思想旨在實作SCADA系統的高效率和高穩定性。在整體上，系統由中心進行統一的管理和決策；而在局部，各裝置自主、快速地完成具體的控制任務。

4.技術演變

SCADA（監控和數據采集系統）的技術架構已經經歷了幾個發展階段，以適應不斷發展的技術和業界需求。以下是其主要的演變階段：

單機系統 ：在最初，SCADA系統主要基於單個電腦，該電腦直接連線到現場裝置，負責數據收集和過程控制。此時，沒有網路連線或分布式處理。
區域網路(LAN)系統 ：隨著網路技術的發展，SCADA系統開始利用區域網路進行通訊。這使得數據可以在多個裝置之間共享，同時也實作了分布式控制。
分布式系統 ：進一步的發展導致了真正的分布式SCADA系統的出現，其中包括了分布在不同地理位置的多個站點。這些站點透過廣域網路(WAN)進行通訊，並可以實作遠端監控和控制。
互聯網時代 ：隨著互聯網的普及，SCADA系統開始利用互聯網進行通訊，使得營運人員可以在任何有互聯網連線的地方遠端存取SCADA系統。同時，新的技術如雲端運算、物聯網(IoT)等也被引入到SCADA系統中。
現代化和未來 ：目前，SCADA系統正在向更高的靈活性、可延伸性、開放性和安全性發展。例如，現代的SCADA系統往往支持多種通訊協定，可以與各種裝置和系統進行互操作。此外，越來越多的SCADA系統開始使用基於web的使用者介面，提供移動存取能力。在未來，我們可能會看到更多的創新技術被套用到SCADA系統中，比如人工智慧、大數據、邊緣計算等。

在這個演變過程中，C/S（客戶端/伺服器）架構和B/S（瀏覽器/伺服器）架構都起到了重要作用：

C/S架構 ：在C/S模型中，SCADA系統分為兩部份，一個是伺服端，即SCADA伺服器，另一個是客戶端，即工作站。伺服器負責處理數據、執行復雜的運算，並返回結果給客戶端。在早期的SCADA系統中，C/S架構是主流，因為它支持分布式處理，可以有效地利用網路資源，提高系統的效能和可延伸性。
B/S架構 ：隨著互聯網技術的發展，越來越多的SCADA系統開始采用B/S架構。使用者透過網路瀏覽器存取應用程式，所有的處理和邏輯都在伺服器端完成。這種架構有助於簡化客戶端設定（只需要一個網路瀏覽器），提供更好的跨平台相容性（可以在任何裝置的瀏覽器上執行），並簡化了系統的維護工作。

5.SCADA系統設計原則

在設計SCADA系統時，應考慮以下幾個關鍵原則：

可靠性 ：SCADA系統必須足夠的穩健和可靠，以確保在各種條件下都能正常工作。可能的故障和崩潰需要被有效地管理和最小化。常見的實作方法包括使用冗余硬體、軟體容錯技術、預防性維護等。
先進性 ：SCADA系統應采用尖端的技術和解決方案，來滿足不斷增長的業務需求和改善效能。這可能包括新的通訊協定、數據處理技術、安全措施等。
即時性 ：由於SCADA系統經常用於監控和控制即時的物理過程，因此它必須能夠及時收集數據，快速響應事件，並提供即時反饋。
開放性 ：SCADA系統應當盡可能地相容各種裝置和系統，支持多種通訊協定和標準。這樣可以避免廠商釘選（vendor lock-in），提高系統的適應力和擴充套件性。
經濟性 ：在選擇系統元件和設計解決方案時，應考慮成本效益。這意味著不僅要考慮初始投資，還需要考慮營運維護成本、能源消耗、壽命等因素。
可操作性 ：SCADA系統應易於使用，介面清晰，能讓操作員方便地監視和控制整個系統。此外，SCADA系統還需要提供足夠的靈活性，以適應不同的操作需求和條件。
可維護性 ：SCADA系統應設計得易於維護和升級。例如，硬體應易於更換，軟體應提供更新機制。同時，系統應提供足夠的診斷工具和文件，以幫助維護人員進行故障排查。

SCADA系統設計與開發步驟

SCADA系統的設計與開發要比一般的PLC控制系統復雜許多。SCADA系統的設計與開發主要包括3個部份的內容：上位機系統設計與開發、下位機系統設計與開發、通訊網路設計與開發。SCADA系統的設計與開發具體內容會跟隨系統規模、被控物件、控制方式等不同而有所差異，但系統設計與開發基本內容和主要開發步驟大致相同。

SCADA系統需求分析與總體設計

需求分析 ：需求分析是確定系統應該實作什麽功能的過程。這包括理解和定義使用者的需求、業務目標及其與系統之間的互動方式。在SCADA系統的環境中，需求可能包括監控哪些裝置，需要收集哪些數據，如何處理和顯示這些數據，以及怎樣執行控制命令等。此外，還需要考慮如何處理故障或異常情況，如何保證數據的安全性和完整性，等等。需求分析是SCADA系統設計的出發點，對於確定系統的最終形態至關重要。

功能需求 ：確定系統需要實作哪些功能，例如數據采集、過程控制、報警處理、數據儲存和查詢、狀態顯示和操作等。
效能需求 ：明確系統的效能指標，如數據處理速度、系統響應時間、誤差範圍、裝置可靠性等。
安全需求 ：考慮系統的安全要求，包括數據安全、通訊安全、裝置安全等。
環境需求 ：考察系統執行環境，如電源條件、網路條件、現場環境等。

總體設計 ：一旦需求被明確和文件化，就可以開始進行總體設計。在這一階段，將確定系統的高級架構，包括選定適當的硬體和軟體平台，設計網路結構，確定通訊協定等。總體設計應該足夠詳細，能夠指導後續的硬體配置和軟體開發工作。同時，它也應該考慮到系統的可延伸性和可維護性，預留出充足的空間來滿足未來的變化和發展。

硬體選擇 ：確定所需的硬體裝置（如PLC、RTU、傳感器、執行器等），並考慮它們的物理布局、電源供應、通訊介面等。
軟體平台 ：選擇合適的SCADA軟體平台，以滿足系統的功能和效能需求。可能需要考慮軟體的相容性、可延伸性、穩定性等因素。
系統架構 ：設計系統的總體架構，決定各部份如何相互連線和互動。這可能包括數據流的設計、控制策略的設計、網路通訊協定的選擇等。

SCADA系統型別確定與裝置選型

上位機系統選型

上位機通常指的是執行SCADA軟體的電腦或服務。選擇時需要考慮如下因素：

處理能力 ：上位機必須有足夠的處理能力來處理收集的數據，並快速做出響應。

儲存能力 ：根據系統需要儲存的數據量和歷史記錄長度來決定儲存大小。

穩定性 ：上位機應具有較高的穩定性和可靠性，以保證系統的連續執行。

下位機選型

下位機通常指現場的裝置，如PLC（可編程邏輯控制器）和RTU（遠端終端單元）。選擇時需要考慮以下因素：

環境適應力 ：下位機應能夠在各種環境條件下正常工作，例如高溫、濕度、塵埃等。

功能需求 ：下位機的功能應滿足現場的監控和控制需求。

通訊協定 ：下位機需要支持與上位機通訊的協定。

通訊網路裝置

選擇合適的通訊網路裝置是SCADA系統設計的重要部份，包括使用有線還是無線通訊，使用何種通訊協定，如Modbus、Profibus、Ethernet/IP等。

儀表與控制裝置

這些裝置包括各種傳感器、執行器、驅動器等，用於對現場過程進行測量和控制。選擇時需要考慮以下幾點：

精度和範圍 ：裝置的測量精度和範圍應滿足實際需求。

環境適應力 ：裝置應能夠在其工作環境中正常執行。

安全性 ：裝置應滿足相關的安全標準和規定。

SCADA套用軟體開發

上位機套用軟體配置與開發 ：上位機軟體主要負責數據管理、過程監控和裝置控制等功能。開發過程可能包括定義數據模型、設計使用者介面、編寫控制策略、設定報警條件等。很多SCADA平台（如Wonderware、WinCC、iFix等）都提供了圖形化的配置工具，在無需編程的情況下就可以完成大部份配置工作。但在某些復雜的場景下，可能還需要編寫指令碼或者自訂程式。
以下是一些主要任務：

數據管理 ：設計數據模型，決定如何儲存和處理來自下位機的數據。

界面設計 ：建立使用者介面，使得營運人員可以方便地監視和控制整個系統。界面可能包括即時數據顯示、趨勢圖、報警列表等。

報警和事件處理 ：設計報警邏輯和處理流程，當系統出現異常或重要事件時，能夠及時通知營運人員。

下位機軟體開發 ：下位機軟體主要執行在現場裝置（如PLC、RTU）上，負責采集數據、執行控制命令。常見的開發工作包括編寫PLC程式、配置IO通道、實作通訊協定等。常用的PLC程式語言包括梯形圖（Ladder Diagram）、指令列表（Instruction List）、結構文本（Structured Text）等。

以下是一些主要任務：

數據采集 ：編寫程式來讀取現場裝置的狀態和數據。

裝置控制 ：根據需要，編寫控制邏輯來操作裝置，例如開啟/關閉閥門，調整裝置參數等。

上下位機通訊系統設定與組態 ：為實作上下位機之間的數據交換，需要配置並測試通訊系統。這包括選擇通訊協定（如Modbus、Profibus、DNP3等）、設定網路參數、偵錯通訊鏈路等。同時，還需要在上位機軟體中進行通訊組態，即定義各個通訊點的地址、型別、更新頻率等。

以下是一些主要任務：

通訊協定 ：選擇合適的通訊協定，如Modbus、Profibus、Ethernet/IP等，並進行相應的配置。

網路組態 ：根據系統架構和網路條件，設計並設定網路結構，包括裝置地址、數據路由等。

控制策略與PID演算法

在SCADA系統中，控制策略是一種重要的方法，用以確保過程或裝置執行在期望的狀態。PID（比例-積分-微分）控制是最常用的控制策略之一。

控制策略 ：在SCADA系統中，控制策略通常指的是一種演算法或邏輯，這些演算法或邏輯根據輸入的數據（通常來自傳感器）生成輸出命令（通常發給執行器）。例如，如果一個控制策略是用來維持某個容器的溫度，那麽當溫度傳感器檢測到溫度低於設定點時，控制策略可能會發送一個命令來增加加熱元件的功率。

PID控制 ：PID控制是一種特別常用的控制策略，它結合了比例、積分和微分三種控制方法：

**P (Proportional)**：比例控制部份對誤差進行線性響應，即輸出訊號與誤差成正比。這樣可以實作快速響應，但可能會存在穩態誤差。

**I (Integral)**：積分控制部份對過去的誤差進行累積，並對此進行調整。積分控制有助於消除穩態誤差，但可能會導致系統的響應過慢。

**D (Derivative)**：微分控制部份預測誤差的變化趨勢，並提前做出調整。微分控制能夠平滑系統的響應，防止超調，但對雜訊敏感。

6.SCADA系統可靠性設計

供電抗幹擾措施 ：

不間斷電源（UPS） ：為了在主電源故障時保持執行，進行非中斷操作，可以使用UPS。

冗余電源供應 ：可提供兩個或多個獨立的電源路徑，如果一條路徑下線，另一條可接管。

電源品質監視 ：對電源進行連續監測，以檢測並記錄電源品質問題，如電壓峰值、過電流等。

接地抗幹擾措施 ：

公共接地點 ：所有的接地導線都應連線到一個公共的接地點，以防止透過接地系統傳播的幹擾。

消音器和濾波器 ：可使用路線消音器和濾波器減少透過接地路線傳輸的雜訊。

電纜設計和布局 ：可以透過選擇合適的電纜型別（遮蔽電纜）和規劃電纜布局來最小化幹擾。

軟體抗幹擾措施 ：

錯誤檢測和恢復 ：軟體應設計成能夠檢測和恢復錯誤，以避免整個系統失敗。

冗余系統 ：在關鍵任務上使用冗余系統可確保主系統發生故障時繼續執行。

安全性 ：軟體應具備防範惡意攻擊（如病毒和黑客攻擊）的能力，以保持系統的穩定性和可靠性。

空間抗幹擾措施 ：

避免跨越地面潛在故障區域的導線布局：這可以減少地質活動（例如地震）對系統的影響，並降低由災害引起的導線斷裂風險。

保護裝置不受電磁放射線影響：應使用電磁遮蔽材料來隔離裝置，防止由電磁幹擾引起的誤報警和裝置損壞。

適當的接地設計：透過有效的接地，可以將可能產生幹擾的電流引入地面，進而減小對系統的影響。

物理保護：應對裝置進行物理保護，如采用防塵、防水、防腐蝕的外殼，以及防火、防爆的設計，保證裝置能在各種環境下正常執行。

使用抗幹擾型裝置：應優先選擇具有抗幹擾功能的裝置，以降低外部幹擾源對裝置效能的影響。

7.系統偵錯與執行

SCADA系統的偵錯與執行涉及上位機偵錯、下位機偵錯與通訊偵錯。計畫行程可分為離線仿真偵錯、現場離線偵錯、線上偵錯與執行階段。偵錯過程應保證順暢的系統執行，專業偵錯可節省時間及成本。SCADA系統的生命周期包括可行性研究、初步設計、詳細設計、系統實施、系統測試和系統執行維護。通訊方式是SCADA系統關鍵的一部份，它套用於多個領域，如電力、冶金、石油、化工、燃氣、鐵路等，進行數據采集與監視控制。

離線仿真偵錯 ：該階段主要在非現場環境（比如開發者的電腦）上進行，目標是驗證設計的正確性並找出可能存在的問題。通常，會構建一個虛擬的模型或仿真程式來模擬現場裝置和網路，然後透過執行各種操作和檢查結果來進行測試。
現場離線偵錯 ：在將裝置安裝到現場後，開始進行現場的離線偵錯。在此階段，需要對下位機軟體進行偵錯，確保其可以正常地采集數據和執行控制命令。同時，也需要對通訊系統進行偵錯，保證上下位機之間的數據傳輸穩定可靠。
線上偵錯 ：當上下位機都已經準備就緒後，開始進行線上偵錯。這時，上位機開始接收來自現場的數據，並根據控制策略發送控制命令。需要進行全面的測試，包括各種正常和異常情況，以確保系統在實際執行中能夠提供穩定和安全的服務。
執行階段 ：完成所有的偵錯和測試工作後，SCADA系統進入執行階段。在此階段，系統會持續地監測和控制現場的裝置和過程。需要定期檢查系統的狀態和效能，處理任何出現的問題，同時還可能需要根據新的需求或技術發展進行相應的更新和最佳化。