工业4.0时代的SCADA系统

40多年来，不同类型的工业级工厂（如制造工厂、核电站、炼油厂）都开始大规模使用工业控制系统的设置和使用，一般情况下，工业控制系统包括用于控制工业流程的各种系统和仪表。

从前，工业控制依赖简单的自动化设备，如CNC（计算机数控），PLC（可编程逻辑控制器），PID（比例、积分、微分）控制设备。比如，数控机床上配有利用预先编程的软件代码控制生产设备运动的计算机化制造流程；再比如，用于控制工业环境中机电过程的可编程控制器；同样，PID（比例、积分、微分）控制器能够基于控制回路内输出的连续变化来精确控制工业流程，可以消除振荡，提高加工效率。

由于PLC、CNC和PID控制系统是用低级和难以理解的组装语言编程的，在操作中的透明度非常差，所能提供的灵活性和功能也很有限，不适合复杂的工业控制场合。为了减少这些限制束缚，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制系统）系统出现了，并被广泛用于控制工业设备和流程。

全球市场洞察公司最新调查报告称，到2026年，全球SCADA市场价值将超过500亿美元。在多个行业中，工业4.0解决方案的日益普及为市场创造了积极的前景。RTU（Remote Terminal Unit，远程终端控制系统）细分市场将获得更大份额的SCADA市场，因为它具有低成本、易于实施和更强的可扩展性等多种优势。到2026年，由于全球智能电网投资的增加，电力行业将实现最高增长。

什么是SCADA？

SCADA系统是非常规工业控制系统发展具有开创性的一步，它不基于给定协议控制单个现场设备，而是能够支持多种协议，为监控和控制现场设备提供更高的通用性和可伸缩性。具体来说，SCADA能够从远程设备捕获数据，之后将数据传输到中央位置，支持通过适当的人机界面（HMI）实现过程可视化，还能通过SCADA主机对工厂进行监控。

为实现这些功能，SCADA内设复杂的控制系统架构，包括计算机、网络数据通信基础设施、外围设备（如PLC和PID微控制器）以及HMI。利用这些组件，SCADA系统可以提供工业控制流程的管理信息，如关于计划维护程序的信息以及关于传感器和机器的诊断信息。此外，SCADA还能实时洞察工业操作进展，保障其效率，同时及时检测、发现潜在的问题。比如，只要发现某些工业流程中有异常， SCADA系统就会发出警报，并且同时启动恢复行动。

基于SCADA的控制体系架构在不同的工业领域得到了广泛应用，例如水管理、发电、能源输送和配送、石油和天然气生产以及制造厂。 SCADA很受欢迎，因为它能够实现更高的可靠性、成本效率、资产和资源的最佳利用，进一步保护工人的安全。

SCADA系统并不是单一的模块，而是令集成控制架构的实现成为可能的组件和设备的集合。具体来说，SCADA系统主要包含HMI、计算机监控系统、RTU（远程终端控制系统）、PLC和通信网络5个子系统。利用这些元素，可将SCADA控制体系架构以分层系统构建起来。

SCADA系统常与PLC一起使用，人们有时会混淆它们的具体操作和使用范围。虽然都被广泛应用于工业自动化解决方案，但它们在性质和功能上有许多不同。PLC是一种可编程的硬件元件，而SCADA主要由中间件和软件模块组成，这些模块连接不同的硬件，包括PLC。同样，虽然PLC用于控制工业元件（如现场设备和流程），但SCADA的范围更广，大多数情况下PLC是作为SCADA控制架构的一部分而配置的。

HMI也称为“操作面板”，由一个屏幕组成，允许用户与设备交互联结。HMI通常用来查看关键信息，实时监控机器/系统中的流程进展；输入必要的信息以启动操作，设置指标，创建程序等；控制仪器及装置；查看警报和许可。通常人机界面会被安装在离设备很近的地方，其使用与PLC的安装密切相关，而SCADA系统里包含能在HMI中看到的一切。

先进的SCADA软件监控充电站

在德国耶拿，电动汽车以有轨电车形式出现，并已投入使用了120年。去年，电动汽车被纳入该市公共交通运营，首批投入运行的三辆电动车已于2020年开始定期服务，旨在减少二氧化碳排放（每辆电动公交车每年约5.3万公斤）以及城区的颗粒物排放和噪音污染。

公共交通本质上是通过平稳和准时的运行来提升并维持其长期运营。在这种情况下，有轨电车的运营尤其需要可靠和不间断的电力供应。尽管如此，在极少数情况下仍有可能发生系统技术故障。为了尽量减少故障对运营过程及乘客的影响，有必要减少停机时间，这需要可靠的控制和远程控制系统来支持，而这一系统可通过PcVue SCADA软件来实施。

充电站监测一般采用开放标准协议OCPP（开放充电点协议），确保不同制造商产品之间的互操作性。通过最新的PcVue版本，制造商ARC Informatique可为OCPP协议提供通信驱动程序。该软件还克服了典型的OCPP问题，即一个充电站只能与一个充电站管理系统（CSMS）通信，使用代理功能，充电器的OCPP信息可以传递至第三方系统。这表明开放式PcVue系统的典型特征是它本身就具有广泛的数据交换选项。

新增的用户界面入口与现有的系统可无缝集成，它通过地图形式，将分布在整个城市区域的充电站显示为符号标记。对多年来熟悉控制系统现有功能和操作理念的用户来说，新增的可视化功能的学习曲线非常短，这一点也体现在充电站监控区域。

法兰克福Actemium自动化公司的这款软件的核心功能是警报和日志数据管理，它允许在实时操作和历史数据评估中进行精确的故障分析。其报警系统便于值班人员通过公用事业单位的安全远程访问系统提前诊断故障，然后进行调整或采取适当措施。

此外，由于交通控制中心与充电基础设施相连，因此其调度员工作站可实时显示公交车在相应充电点的位置，并指出影响运行的故障。这意味着可以在车辆部署计划中迅速做出调整，避免取消或延误路线。事后，维修人员还可以确定真实原因。优先级特别高的警报会以远程信息形式发送到待命服务的移动终端。

该系统的用户可以通过趋势数据显示并监测正在进行的充电过程，从而可以直观地比较所有的测量值，如电流、电压和功率值。同样，它可以从充电历史记录中调用已经完成的充电过程进行回顾和对比；还能识别相应车辆并记录其当前的充电状态。用户只需按下按钮就可以导出充电历史，或自动导出并存储为每周和每月报告，需要特别注意的是每辆车和充电过程的能耗，以及错误充电的数量。

德国耶拿公共交通系统的测试和维护工程师Christian Zeh对该解决方案充满信心。“在集成电子充电站后可以在监控系统中看到所有的运行状态，这为我们提供了即时干预选项。因此，充电设施被完全集成到供电部门的运营工作流程中。该系统的实用性在短短几周的日常运行中就得到了证明，特别是在控制充电站温度波动方面。”随着充电设施在控制和远程控制系统中的实施，供电团队为计划增加的电动公交车队和充电设施的相关扩展已做好了准备。

结语

SCADA系统的出现标志着工业控制功能的重大改进，因为SCADA简化了基于各种现场设备的多个工业控制流程的监控和集成，人机界面也有助于更好地理解工业流程。
近年来，第四次工业革命和工业物联网（IIoT）的到来有望提高工业控制系统的去中心化、顺应力和功能复杂性。具体来说，工业物联网支持去中心化和虚拟化的控制体系架构，比集中式SCADA系统灵活得多。基于物联网的控制系统将能够以虚拟化的方式处理大量高度分布的数据，而不是在单个数据库中收集、汇总信号。它可以消除单点故障，同时简化管理BigData和应用高级分析——如机器学习的任务，以实现更高的智能化、自动化和优化效果。

然而，据预测，工业物联网在短时间内不会取代SCADA系统，SCADA将作为工业物联网系统的主要数据源，同时提供一级集成工业控制功能。在可预见的未来，工业组织将会选择包括SCADA和DCS（分散控制系统）的混合分散架构作为工业控制的数据源以及本地智能控制站点。SCADA系统现在很受欢迎，未来这种势头还将持续。

延生阅读

人机界面（HMI）：每个SCADA系统都包含一个人机界面，它们被装在一台计算机上。后者被称为“操作员站”、“工作站”或“控制客户端”。HMI的作用是显示由SCADA系统控制的工业流程状态图。为此，它需要处理数据以监视、分析、可视化控制流程。所以HMI基于交互界面，促进了自动化工程师们的参与度。

计算机监控系统：SCADA由多台计算机组成，包括一台或多台服务器计算机。SCADA服务器位于控制架构的核心，通常在星型网络拓扑结构中。服务器与SCADA网络中的PLC和RTU设备联通，以此收集由PLC和RTU控制的单个流程的相关信息，构建整个工业流程的整个图形。同样，SCADA服务器用RTU和PLC生成的信息更新控制体系架构的历史数据库。在小规模设置中，由一个单独的SCADA工作站执行服务器和用户主机的任务，即设置HMI。但更复杂的设置就需要多个工作站协同了。

远程终端单元（RTU）：RTU是连接物理世界设备（如传感器、流量计）和自动化系统的电子设备。正如其名，RTU可被架设在远程位置，即与SCADA服务器的位置不一样的地方。它们由微处理器控制，能够捕获遥测数据并将其传输给SCADA监控系统。在SCADA控制体系架构中，RTU提供了控制物理世界设备的方法。最先进的RTU是工业级设备，可在恶劣的工业环境中运行，还有备用电源可供选择。此外，现代化RTU通过流行的编程语言如Basic、Visual Basic和C++来实现、配置其控制逻辑。

可编程逻辑控制器（PLC）：PLC是固态设备，以可编程的方式控制输出设备。PLC由微控制器组成，根据输入设备的信息运行。PLC根据微控制器中预编程的参数处理输入数据并触发输出。与RTU类似，为控制现场设备，可将PLC连接上去。但是它们比RTU更具可配置性、可编程性，又经济又灵活。

通信网络：SCADA控制体系架构由适当的通信基础设施授权，便于上述组件之间的数据和信息交换。SCADA通信基础设施由不同的网络元素和技术组成，包括无线网络、调制解调器、卫星、路由器和交换机，以支持不同规模的复杂网络拓扑。如果SCADA组件位于有限区域（比如在一个工业化工厂里），通信基础设施可以是局域网（LAN）。总之，SCADA控制体系架构适配各种现有通行的网络拓扑方式（比如总线、星型、环型）。


来源：荣格-《智能制造纵横》


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