新興技術與SCADA系統應用融合的前景分析

中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦 何益萍

北京安控科技股份有限公司 王彬

1 引言

隨著第三代SCADA系統的逐漸演進，越來越多的新技術應用到SCADA系統中，結合這些最新的技術趨勢，系統將向著越來越開放的體系結構發展。在這些新技術趨勢中，物聯網、云計算對SCADA 系統的影響最為巨大，也是最值得期待的一個發展方向。但物聯網和云計算技術也在發展的初級階段，尤其物聯網的技術標準遠未到成熟穩定的階段，所以在傳統SCADA系統在進行這些新技術融合的過程中常出現一些結合點的困惑，甚至是方向性的迷茫，在市場的應用領域也缺乏全面實質性的進展，本文旨在厘清三者之間的關系，并對其技術融合的關鍵節點和前景進行了分析和闡述，并對SCADA的發展方向做一個粗淺的探索。

2 SCADA系統發展歷程

SCADA(Supervisory control and Data Acquisition)系統，即數據采集與監控系統，它是以計算機技術、網絡技術和自動化技術為基礎的生產過程控制與調度自動化系統。系統通過對站場運行設備和工況的監督和控制，以實現數據采集、設備控制、狀態檢測、參數調節以及各類信號報警、歷史數據查詢等多項功能。

目前，SCADA系統架構經歷了三代的發展，有單獨型SCADA系統；分散型SCADA系統；網絡型SCADA系統。第一代的SCADA系統都是單獨型，其特征是：主計算機處理和存儲數據；SCADA都是獨立系統，不與其他系統相連接。第二代SCADA是分散型系統，多個RTU站通過局域網相連接，其特征是：分散處理，即每個站都執行其特定的數據采集監控任務，但大多數仍采用專用網絡通信協議。第三代SCADA是網絡型系統，其特征是：運用開放的體系結構，而非由供應商控制的專用環境。SCADA系統利用開放的標準和協議，在主站和各種各樣的通信設備中進行通信。

3 SCADA與新技術的融合

3.1 SCADA系統與云計算

3.1.1 云計算概述

云計算已經變得越來越普及，但對于SCADA系統應用來說，它仍是一種前沿技術。云計算（英語：Cloud Computing），是一種基于互聯網的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息可以按需提供給計算機和其他設備。

云計算是繼1980年代大型計算機到客戶端-服務器的大轉變之后的又一種巨變。用戶不再需要了解“云”中基礎設施的細節，不必具有相應的專業知識，也無需直接進行控制。云計算描述了一種基于互聯網的新的IT服務增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯網來提供動態易擴展而且經常是虛擬化的資源。

云其實是網絡、互聯網的一種比喻說法。因為過去往往用云來表示電信網，后來也用來表示互聯網和底層基礎設施的抽象。典型的云計算提供商往往提供通用的網絡業務應用，可以通過瀏覽器等軟件或者其他Web服務來訪問，而軟件和數據都存儲在服務器上。

3.1.2 傳統的SCADA體系結構

在傳統的SCADA系統搭建中，一般采用客戶/服務器體系結構。最典型的系統結構如圖1所示。

圖1 最典型的系統結構

傳統的SCADA系統習慣上分為三部分，一是下位機，側重采集控制；二是上位機，側重監視功能；三是通信網路，實現上下位機的數據交換。

下位機：直接控制設備獲取設備狀況數據的控制器，一般指PLC/RTU/DCS等，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。這類控制器由電源、中央處理單元(CPU)、存儲器、輸入輸出接口電路、功能及通信模塊組成，可以通過點到點方式連接，也可以以總線方式連接到上位機，點到點連接一般通過串口(RS232)，總線方式可以是RS485，以太網等連接方式由下位機提供。

上位機：一般是PC機、服務器等，在上位機安裝SCADA監控軟件，即組態軟件，從而實現與下位機的交互(通信、數據交換等)功能，組態軟件有很多任務組成，每個任務完成特定的功能。位于一個或多個機器上的服務器負責數據采集，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、執行用戶腳本等），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。

通信網絡：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。客戶端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、訂閱式與廣播式。設備驅動程序與I/O設備通訊一般采用請求式，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，采用物理通信鏈路一般有RS485/RS232、無線電臺、衛星、GPRS/CDMA等方式。SCADA可通過多種方式與外界通信，如OPC、DDE、ODBC等，一般組態軟件都提供OPC服務，第三方應用系統可使用客戶端方式與OPC服務器進行通訊，上位機之間的通信一般是基于以太網的。

3.1.3 基于云計算的SCADA體系結構

云計算技術的迅速發展深遠地影響著SCADA系統幾十年不變的體系結構，在現在大型的SCADA系統中采用物聯網架構和架設云計算平臺將會體驗到新技術帶來的高性能、跨平臺、高安全、易部署等令人激動的新特性。圖2展現的是采用物聯網的體系結構，SCADA中心采用云計算平臺作為數據及業務的支撐而搭建起來的大型分布式體系結構。

圖2 采用物聯網的體系結構

基于云計算平臺，SCADA中心的建設能夠顯著地減少成本(維護成本和基礎設施成本)，獲得更高的可靠性和更強大的功能。除了免除IT基礎設施硬件層面上的花費和問題，基于云技術的SCADA系統還能使用戶在智能手機和平板電腦之類的終端設備上瀏覽數據。

SCADA中心云平臺建設可以公有也可以私有。公有云基礎設施可由一個組織所有，并以公共服務的形式提供給公眾。私有云基礎設施僅針對特定客戶提供服務，它可能由客戶或者第三方管理，它可以存在于內部，也可以存在于外部。混合云由私有云和公有云組成，兩者分別都是獨立的實體，但是通過標準化的技術或者專利技術相互連接，實現數據和應用的便攜性。在SCADA系統的云應用上可以建立企業私有云，在適當條件下或者技術更為成熟時可建立混合云。基于私有云的SCADA中心建設組成結構圖如圖3所示.

圖3 基于私有云的SCADA中心建設組成結構圖

在基礎設施云建設上可以通過多服務器虛擬化技術來實現，其優勢是企業無須購買那些可能永遠都不會用到的SCADA冗余硬件和軟件授權或者災難恢復站點。相反，他們可以在需要的時候并且僅在需要的時候再獲取新的資源，否則企業就需要管理IT基礎設施，增加的費用會相當可觀。如果企業將這些任務搭載在云上，那么節省將是巨大的。

在平臺及服務的建設上，可以通過部署大型的實時數據庫、關系數據庫或其他鍵值數據源等，在此基礎之上再將數據訪問接口進行封裝，加以權限認證，形成一致性訪問的數據總線接口，從而實現抽象服務，統一平臺。

在設施云提供強大的計算能力和存儲能力的基礎上，再由平臺云提供一致性數據總線接口，其他第三方用戶可根據專業劃分的不同基于平臺云建立各種軟件服務，如數據訪問、智能分析、仿真、報警等，基于不同角色的用戶使用不同的軟件服務，從而實現軟件云。

圖4是一個基于云計算平臺的SCADA數據服務中心的軟件部署方案。

3.2 SCADA系統與物聯網

3.2.1 物聯網概述

圖4 基于云計算平臺的SCADA數據服務中心的軟件部署方案

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分。其英文名稱是“The Internet of things”。由此，顧名思義，“物聯網就是物物相連的互聯網”。這有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。因此，物聯網的定義是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

3.2.2 物聯網與傳統SCADA的關系

要想弄清傳統SCADA和物聯網之間的關系，我們可以先了解一下物聯網中物的定義：

要有數據傳輸通路；

要有一定的存儲功能；

要有CPU；

要有操作系統；

要有專門的應用程序；

遵循物聯網的通信協議；

在世界網絡中有可被識別的唯一編號。在目前的SCADA系統中，如果我們把下位機控制器(PLC/RTU)和儀表系統看成一個物的話，可以發現除了第7項不能滿足外，其余的基本都能滿足物聯網中物的定義。控制器有CPU，有存儲功能，也有實時的操作系統，在控制器內部也運行著專門的監控應用程序，與其他系統之間也具備多樣數據傳輸通路，如光纜、Zigbee、電臺、GPRS/3G、無線網橋、衛星等通訊鏈路，通信協議雖然目前不一定支持物聯網，但一些新型的通信協議如無線HART等都是以物聯網為方向的。即使第7項暫時不能滿足，也可以通過控制器的MAC地址或者其他通信ID進行唯一性辨識。通過以上分析我們可以看出，其實傳統的SCADA系統就是物聯網的雛形，也是物聯網的其中一種表現形式，弄清楚這個我們也就明白SCADA系統在物聯網中的定位和未來的發展方向。

3.2.3 物聯網與云計算之間的關系

首先，物聯網是各種感知技術的廣泛應用。物聯網上部署了海量的多種類型傳感器，每個傳感器都是一個信息源，不同類別的傳感器所捕獲的信息內容和信息格式不同。傳感器獲得的數據具有實時性，按一定的頻率周期性的采集環境信息，不斷更新數據。

其次，物聯網是一種建立在互聯網上的泛在網絡。物聯網技術的重要基礎和核心仍舊是互聯網，通過各種有線和無線網絡與互聯網融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去。在物聯網上的傳感器定時采集的信息需要通過網絡傳輸，由于其數量極其龐大，形成了海量信息，在傳輸過程中，為了保障數據的正確性和及時性，必須適應各種異構網絡和協議。

還有，物聯網不僅僅提供了傳感器的連接，其本身也具有智能處理的能力，能夠對物體實施智能控制。物聯網將傳感器和智能處理相結合，利用云計算、模式識別等各種智能技術，擴充其應用領域。從傳感器獲得的海量信息中分析、加工和處理出有意義的數據，以適應不同用戶的不同需求，發現新的應用領域和應用模式。

綜上所述，物聯網包含了三方面實現，感知、傳輸、智能應用，由于系統中分布了海量的傳感器，每個傳感器實時海量數據需要進行存儲，存儲的海量信息需要進行分析、加工處理，這就需要一個具備海量存儲、高運算能力的一組軟件服務作為整個物聯網的核心服務支撐，所以，云計算技術的出現十分有效地為物聯網提供了這個服務平臺。

3.2.4 基于物聯網的SCADA系統發展分析

（1）存儲計算能力的邊緣化

目前的SCADA系統中，“物”的存儲與計算能力都是由控制器(PLC/RTU)來完成，但基于物聯網的SCADA系統必須要求更多的“物”具備智能性，可以局限性地打個比方，某個壓力傳感器或者溫度傳感器都具備數據的采集、存儲、處理能力，局部的傳感器之間通過某種異構的開放協議進行通信，可互相協同工作，甚至是局部的開閉環控制等。

（2）物體間斷性通信連接

當SCADA系統中的智能感知設備一旦發生物理移動、或者無線鏈路發生變化，智能感知設備將緩存脫離系統之外時的自身數據信息，在重新接入系統時將緩存數據上報到相關的物和系統中，有點類似于DCS 系統中的數據回填的功能。

（3）支持物體的移動和環境變化

在傳統的SCADA系統中，設備狀態及資產管理往往是通過關系數據庫借助物資管理平臺進行人工錄入管理，而在物聯網的架構下，所有的物能采集和記錄自身的設備運行信息、位置信息(GIS)等功能，一旦發生變化，將通過通信網絡主動上報到SCADA服務中心。

（4）支持網中網

SCADA系統中的智能感知設備之間將能自治、動態的組網，根據最佳鏈路選擇最有網絡進行物與物、物與系統之間通信。由于整個系統中可能存在多種異構網絡，所以一個開放的、可擴展的基于異構通信鏈路的上下文通信協議將顯得尤為重要。

（5）統一的標識技術

必須對SCADA系統中的每一個物進行統一標識，以便對物體進行區分和查找，這種標識的基本需求包括：對單個物體進行唯一標識；對某一類物品進行標識；對復合物體進行標識，而且復合物體包含多個組件，可合成、可拆分、可替換；支持虛擬物體。另外還需考慮其安全性，包括不透明的UID、匿名機制、標識的加解密技術。

（6）安全與隱私技術

一旦SCADA系統作為物聯網的一部分接入到更大的系統中時，就涉及到商業機密和生產安全等方面的隱患，所以在SCADA系統向物聯網融合的過程中，一定要阻止非授權實體的識別和跟蹤，阻止未授權信息的訪問，物體的位置以及數據的所有性等都需要進行考慮。

4 SCADA系統展望

除了物聯網與云計算技術，其他新技術、新需求也引導著SCADA系統的發展方向。石化、軌道、電力等行業越來越迫切需要一個大型分布式SCADA系統來完成海量數據實時采集和監控、數據和模型相結合的實時智能化分析；廠礦企業也越來越需要SCADA系統、MES系統、ERP系統實現對接和融合，以便更好地為決策層服務；應急指揮中心更需要全方位多系統融合，如SCADA系統、GIS系統、視頻監控系統、緊急物資管理系統等；德國西門子公司工業控制系統受到黑客制造的惡意代碼攻擊，這對SCADA系統的信息安全提出了更高的要求；具有標準化開放接口、跨平臺等特性將促使IEC61131-5、OPC UA、WebService技術在SCADA系統中大量運用；更易升級部署的B/S架構、更豐富的人機界面展現形式將使Htm l5和3D技術運用于SCADA系統中。

智慧地球、智慧中國，通過物聯網向各個領域的延伸，SCADA系統將迎來更大的發展機遇，未來的SCADA系統將不再局限于廠礦企業的生產應用領域，還將深入到我們每個人的日常生活中。