SCADA和三大工业控制系统PLC、DCS、FCS

一、引言

工业控制系统（ICS）是一个通用术语，随着工业技术的快速发展，相继出现了集散控制系统和现场控制系统。涵盖多种类型的控制系统，包括监控和数据采集（SCADA）系统，分布式控制系统（DCS），和其他较小的控制系统配置，如经常在工业部门和关键基础设施中用到的防滑安装的可编程逻辑控制器（PLC）。ICS通常使用于电力，水利，石油和天然气，化学，运输，制药，纸浆，食品和饮料以及离散制造（例如，汽车，航空和耐用品）和造纸等行业。

工业过程控制中的三大控制系统，分别是PLC、DCS、FCS。控制系统对于经常高度重视的中国关键基础设施的运行至关重要互连和相互依赖的系统。重要的是要注意，大约90％的国家的关键基础设施是私人拥有和经营。联邦机构也经营许多的上述工业流程；其他例子包括空中交通管制和材料处理（例如，邮政服务邮件处理）。

PLC控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下的应用而设计。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入或输出，控制各种类型的机械或生产过程。

DCS集散控制系统，又叫计算机分布式控制系统。它是20世纪70年代中期迅速发展起来的，它把控制技术、计算机技术、图像显示技术以及通信技术结合起来，也称作4C技术，实现了对生产过程的监视、控制和管理。它既打破了常规控制仪表功能的局限性，又较好的解决了早期计算机系统对于信息、管理和控制作用过于集中带来的危险性。

FCS 现场总线控制系统的核心是总线协议。基础是数字智能现场设备，本质是信息处理现场化。

二、SCADA系统

SCADA是高分布式监控和数据采集系统，经常用于控制地理上分散的资产，分散在数千平方公里，其中集中的数据采集和控制至关重要到系统操作。它们用于基础设施流程（水处理，污水处理，天然气管道，风电场等）的ICS（工业控制系统），基于设施的过程（机场，空间站，船舶等） ）或工业流程（生产，制造，精炼，发电等）。

以下子系统通常存在于SCADA系统中：

•操作人员使用的仪器;所有处理的数据都被呈现给操作员

•监督系统，收集有关流程的所有必要数据

•连接到过程传感器的远程终端单元（RTU），有助于将传感器信号转换为数字数据，并将数据发送到监控流。

•可编程逻辑控制器（PLC）用作现场设备

•通信基础设施将远程终端单元连接到监控系统。

一般来说，SCADA系统不能实时控制进程 - 它通常是指实时协调进程的系统。

SCADA系统概念

SCADA是指控制和监控整个站点的集中式系统，或者是大面积扩展的复杂系统。几乎所有的控制动作由远程终端单元（RTU）或可编程逻辑控制器（PLC）自动执行。对主机控制功能的限制是监督级干预或基本覆盖。例如，PLC（在工业过程中）控制冷却水的流动，SCADA系统允许记录与报警条件和流量设定点（如高温，流量损失等）有关的任何变化记录并显示。

数据采集从PLC或RTU级开始，包括设备状态报告和仪表读数。然后，数据格式化，使得控制室的操作员可以通过使用HMI使监督决定覆盖或调整正常的PLC（RTU）控制。

SCADA系统主要实现称为标签数据库的分布式数据库，其中包含称为点或标签的数据元素。点是由系统控制或监视的单个输出或输入值。点是“软”或“硬”。

系统的实际输出或输入由硬点表示，而软点是应用于其他点的不同数学和逻辑运算的结果。这些点通常存储为时间戳值对。时间戳值对的系列给出了特定点的历史。使用标签存储额外的元数据是常见的（这些附加数据可以包括对设计时间的注释，报警信息，现场设备或PLC寄存器的路径）。

人机接口

HMI或人机界面是将经处理的数据提供给操作人员的装置。人类操作员使用HMI来控制过程。

HMI连接到SCADA系统的数据库，提供诊断数据，管理信息和趋势信息，如物流信息，特定机器或传感器的详细原理图，维护步骤和故障排除指南。

HMI向操作人员提供的信息是图形化的，以模拟图的形式。这意味着被控制的工厂的示意图可供操作者使用。例如，连接到管道的泵的图片显示该泵正在运行，并且还显示了在特定时刻通过管道泵送的流体的量。然后可以由操作员关闭泵。 HMI的软件实时显示管道中流体流量的下降。模拟图包括具有动画符号的过程设备的数字照片，或代表各种过程元素的原理图符号和线图。

SCADA系统的HMI软件包由系统维护人员或操作员使用的绘图程序组成，以更改接口中这些点的表示。这些表示可以像代表该地区实际交通信号灯状态的屏幕上的交通信号灯一样简单，或复杂，像代表摩天大楼铁路或电梯上所有列车的位置的多投影机显示。

SCADA系统通常用于报警系统。报警只有两个数字状态点，值为ALARM或NORMAL。当满足报警的要求时，激活将开始。例如，当汽车的燃油箱为空时，报警被激活并且光信号被打开。要警告SCADA操作员和管理员，发送短信和电子邮件以及报警激活。

SCADA硬件

SCADA系统可能具有分布式控制系统的组件。执行简单的逻辑过程而不涉及主计算机是可能的，因为使用“智能”PLC或RTU。（梯形图逻辑）（这是功能块编程语言，通常用于创建在PLC和RTU上运行的程序。 ）IEC 61131-3具有非常少的培训要求，与程序语言（如FORTRAN和C编程语言）不同。 SCADA系统工程师可以执行在PLC或RTU上执行的程序的实现和设计。紧凑型控制器，可编程自动化控制器（PAC），将基于PC的控制系统的功能和特性与典型的PLC相结合。 “分布式RTU”在各种变电站SCADA应用中，使用站台计算机或信息处理器与PAC，保护继电器和其他I / O设备进行通信。

自1998年以来，几乎所有大型PLC制造商都提供集成的HMI / SCADA系统。其中许多都在使用非专有和开放的通信协议。许多熟练的第三方HMI / SCADA包已经进入市场，提供与几个主要PLC的内置兼容性，允许电气工程师，机械工程师或技术人员独立配置HMI，而无需软件开发人员编写的定制程序。

远程终端单元