引言

       在SCADA 系統(tǒng)中加入實時的視頻流是未來的趨勢。SCADA圖形界面的基本元素是動畫，理論上講是按照采集的數(shù)據(jù)畫出來的，是“二手的”。 隨著計算機技術、通信技術和圖形壓縮技術的發(fā)展，如今已經可以把實時畫面集成到SCADA系統(tǒng)中了。

        監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集（SCADA）是一種用于控制過程的技術，它可以擴展到很長的距離。在很多工廠中，過程的不同部分距離中控室有非常遠的距離，而中控室的SCADA系統(tǒng)要經過分布式控制系統(tǒng)（DCS）讀取到相關數(shù)據(jù)。通?？刂七@些過程是相對簡單的，包括測量溫度/壓力/液位/流量、監(jiān)視報警、打開或者關閉閥門、啟動或者停止馬達、接通或者斷開開關、調整位于過程附近控制器的設定值。雖然這種控制并不復雜，但作用至關重要。而且，我們對這些過程信息的反應速度不是要求很高――反應時間不需要很快。如果這些情況是真實的，為什么SCADA系統(tǒng)還是這么受歡迎？

過程控制系統(tǒng)的定義

        很久以前，所有過程都是由人工來控制的。大多數(shù)工藝是“批處理”類型的過程。當時的情況是：用人工負責混合正確數(shù)量的原料成分放入罐中，然后把混合料加熱到設定溫度，再按照經驗的固定時間攪拌，最后冷卻輸出后生成產品。通常，如果每種原料成分的數(shù)量是正確的，混合攪拌的操作則具有個人偏好的特點，如對加熱所需溫度的估計，冷卻速度要考慮周圍的溫度影響等。

        后來，人們發(fā)現(xiàn)：產品的質量取決于誰在進行混合工作。在這之后的一段時間里，經驗決定了某個人混合的產品比另一個人混合的產品要更好。好的操作控制要經過不斷的實踐。溫度傳感器用于溫度的測量。機械的攪拌代替了人，使原料的混合更加均勻。對冷卻的變化率也進行了統(tǒng)計，可以選擇最佳的數(shù)值。進而言之，過程儀表的引進也提高了產品的質量。

        在這個時間段，控制這些因素的人轉換為讀取相關儀表的數(shù)據(jù)，然后手動調節(jié)燃料進給和攪拌速率，在正確的時間加入原料成分，按時除去熱源，最后用正確的速率提供正確溫度的冷卻水。在每個批處理生產完成后，操作人員還要對罐體進行清潔工作。 

        隨著過程儀表的改進，這種處理模式開始往一些更傳統(tǒng)的過程應用轉移，從“批處理”過程到“連續(xù)”過程。流動的物體現(xiàn)在可以向過程容器中加入，也可以從過程容器中輸出，而不需要暫停流程。通過調整設備的設定值，可以控制發(fā)電機的電壓和電流，而不需要停止發(fā)電機。材料可以加工成適當?shù)某叽?，而不用停止加工過程來測量尺寸是否正確。如果能夠正常地完成連續(xù)過程，這種處理結果極大地提高了生產量。但還需要操作員非常仔細地關注過程細節(jié)，因為過程值的偏離會影響產品的質量。

        下一步的發(fā)展集成了測量和控制功能。當混合物溫度過高時，用一臺控制器可以輕松完成減少燃料投放，它可以比操作員更好地完成工作，因為操作員有時會精力不集中。對產品溫度變化的控制也進行了增強，可以在預定時間后，使加熱設備斷開熱源，甚至可以增加設備提供冷卻水進行降溫。操作員的功能變成了對所有設備的監(jiān)視員，以確保設備正確無誤地工作。當操作員不再被一個過程連續(xù)地占據(jù)時，管理人員可以把兩個或者三個過程指派給一個操作員?？刂圃O備也從一個角落變成了整個房間，專門從事過程的控制。從過程到中控室增加的距離，也意味著氣動和液壓管線會形成更大的花銷，而使用一對電線，專門傳送一個信號可以來替代管線。

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離舒適還很遠

        總有一些過程是需要操作員參與的，但不是經常?？紤]到水電站或者農業(yè)灌溉系統(tǒng)，它們可以運行多日而不需要操作員的干預，但在啟動或者停止發(fā)電站或者灌溉設備時，必須要有操作員來開閥門或者閉閥門。再考慮一個油田，那里生產的原油必須經過一個專用的管道實現(xiàn)轉移，這個過程需要進行計量，好知道傳送了多少油、水和/或天然氣。在這種情況下，操作員必須在幾分鐘里完成必要的操作，而真正實現(xiàn)原油的轉移則需要幾個小時。

        直至大約50年前，當時的技術還不能提供遠程監(jiān)視和控制。人們不得不在一個過程的本地，或者他們不得不駕駛汽車從一個地方到另一個地方，去采集相關數(shù)據(jù)，而且要有足夠的經常才能有效。爾后，使用專用電纜，通常是租用電話公司的，簡單使用在遠程區(qū)域中傳感器的開關狀態(tài)，把變化傳送到了中控室，使操作員知道現(xiàn)場發(fā)生了什么情況。一開始，數(shù)據(jù)流動的方向是單向的，通常從現(xiàn)場到中控室。由于是一個方向，所以這還不是SCADA系統(tǒng)，它只是簡單的遙測系統(tǒng)。

        在使用無線電信號之前的一段時間里，從遠程區(qū)域到中控室都使用這種遙測數(shù)據(jù)。然而，早期系統(tǒng)的速度有時非常緩慢，每兩分鐘或三分鐘才能傳送1個位，并且缺少通信的可靠性技術，系統(tǒng)需要接收多個實例信號，然后對它們進行比較，才能判斷接收的不只是噪聲。針對系統(tǒng)的這種問題，也進行了專門的研究，問題已經得到了解決。因為對通信介質的感抗和容抗有不同反應，引起了信號的扭曲和變形，所以限制了信號的傳送距離，這已經成為了共識。軍事和航空項目是使用遙測技術的先行者，他們證實了數(shù)字信號可以成功地傳送，而且可以傳送更遠的距離。另外，數(shù)字信號可以在信息的結尾附加一個短內容，它可以指示在傳輸過程中是否發(fā)生錯誤。

        最后，人們產生了是否可以通過發(fā)送指令，把現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集起來的想法。把所有上述的內容結合到一起之后，最終成就了SCADA系統(tǒng)的誕生。

為什么不叫CADA?

        自從我們初始定義描述的SCADA作為一個工具是“…控制過程，延伸更遠…，”它似乎應該稱之為“控制和數(shù)據(jù)采集”或者CADA更合情理。我們?yōu)槭裁礇]有這樣稱呼它的原因是基于這樣的認知：即SCADA系統(tǒng)的通信缺乏可靠性。在地域不大的小過程，像精煉廠、水泥廠和發(fā)電站，從中央控制器到每個傳感器和執(zhí)行器，建廠時都有專用的電纜。這些通信通道的可靠性是非常高的。對于像這種情況的過程，我們可以下這樣的賭注，即執(zhí)行器的位置完全按照控制器發(fā)出的指令執(zhí)行。我們可以依靠來自中央控制器到執(zhí)行器的連續(xù)控制信號。

        SCADA系統(tǒng)對于我們做的這種假設而言，還不足夠可靠，因為它們要依靠無線電和/或租用線路。作為替換，我們可以安排使用專用線路，但有時是有限制的，控制器位于過程很近的位置，我們要使用SCADA系統(tǒng)來更改這些控制器的設定值，作為一個管理人員，最好現(xiàn)場有一個人才這么做。如果通信系統(tǒng)導致更改設定值不成功，這也沒有什么了不得。更改結果的反饋信息會在下一個狀態(tài)報告時間、主站終端單元（MTU）中顯示，如果更改沒有發(fā)生，可以再次發(fā)送更改指令。

        考慮到有些事就像打開一個閥門這樣簡單。如果有一個操作員離這個閥門很近，這個操作員可以打開一個開關，中斷給閥門供氣電磁閥的電源。一個SCADA系統(tǒng)操作員能夠在中控室里打開這個開關。那個開關位置包括在發(fā)送到遠程終端單元（RTU）的指令之中。RTU可能接收指令并且存儲在存儲器的專門位置中，映射針對的閥門。幾乎馬上，閥門的電磁線圈電源被中斷，并且到閥門的空氣消失。閥門將關閉。在下一個掃描周期，RTU將發(fā)送所有閥門狀態(tài)指示。如果閥門正常移動，不需要做如何的動作。如果閥門移動失效，將產生一個報警，提醒操作員有閥門故障，可以進行指令的重新發(fā)送。

有限的功能

        SCADA 的功能是有限的。下面來看看SCADA 系統(tǒng)為我們做了什么事情：

        SCADA 系統(tǒng)收集狀態(tài)點的信息：狀態(tài)點是離散量，二進制值。一臺馬達是否在運行，或者處于停止；一臺通/斷的閥門是在打開的位置還是閉合的位置；電源處于有效狀態(tài)還是無效狀態(tài)。中控室的操作員需要知道所有設備的狀態(tài)，使過程能夠正常地運行。每個地方的設備狀態(tài)開關一般連接到最近的RTU。RTU存儲了每一個設備二進制數(shù)值表，以一或者零的格式，對應于每個設備的特定位置。當MTU 需要它們時，這些開關的狀態(tài)都會傳送給MTU。

        SCADA系統(tǒng)也可以收集模擬量值：模擬量的值比離散量值要復雜得多。一個模擬量可以告訴你閥門打開了多少，可以告訴你爐膛內的溫度有多高，還可以告訴你通過一個導體的電流有多大。當收集純模擬量值時，需要把物理量轉換成標準的模擬量，諸如4－20毫安電流或者1－5伏電壓，然后再轉換成不同位數(shù)的數(shù)字量值（根據(jù)精度要求），存儲在RTU中，每個RTU都有時間標簽，當MTU需要它們時，就發(fā)送給MTU。

        SCADA系統(tǒng)還收集累計數(shù)據(jù)：在每一個分布過程的位置，使用一些非常簡單地測量來指示生產情況。如：發(fā)電站測量的功率乘以時間轉換成能量；灌溉測量站測量的流速累計了時間后變成流量；管線輸入站測量產品雜質，在集成了時間后，換算出平均的雜質水平等。這些累計值是采樣值，轉換成大于一位的數(shù)字量值，存儲于每個RTU，當MTU需要它們時，就傳送給MTU。

        SCADA 系統(tǒng)監(jiān)視報警：報警要比狀態(tài)點復雜得多。對于某些報警，諸如一個火焰或者闖入報警，報警指出的現(xiàn)場位置也應該有相同的狀態(tài)點，某個開關的狀態(tài)總是蘊含著一個報警條件。為了提供更多的信息，只知道設備的一小塊狀態(tài)還不夠。這些功能報警只是一個提示，指出設備的狀態(tài)與操作員期望的或者命令的不一樣。對于這些信息，指示的現(xiàn)場也應該有相同狀態(tài)點，從邏輯上說，即在遠程站或在主站，必須解釋開關位置含意，并且與命令要求的內容進行比較，判斷報警是否真的存在。對于已有的報警，現(xiàn)場指示還應該有模擬量測量，報警條件僅當測量值與期望值在MTU比較后，才會給出。

        SCADA系統(tǒng)允許監(jiān)督控制：SCADA系統(tǒng)允許位于中控室的操作員使用連接到MTU的人機界面（HMI）改變位于遠程現(xiàn)場簡單過程控制器的設定值。這些設定值不僅針對那臺RTU，也針對那臺RTU連接的特定控制器?？刂破骺梢允俏挥赗TU附近設備的分離部分，或者是RTU本身的一部分功能。

        控制器是控制系統(tǒng)的一部分，基于接收來自MTU的設定值，控制器對過程執(zhí)行器提供了一個連續(xù)信號。另外，控制器或者執(zhí)行器將通過RTU對MTU返回一個報告，告訴操作員現(xiàn)場發(fā)生了哪些情況。

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在RTU端的HMI

        對于中控室有人進行操作的情況不同，在某些遠程位置有人操作，在某些地方是無人操作的。如果遠程位置有人操作，設備可以用人工啟動。在現(xiàn)場，RTU通常會把設備運行情況告訴操作員，過程發(fā)生了什么，并且允許操作員對過程進行調整，這就是在RTU的HMI。

        這種HMI的復雜程度會根據(jù)過程的復雜程度而變化，也會依據(jù)操作員使用它的頻率而變化。對于非常簡單的過程，只有不多的輸入點和輸出點，HMI可能就是一些燈和/或者電氣儀表，告知操作員現(xiàn)場情況，而且有一些開關和/或者電位器可供操作員調整過程設備。這種類型的HMI可以通過或者不通過HMI進行操作。

        對于比較復雜的過程和那些需要有操作員操作過程的情況，HMI有可能是比較復雜和昂貴的。它需要有一個圖形顯示器，與分布式控制系統(tǒng)的圖形用戶界面差不多，采用完全的觸摸屏，有多個過程和趨勢頁面，報警提示和記錄，可能還有硬拷貝輸出。

        如果遠程位置是無人操作的，HMI可以與上述簡單的HMI類似，或者根本不存在。如果在現(xiàn)場沒有HMI，RTU端可以考慮配備一個筆記本電腦的接口，當需要操作員參與時，筆記本電腦可以做為一個HMI來使用。

在MTU 的HMI

        對于幾乎所有的SCADA系統(tǒng)，在MTU的位置端必須至少有一臺基于HMI的計算機。所有的MTU都建立在計算機的基礎之上；雖然早期的管線、電廠和灌溉SCADA系統(tǒng)具有整體的HMI燈光模擬顯示墻，現(xiàn)在大多都被計算機的顯示屏或者投影屏所取代，因為現(xiàn)在的技術可以提供更多的信息，并且效率更高。 

        每個遠程過程部分的設備分布圖會顯示在MTU 的HMI中。操作員可以調出每個過程的流程圖，當操作員對某個控制功能進行操作時，相應的流程圖可以通過編程自動地在屏幕中出現(xiàn)。在操作員的控制下，通過顏色編碼的閥門、馬達和其他過程組件會發(fā)生變化，通過圖形的不斷刷新，操作員可以了解過程的狀態(tài)。通過鼠標或者觸摸屏的控制，操作員可以容易地訪問過程，方便地調整過程參數(shù)。根據(jù)不同的危險級別，可對報警要采取不同的反應，在有些情況下，要對操作員實行手機呼叫。

過程和人員安全

        過程的控制是重要的，而某些特別的過程類型具有潛在的危險。使用緩慢、不可靠的通信系統(tǒng)，我們如何才能避免這種危險？

        保護的第一條防線就是必須不依靠通信系統(tǒng)。由SCADA監(jiān)視和控制的每個危險過程，必須在過程的現(xiàn)場裝有一套安全系統(tǒng)。在所有可能出現(xiàn)的情況，它必須有把過程轉移到安全狀態(tài)的能力，包括電源故障、電纜故障和傳感器故障。關于安全的話題，現(xiàn)在已經有了好多的信息可供我們參考，在這里就不多說了。

        當然，當安全系統(tǒng)把過程引入到了安全狀態(tài)，SCADA系統(tǒng)也能夠把這一情況通過通信系統(tǒng)報告給操作員。

用于很多工業(yè)的成熟技術

        除了早期技術開發(fā)的工業(yè)，60年代和70年代－石油和天然氣、發(fā)電輸電、鐵路、管線和灌溉－SCADA已經應用于很多量大、簡單的過程工業(yè)，并且通過遙測數(shù)據(jù)收集和簡單監(jiān)督控制的結合獲益。對于非常長距離的SCADA，很難想象對火星漫游者的監(jiān)督控制，通過地球端的計算機發(fā)送指令，驅動飛行器在另一個星球漫游。

SCADA如何工作

        過程控制器接收來自中控室的過程指令控制過程執(zhí)行，控制器的輸出控制過程執(zhí)行器。  當過程現(xiàn)場到控制器與中控室的距離太遠時，監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)需要專門的通信設備，使監(jiān)視和控制的工作仍然可以完成。

        操作員坐在人機界面（HMI）面前，負責對過程的運行進行監(jiān)督和控制。HMI連接到一個主站終端（MTU），MTU發(fā)送和接收經過數(shù)字編碼的信息與RTU溝通，監(jiān)視和監(jiān)督整個過程，有時距離會超過上千公里。過程傳感器或者執(zhí)行器的每次集中都連接到一個遠程終端單元（RTU）。SCADA系統(tǒng)通常由一個 MTU和多個（一個）RTU組成。

        SCADA 系統(tǒng)不必快速地通信。因為它們提供的是一個監(jiān)督功能，它們必須擴展至RTU，無論在什么方向。在RTU的位置可以改變設定值。RTU會發(fā)送反饋信息到MTU回送至操作員。這些信息表示了過程的當前狀態(tài)。

        系統(tǒng)數(shù)據(jù)必須考慮通信系統(tǒng)不一定可靠，并且在重要的時間周期內，可能沒有MTU和 RTU之間的通信。這可能需要增加相應的安全系統(tǒng)。

在SCADA中加入視頻
        在SCADA 系統(tǒng)中加入實時的視頻流是未來的趨勢。SCADA圖形界面的基本元素是動畫，理論上講是按照采集的數(shù)據(jù)畫出來的，是“二手的”。 隨著計算機技術、通信技術和圖形壓縮技術的發(fā)展，如今已經可以把實時畫面集成到SCADA系統(tǒng)中了。有些公司已經開發(fā)出嵌入視頻的SCADA軟件，可以集成視頻信號。和IP監(jiān)視攝像機一起使用，這種軟件提供了在重要的位置，捕捉和傳送重要信息的解決方案。視頻監(jiān)視可以使用Modbus協(xié)議和事件驅動技術，因而節(jié)省了帶寬。視頻可以在本地連續(xù)記錄和存儲。一旦探測到變化，會發(fā)出報警信息，附帶視頻“片段”，傳送到中控室，顯示在事件前后發(fā)生了什么情況。通過視頻的圖形顯示, 操作員能夠看到現(xiàn)場發(fā)生的真實畫面，而不需要派專人到報警現(xiàn)場進行調查。

        通過帶有視頻的SCADA主屏幕，用戶可以實時觀看視頻信息，當檢測到安全的威脅時，可以遠程控制攝像機，從而降低了成本，最大地利用現(xiàn)有資源。這樣，今天操作員所看到的畫面不再是“動畫”，而是“現(xiàn)場直播”了，使我們感到今天的SCADA系統(tǒng)，展示的監(jiān)視和控制更加的真實了。
 
        遠程視頻引擎和視頻控制中心之間的通信，可在過程現(xiàn)場和中控室之間進行，使用以太網(wǎng)或者串行鏈路Modbus等協(xié)議。視頻通過OPC接口連接到SCADA，視頻平臺的作用像OPC服務器，而SCADA像OPC客戶機。視頻報警、攝像機狀態(tài)、攝像機控制可以用SCADA通過OPC接口來實現(xiàn)。

        通過新的和現(xiàn)有的SCADA網(wǎng)絡，有些公司已經成功地實現(xiàn)了視頻監(jiān)視服務，開發(fā)過程和控制監(jiān)視全部無縫集成，進一步還可以實現(xiàn)現(xiàn)場資產的視頻監(jiān)視。視頻系統(tǒng)集成在SCADA中是一種性價比極高的選擇，達到了優(yōu)化SCADA系統(tǒng)的作用，為用戶節(jié)省了時間和費用，同時增加了安全，提高了運行效率。

（轉載）