新兴技术与SCADA系统应用融合的前景分析

中国石油西南油气田分公司川中油气矿 何益萍

北京安控科技股份有限公司 王彬

1 引言

随着第三代SCADA系统的逐渐演进，越来越多的新技术应用到SCADA系统中，结合这些最新的技术趋势，系统将向着越来越开放的体系结构发展。在这些新技术趋势中，物联网、云计算对SCADA 系统的影响最为巨大，也是最值得期待的一个发展方向。但物联网和云计算技术也在发展的初级阶段，尤其物联网的技术标准远未到成熟稳定的阶段，所以在传统SCADA系统在进行这些新技术融合的过程中常出现一些结合点的困惑，甚至是方向性的迷茫，在市场的应用领域也缺乏全面实质性的进展，本文旨在厘清三者之间的关系，并对其技术融合的关键节点和前景进行了分析和阐述，并对SCADA的发展方向做一个粗浅的探索。

2 SCADA系统发展历程

SCADA(Supervisory control and Data Acquisition)系统，即数据采集与监控系统，它是以计算机技术、网络技术和自动化技术为基础的生产过程控制与调度自动化系统。系统通过对站场运行设备和工况的监督和控制，以实现数据采集、设备控制、状态检测、参数调节以及各类信号报警、历史数据查询等多项功能。

目前，SCADA系统架构经历了三代的发展，有单独型SCADA系统；分散型SCADA系统；网络型SCADA系统。第一代的SCADA系统都是单独型，其特征是：主计算机处理和存储数据；SCADA都是独立系统，不与其他系统相连接。第二代SCADA是分散型系统，多个RTU站通过局域网相连接，其特征是：分散处理，即每个站都执行其特定的数据采集监控任务，但大多数仍采用专用网络通信协议。第三代SCADA是网络型系统，其特征是：运用开放的体系结构，而非由供应商控制的专用环境。SCADA系统利用开放的标准和协议，在主站和各种各样的通信设备中进行通信。

3 SCADA与新技术的融合

3.1 SCADA系统与云计算

3.1.1 云计算概述

云计算已经变得越来越普及，但对于SCADA系统应用来说，它仍是一种前沿技术。云计算（英语：Cloud Computing），是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需提供给计算机和其他设备。

云计算是继1980年代大型计算机到客户端-服务器的大转变之后的又一种巨变。用户不再需要了解“云”中基础设施的细节，不必具有相应的专业知识，也无需直接进行控制。云计算描述了一种基于互联网的新的IT服务增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展而且经常是虚拟化的资源。

云其实是网络、互联网的一种比喻说法。因为过去往往用云来表示电信网，后来也用来表示互联网和底层基础设施的抽象。典型的云计算提供商往往提供通用的网络业务应用，可以通过浏览器等软件或者其他Web服务来访问，而软件和数据都存储在服务器上。

3.1.2 传统的SCADA体系结构

在传统的SCADA系统搭建中，一般采用客户/服务器体系结构。最典型的系统结构如图1所示。

图1 最典型的系统结构

传统的SCADA系统习惯上分为三部分，一是下位机，侧重采集控制；二是上位机，侧重监视功能；三是通信网路，实现上下位机的数据交换。

下位机：直接控制设备获取设备状况数据的控制器，一般指PLC/RTU/DCS等，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，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。这类控制器由电源、中央处理单元(CPU)、存储器、输入输出接口电路、功能及通信模块组成，可以通过点到点方式连接，也可以以总线方式连接到上位机，点到点连接一般通过串口(RS232)，总线方式可以是RS485，以太网等连接方式由下位机提供。

上位机：一般是PC机、服务器等，在上位机安装SCADA监控软件，即组态软件，从而实现与下位机的交互(通信、数据交换等)功能，组态软件有很多任务组成，每个任务完成特定的功能。位于一个或多个机器上的服务器负责数据采集，数据处理（如量程转换、滤波、报警检查、计算、事件记录、历史存储、执行用户脚本等），服务器间可以相互通讯。有些系统将服务器进一步单独划分成若干专门服务器，如报警服务器，记录服务器，历史服务器，登录服务器等。各服务器逻辑上作为统一整体，但物理上可能放置在不同的机器上。

通信网络：SCADA系统中的通信分为内部通信、与I/O设备通信、和外界通信。客户端与服务器间以及服务器与服务器间一般有三种通信形式，请求式、订阅式与广播式。设备驱动程序与I/O设备通讯一般采用请求式，大多数设备都支持这种通讯方式，当然也有的设备支持主动发送方式，采用物理通信链路一般有RS485/RS232、无线电台、卫星、GPRS/CDMA等方式。SCADA可通过多种方式与外界通信，如OPC、DDE、ODBC等，一般组态软件都提供OPC服务，第三方应用系统可使用客户端方式与OPC服务器进行通讯，上位机之间的通信一般是基于以太网的。

3.1.3 基于云计算的SCADA体系结构

云计算技术的迅速发展深远地影响着SCADA系统几十年不变的体系结构，在现在大型的SCADA系统中采用物联网架构和架设云计算平台将会体验到新技术带来的高性能、跨平台、高安全、易部署等令人激动的新特性。图2展现的是采用物联网的体系结构，SCADA中心采用云计算平台作为数据及业务的支撑而搭建起来的大型分布式体系结构。

图2 采用物联网的体系结构

基于云计算平台，SCADA中心的建设能够显著地减少成本(维护成本和基础设施成本)，获得更高的可靠性和更强大的功能。除了免除IT基础设施硬件层面上的花费和问题，基于云技术的SCADA系统还能使用户在智能手机和平板电脑之类的终端设备上浏览数据。

SCADA中心云平台建设可以公有也可以私有。公有云基础设施可由一个组织所有，并以公共服务的形式提供给公众。私有云基础设施仅针对特定客户提供服务，它可能由客户或者第三方管理，它可以存在于内部，也可以存在于外部。混合云由私有云和公有云组成，两者分别都是独立的实体，但是通过标准化的技术或者专利技术相互连接，实现数据和应用的便携性。在SCADA系统的云应用上可以建立企业私有云，在适当条件下或者技术更为成熟时可建立混合云。基于私有云的SCADA中心建设组成结构图如图3所示.

图3 基于私有云的SCADA中心建设组成结构图

在基础设施云建设上可以通过多服务器虚拟化技术来实现，其优势是企业无须购买那些可能永远都不会用到的SCADA冗余硬件和软件授权或者灾难恢复站点。相反，他们可以在需要的时候并且仅在需要的时候再获取新的资源，否则企业就需要管理IT基础设施，增加的费用会相当可观。如果企业将这些任务搭载在云上，那么节省将是巨大的。

在平台及服务的建设上，可以通过部署大型的实时数据库、关系数据库或其他键值数据源等，在此基础之上再将数据访问接口进行封装，加以权限认证，形成一致性访问的数据总线接口，从而实现抽象服务，统一平台。

在设施云提供强大的计算能力和存储能力的基础上，再由平台云提供一致性数据总线接口，其他第三方用户可根据专业划分的不同基于平台云建立各种软件服务，如数据访问、智能分析、仿真、报警等，基于不同角色的用户使用不同的软件服务，从而实现软件云。

图4是一个基于云计算平台的SCADA数据服务中心的软件部署方案。

3.2 SCADA系统与物联网

3.2.1 物联网概述

图4 基于云计算平台的SCADA数据服务中心的软件部署方案

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

3.2.2 物联网与传统SCADA的关系

要想弄清传统SCADA和物联网之间的关系，我们可以先了解一下物联网中物的定义：

要有数据传输通路；

要有一定的存储功能；

要有CPU；

要有操作系统；

要有专门的应用程序；

遵循物联网的通信协议；

在世界网络中有可被识别的唯一编号。在目前的SCADA系统中，如果我们把下位机控制器(PLC/RTU)和仪表系统看成一个物的话，可以发现除了第7项不能满足外，其余的基本都能满足物联网中物的定义。控制器有CPU，有存储功能，也有实时的操作系统，在控制器内部也运行着专门的监控应用程序，与其他系统之间也具备多样数据传输通路，如光缆、Zigbee、电台、GPRS/3G、无线网桥、卫星等通讯链路，通信协议虽然目前不一定支持物联网，但一些新型的通信协议如无线HART等都是以物联网为方向的。即使第7项暂时不能满足，也可以通过控制器的MAC地址或者其他通信ID进行唯一性辨识。通过以上分析我们可以看出，其实传统的SCADA系统就是物联网的雏形，也是物联网的其中一种表现形式，弄清楚这个我们也就明白SCADA系统在物联网中的定位和未来的发展方向。

3.2.3 物联网与云计算之间的关系

首先，物联网是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。

其次，物联网是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。

还有，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。

综上所述，物联网包含了三方面实现，感知、传输、智能应用，由于系统中分布了海量的传感器，每个传感器实时海量数据需要进行存储，存储的海量信息需要进行分析、加工处理，这就需要一个具备海量存储、高运算能力的一组软件服务作为整个物联网的核心服务支撑，所以，云计算技术的出现十分有效地为物联网提供了这个服务平台。

3.2.4 基于物联网的SCADA系统发展分析

（1）存储计算能力的边缘化

目前的SCADA系统中，“物”的存储与计算能力都是由控制器(PLC/RTU)来完成，但基于物联网的SCADA系统必须要求更多的“物”具备智能性，可以局限性地打个比方，某个压力传感器或者温度传感器都具备数据的采集、存储、处理能力，局部的传感器之间通过某种异构的开放协议进行通信，可互相协同工作，甚至是局部的开闭环控制等。

（2）物体间断性通信连接

当SCADA系统中的智能感知设备一旦发生物理移动、或者无线链路发生变化，智能感知设备将缓存脱离系统之外时的自身数据信息，在重新接入系统时将缓存数据上报到相关的物和系统中，有点类似于DCS 系统中的数据回填的功能。

（3）支持物体的移动和环境变化

在传统的SCADA系统中，设备状态及资产管理往往是通过关系数据库借助物资管理平台进行人工录入管理，而在物联网的架构下，所有的物能采集和记录自身的设备运行信息、位置信息(GIS)等功能，一旦发生变化，将通过通信网络主动上报到SCADA服务中心。

（4）支持网中网

SCADA系统中的智能感知设备之间将能自治、动态的组网，根据最佳链路选择最有网络进行物与物、物与系统之间通信。由于整个系统中可能存在多种异构网络，所以一个开放的、可扩展的基于异构通信链路的上下文通信协议将显得尤为重要。

（5）统一的标识技术

必须对SCADA系统中的每一个物进行统一标识，以便对物体进行区分和查找，这种标识的基本需求包括：对单个物体进行唯一标识；对某一类物品进行标识；对复合物体进行标识，而且复合物体包含多个组件，可合成、可拆分、可替换；支持虚拟物体。另外还需考虑其安全性，包括不透明的UID、匿名机制、标识的加解密技术。

（6）安全与隐私技术

一旦SCADA系统作为物联网的一部分接入到更大的系统中时，就涉及到商业机密和生产安全等方面的隐患，所以在SCADA系统向物联网融合的过程中，一定要阻止非授权实体的识别和跟踪，阻止未授权信息的访问，物体的位置以及数据的所有性等都需要进行考虑。

4 SCADA系统展望

除了物联网与云计算技术，其他新技术、新需求也引导着SCADA系统的发展方向。石化、轨道、电力等行业越来越迫切需要一个大型分布式SCADA系统来完成海量数据实时采集和监控、数据和模型相结合的实时智能化分析；厂矿企业也越来越需要SCADA系统、MES系统、ERP系统实现对接和融合，以便更好地为决策层服务；应急指挥中心更需要全方位多系统融合，如SCADA系统、GIS系统、视频监控系统、紧急物资管理系统等；德国西门子公司工业控制系统受到黑客制造的恶意代码攻击，这对SCADA系统的信息安全提出了更高的要求；具有标准化开放接口、跨平台等特性将促使IEC61131-5、OPC UA、WebService技术在SCADA系统中大量运用；更易升级部署的B/S架构、更丰富的人机界面展现形式将使Htm l5和3D技术运用于SCADA系统中。

智慧地球、智慧中国，通过物联网向各个领域的延伸，SCADA系统将迎来更大的发展机遇，未来的SCADA系统将不再局限于厂矿企业的生产应用领域，还将深入到我们每个人的日常生活中。