工控系統(tǒng) SCADA系統(tǒng)簡(jiǎn)介
監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集- SCADA是指用于控制基礎(chǔ)設(shè)施流程（水處理，污水處理，天然氣管道，風(fēng)電場(chǎng)等）的ICS（工業(yè)控制系統(tǒng)），基于設(shè)施的過(guò)程（機(jī)場(chǎng)，空間站，船舶等） ）或工業(yè)流程（生產(chǎn)，制造，精煉，發(fā)電等）。
以下子系統(tǒng)通常存在于SCADA系統(tǒng)中：
?操作人員使用的儀器;所有處理的數(shù)據(jù)都被呈現(xiàn)給操作員
?監(jiān)督系統(tǒng)，收集有關(guān)流程的所有必要數(shù)據(jù)
?連接到過(guò)程傳感器的遠(yuǎn)程終端單元（RTU），有助于將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控流。
?可編程邏輯控制器（PLC）用作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備
?通信基礎(chǔ)設(shè)施將遠(yuǎn)程終端單元連接到監(jiān)控系統(tǒng)。
一般來(lái)說(shuō)，SCADA系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)控制進(jìn)程 - 它通常是指實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)進(jìn)程的系統(tǒng)。
SCADA系統(tǒng)概念
SCADA是指控制和監(jiān)控整個(gè)站點(diǎn)的集中式系統(tǒng)，或者是大面積擴(kuò)展的復(fù)雜系統(tǒng)。幾乎所有的控制動(dòng)作由遠(yuǎn)程終端單元（RTU）或可編程邏輯控制器（PLC）自動(dòng)執(zhí)行。對(duì)主機(jī)控制功能的限制是監(jiān)督級(jí)干預(yù)或基本覆蓋。例如，PLC（在工業(yè)過(guò)程中）控制冷卻水的流動(dòng)，SCADA系統(tǒng)允許記錄與報(bào)警條件和流量設(shè)定點(diǎn)（如高溫，流量損失等）有關(guān)的任何變化記錄并顯示。
數(shù)據(jù)采集從PLC或RTU級(jí)開(kāi)始，包括設(shè)備狀態(tài)報(bào)告和儀表讀數(shù)。然后，數(shù)據(jù)格式化，使得控制室的操作員可以通過(guò)使用HMI使監(jiān)督?jīng)Q定覆蓋或調(diào)整正常的PLC（RTU）控制。
SCADA系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)稱為標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包含稱為點(diǎn)或標(biāo)簽的數(shù)據(jù)元素。點(diǎn)是由系統(tǒng)控制或監(jiān)視的單個(gè)輸出或輸入值。點(diǎn)是“軟”或“硬”。
系統(tǒng)的實(shí)際輸出或輸入由硬點(diǎn)表示，而軟點(diǎn)是應(yīng)用于其他點(diǎn)的不同數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算的結(jié)果。這些點(diǎn)通常存儲(chǔ)為時(shí)間戳值對(duì)。時(shí)間戳值對(duì)的系列給出了特定點(diǎn)的歷史。使用標(biāo)簽存儲(chǔ)額外的元數(shù)據(jù)是常見(jiàn)的（這些附加數(shù)據(jù)可以包括對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)間的注釋，報(bào)警信息，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或PLC寄存器的路徑）。
人機(jī)接口
HMI或人機(jī)界面是將經(jīng)處理的數(shù)據(jù)提供給操作人員的裝置。人類操作員使用HMI來(lái)控制過(guò)程。
HMI連接到SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，提供診斷數(shù)據(jù)，管理信息和趨勢(shì)信息，如物流信息，特定機(jī)器或傳感器的詳細(xì)原理圖，維護(hù)步驟和故障排除指南。
HMI向操作人員提供的信息是圖形化的，以模擬圖的形式。這意味著被控制的工廠的示意圖可供操作者使用。例如，連接到管道的泵的圖片顯示該泵正在運(yùn)行，并且還顯示了在特定時(shí)刻通過(guò)管道泵送的流體的量。然后可以由操作員關(guān)閉泵。 HMI的軟件實(shí)時(shí)顯示管道中流體流量的下降。模擬圖包括具有動(dòng)畫(huà)符號(hào)的過(guò)程設(shè)備的數(shù)字照片，或代表各種過(guò)程元素的原理圖符號(hào)和線圖。
SCADA系統(tǒng)的HMI軟件包由系統(tǒng)維護(hù)人員或操作員使用的繪圖程序組成，以更改接口中這些點(diǎn)的表示。這些表示可以像代表該地區(qū)實(shí)際交通信號(hào)燈狀態(tài)的屏幕上的交通信號(hào)燈一樣簡(jiǎn)單，或復(fù)雜，像代表摩天大樓鐵路或電梯上所有列車的位置的多投影機(jī)顯示。
SCADA系統(tǒng)通常用于報(bào)警系統(tǒng)。報(bào)警只有兩個(gè)數(shù)字狀態(tài)點(diǎn)，值為ALARM或NORMAL。當(dāng)滿足報(bào)警的要求時(shí)，激活將開(kāi)始。例如，當(dāng)汽車的燃油箱為空時(shí)，報(bào)警被激活并且光信號(hào)被打開(kāi)。要警告SCADA操作員和管理員，發(fā)送短信和電子郵件以及報(bào)警激活。
SCADA硬件
SCADA系統(tǒng)可能具有分布式控制系統(tǒng)的組件。執(zhí)行簡(jiǎn)單的邏輯過(guò)程而不涉及主計(jì)算機(jī)是可能的，因?yàn)槭褂谩爸悄堋盤(pán)LC或RTU。（梯形圖邏輯）（這是功能塊編程語(yǔ)言，通常用于創(chuàng)建在PLC和RTU上運(yùn)行的程序。 ）IEC 61131-3具有非常少的培訓(xùn)要求，與程序語(yǔ)言（如FORTRAN和C編程語(yǔ)言）不同。 SCADA系統(tǒng)工程師可以執(zhí)行在PLC或RTU上執(zhí)行的程序的實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)。緊湊型控制器，可編程自動(dòng)化控制器（PAC），將基于PC的控制系統(tǒng)的功能和特性與典型的PLC相結(jié)合。 “分布式RTU”在各種變電站SCADA應(yīng)用中，使用站臺(tái)計(jì)算機(jī)或信息處理器與PAC，保護(hù)繼電器和其他I / O設(shè)備進(jìn)行通信。
自1998年以來(lái)，幾乎所有大型PLC制造商都提供集成的HMI / SCADA系統(tǒng)。其中許多都在使用非專有和開(kāi)放的通信協(xié)議。許多熟練的第三方HMI / SCADA包已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，提供與幾個(gè)主要PLC的內(nèi)置兼容性，允許電氣工程師，機(jī)械工程師或技術(shù)人員獨(dú)立配置HMI，而無(wú)需軟件開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)的定制程序。
遠(yuǎn)程終端單元（RTU）
RTU連接到物理設(shè)備。通常，RTU將來(lái)自設(shè)備的所有電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，例如閥或開(kāi)關(guān)的狀態(tài) - 打開(kāi)/關(guān)閉狀態(tài)，或流量，壓力，電流或電壓等測(cè)量值。通過(guò)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換和發(fā)送到設(shè)備，RTU可以控制設(shè)備，如關(guān)閉或打開(kāi)閥門(mén)或開(kāi)關(guān)，或設(shè)置泵的速度。
監(jiān)控站
“監(jiān)控站”是指負(fù)責(zé)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（PLC，RTU等）進(jìn)行通信的軟件和服務(wù)器，之后是在控制室或其他地方的工作站上運(yùn)行的HMI軟件。主站只能由一臺(tái)PC（小型SCADA系統(tǒng)）組成。主站可以在較大的SCADA系統(tǒng)中擁有多個(gè)服務(wù)器，災(zāi)難恢復(fù)站點(diǎn)和分布式軟件應(yīng)用程序。為了提高系統(tǒng)完整性，多個(gè)服務(wù)器偶爾會(huì)配置為熱備份或雙冗余組合，從而在服務(wù)器故障期間提供監(jiān)控和持續(xù)控制。
SCADA操作哲學(xué)
控制系統(tǒng)故障所產(chǎn)生的成本非常高。即使生命也許會(huì)迷失。對(duì)于幾個(gè)SCADA系統(tǒng)，硬件具有堅(jiān)固耐用性，可以承受溫度，電壓和振動(dòng)極限，并且在許多關(guān)鍵安裝中通過(guò)包括通信通道和冗余硬件來(lái)提高可靠性?？梢宰R(shí)別失敗的部分，并通過(guò)備份硬件自動(dòng)執(zhí)行功能。它可以被替換，而不會(huì)中斷進(jìn)程。
通信方法與基礎(chǔ)設(shè)施
SCADA系統(tǒng)最初使用調(diào)制解調(diào)器連接或直接和無(wú)線串行的組合來(lái)滿足通信要求，即使SONET / SDH上的IP和以太網(wǎng)也可以用于較大的站點(diǎn)，如發(fā)電站和鐵路。 SCADA系統(tǒng)的監(jiān)控功能或遠(yuǎn)程管理稱為遙測(cè)。
SCADA協(xié)議被設(shè)計(jì)為非常緊湊，并且只有當(dāng)主站輪詢RTU時(shí)才將信息發(fā)送到主站。通常，SCADA協(xié)議的遺留包括Conitel，Profibus，Modbus RTU和RP-570。這些通信協(xié)議特別是SCADA供應(yīng)商。標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是IEC 61850，DNP3和IEC 60870-5-101或104.這些協(xié)議被所有大型SCADA廠商認(rèn)可和標(biāo)準(zhǔn)化。這些協(xié)議中有幾個(gè)具有通過(guò)TCP / IP進(jìn)行操作的擴(kuò)展。
許多自動(dòng)控制器設(shè)備和RTU的開(kāi)發(fā)在互操作性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)之前已經(jīng)開(kāi)始。
為了更好地在不同的軟件和硬件之間進(jìn)行通信，過(guò)程控制的PLE是一種被廣泛接受的解決方案，允許最初不打算成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)一部分的設(shè)備之間進(jìn)行通信。
SCADA架構(gòu)
整體：第一代
在第一代，大型機(jī)系統(tǒng)被用于計(jì)算。在開(kāi)發(fā)SCADA時(shí)，網(wǎng)絡(luò)不存在。因此，SCADA系統(tǒng)與其他系統(tǒng)沒(méi)有任何連接，意味著它們是獨(dú)立系統(tǒng)。后來(lái)，RTU供應(yīng)商設(shè)計(jì)了有助于與RTU通信的廣域網(wǎng)。當(dāng)時(shí)的通信協(xié)議的使用是專有的。如果主機(jī)系統(tǒng)失敗，則有一臺(tái)備用主機(jī)，連接在總線上。
分布式：第二代
多臺(tái)站之間的信息通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)時(shí)共享，處理分布在各個(gè)站之間。與第一代相比，車站的成本和規(guī)模都有所減少。用于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議仍然是專有的，這導(dǎo)致了SCADA系統(tǒng)的許多安全問(wèn)題。由于協(xié)議的專有性質(zhì)，實(shí)際上很少有人知道SCADA安裝的安全性。
網(wǎng)絡(luò)化：第三代
今天使用的SCADA系統(tǒng)屬于這一代。系統(tǒng)與主站之間的通信通過(guò)WAN協(xié)議（IP協(xié)議）完成。由于使用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)化SCADA系統(tǒng)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行訪問(wèn)，因此系統(tǒng)的脆弱性增加。然而，安全技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的使用意味著可以在SCADA系統(tǒng)中應(yīng)用安全性改進(jìn)。
SCADA趨勢(shì)
在20世紀(jì)90年代末，而不是使用RS-485，制造商使用諸如Modbus ASCII和Modbus RTU之類的開(kāi)放式消息結(jié)構(gòu)（均由Modicon開(kāi)發(fā)）。到2000年，幾乎所有的I O制造商都提供完全開(kāi)放的接口，如Modbus TCP，而不是IP和以太網(wǎng)。
SCADA系統(tǒng)現(xiàn)在符合標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。舊的專有標(biāo)準(zhǔn)正在被TCP / IP和以太網(wǎng)協(xié)議所取代。然而，由于基于幀的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的某些特性，以太網(wǎng)已被HMI SCADA的大多數(shù)市場(chǎng)所接受。
使用XML Web服務(wù)和其他現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的“下一代”協(xié)議使自身更易于IT支持。這些協(xié)議的幾個(gè)例子包括Wonderware的SuiteLink，GE Fanuc的Proficy，I Gear的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)用程序，羅克韋爾自動(dòng)化的FactoryTalk和OPC-UA。
一些供應(yīng)商已經(jīng)開(kāi)始提供托管在互聯(lián)網(wǎng)上的遠(yuǎn)程平臺(tái)上的特定于應(yīng)用程序的SCADA系統(tǒng)。因此，無(wú)需在用戶端設(shè)備上安裝系統(tǒng)。主要關(guān)注的是互聯(lián)網(wǎng)連接的可靠性，安全性和延遲。
SCADA系統(tǒng)日益變得無(wú)所不在。但是，仍然存在一些安全問(wèn)題。
SCADA安全問(wèn)題
正在質(zhì)疑基于SCADA的系統(tǒng)的安全性，因?yàn)樗鼈兪蔷W(wǎng)絡(luò)恐怖主義/網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)爭(zhēng)攻擊的潛在目標(biāo)。
有一個(gè)錯(cuò)誤的信念，SCADA網(wǎng)絡(luò)是安全的，因?yàn)樗鼈兪俏锢肀Ｗo(hù)的。也錯(cuò)誤地認(rèn)為SCADA網(wǎng)絡(luò)足夠安全，因?yàn)樗鼈兣c互聯(lián)網(wǎng)斷開(kāi)連接。
SCADA系統(tǒng)還用于監(jiān)測(cè)和控制物流過(guò)程，如現(xiàn)代社會(huì)使用的水分配，交通信號(hào)燈，電力傳輸，天然氣運(yùn)輸和油管等系統(tǒng)。安全是非常重要的，因?yàn)橄到y(tǒng)的破壞會(huì)產(chǎn)生非常糟糕的后果。
有兩個(gè)主要的威脅。第一個(gè)是未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)軟件，無(wú)論是人為訪問(wèn)還是故意引起的更改，病毒感染或其他可能影響控制主機(jī)的問(wèn)題。第二種威脅與主機(jī)SCADA設(shè)備的網(wǎng)段的數(shù)據(jù)包接入有關(guān)。在許多情況下，實(shí)際的分組控制協(xié)議的安全性仍然較低或者沒(méi)有;因此，任何向SCADA設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的人都可以控制它。通常，SCADA用戶推斷VPN具有充分的保護(hù)，并且對(duì)于與SCADA相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和插座的物理訪問(wèn)提供了繞過(guò)控制軟件和控制SCADA網(wǎng)絡(luò)的安全性的能力。
SCADA供應(yīng)商正在通過(guò)為基于TCP / IP的SCADA網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)專門(mén)的工業(yè)VPN和防火墻解決方案來(lái)解決這些風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于能夠防止未經(jīng)授權(quán)的應(yīng)用程序更改，白名單解決方案已經(jīng)實(shí)施。
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