在工业自动化中当需要使用各种设备时有必要了解其中设计的架构。设备以各种方式相互通信 - 通过硬件或通信在现场和控制室之间共享数据。哪个环节进入哪个连接是定义和解决所必需的一旦我们了解了架构那么我们就可以轻松地在系统中工作。

SCADA系统架构

在设计SCADA系统时了解其架构至关重要因为它是自动化的基本组成部分之一。SCADA应用程序通常在服务器上运行。台式计算机和屏幕等客户端可以通过将它们连接到服务器来充当 HMI。

由于PLC和RTU等操作设备也连接到服务器可以使用SCADA客户端来控制和监视操作。在这篇文章中我们将学习几种类型的SCADA系统架构如单片、分布式和网络化。

单片 SCADA 架构

单片SCADA架构是SCADA系统中使用的第一种也是最基本的架构类型。请参阅下图以了解。

单片SCADA架构由与RTU(远程终端单元)通信的单个SCADA系统组成。

RTU也是一种PLC但它没有自己的显示器主要通过无线协议进行通信。此外它还用于工厂中环境危险且无法进入的区域。

当SCADA系统首次开发时计算的概念通常集中在大型机系统上。网络通常不存在每个集中式系统都是孤立的。因此SCADA系统是独立的系统几乎没有与其他系统的连接。

为与远程终端单元 (RTU) 通信而实施的广域网 (WAN) 的设计只有一个目的在现场与 RTU 通信。此外目前使用的WAN协议在当时基本上是未知的。

SCADA网络中使用的通信协议由RTU设备供应商开发通常为独家拥有。此外这些协议通常非常局限并且几乎不允许远程设备内所需的扫描和控制点之外的任何功能。一般来说将其他类型的数据流量与网络中的RTU通信混合是不可行的。与SCADA主站的连接受到系统提供商的限制。与主站的连接通常在总线级别通过连接到中央处理器(CPU)背板的专利适配器或控制器进行。

分布式 SCADA 架构

第二代SCADA系统利用系统小型化和局域网(LAN)技术的发展和改进在多个系统之间分配处理。多个站点每个站点具有特定的功能连接到LAN并实时共享信息。

这些工作站通常是微型计算机类比第一代处理器更小更便宜。其中一些分布式站用作通信处理器主要与RTU等现场设备进行通信。有些用作操作员界面为系统操作员提供人机界面(HMI)。其他用作计算处理器或数据库服务器。SCADA系统的各个功能在多个系统中的分布为整个系统提供了比单个处理器更多的处理能力。连接这些单独系统的网络通常基于LAN协议无法超出本地环境的限制。

使用的一些LAN协议本质上是专利的其中提供商创建了自己的网络协议或其版本而不是从中提取现有的协议。这允许提供商针对实时流量优化其LAN协议但限制(或有效地消除)其他提供商与SCADA LAN的网络连接。该图显示了典型的第二代SCADA架构。

通过连接到网络的系统分配系统的功能不仅有助于提高处理能力还可以提高整个系统的冗余和可靠性。与许多第一代系统中使用的简单主/备用交换方案不同分布式架构通常使LAN上的所有站点始终处于在线状态。例如如果一个HMI站发生故障则可以使用另一个HMI站来操作系统而无需等待从主系统到辅助系统的故障转移。用于与现场设备通信的WAN并未因SCADA主站中本地站之间的LAN连接开发而发生重大修改。这些外部通信网络仍然仅限于RTU协议并且不可用于其他类型的网络流量。

网络化 SCADA 架构

当前一代SCADA主站的架构与第二代架构密切相关主要区别在于开放式系统架构而不是由提供商控制的专利环境。仍然有几个联网系统它们共享主站功能。仍有 RTU 使用提供商拥有的协议。第三代的主要改进是开放系统的架构使用标准和开放协议并通过WAN而不仅仅是LAN实现SCADA功能的分发。

开放标准消除了前几代SCADA系统的一系列限制。使用即用型系统使用户可以轻松地将第三方的外围设备(如显示器、打印机、磁盘驱动器、磁带驱动器等)连接到系统或网络。随着他们转向“开放”或“商用”系统SCADA提供商逐渐退出了硬件开发业务。这些提供商已转向康柏、惠普和太阳微系统等系统提供商因为他们在开发基本计算平台和操作系统软件方面拥有丰富的经验。这使得SCADA供应商能够将其开发集中在可以为系统增加特定价值的领域SCADA主站的软件。

第三代SCADA系统的主要改进来自WAN协议的使用例如用于主站和通信设备之间通信的互联网协议(IP)。这允许主站中负责与现场设备通信的部分通过广域网“正确”与主站分离。供应商现在正在生产可以通过以太网连接与主站通信的RTU。该图代表一个SCADA网络系统。

通过WAN分发SCADA功能带来的另一个优势是灾难生存能力。在第二代系统中SCADA处理在LAN上的分布提高了可靠性但是如果容纳SCADA主站的设施完全丢失则整个系统也可能丢失。通过将处理分布在物理上独立的位置可以构建一个SCADA系统该系统可以在任何一个位置的完全损失中幸存下来。对于一些将SCADA视为超关键职能的组织来说这是一个真正的好处。

通过这种方式位于其他国家某些偏远地区的SCADA系统也可以访问该系统并与之通信数据。这意味着SCADA系统现在不仅可以在单个工厂中使用还可以用于物理位置相距甚远的多个工厂。

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