如何制定一個適合的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)總體規(guī)劃

本文以供水和污水處理行業(yè)為例，探討如何制定一個適合的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)總體規(guī)劃，以確保企業(yè)實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的運營。

先進技術在當今的供水和污水處理行業(yè)中發(fā)揮的重要作用廣為人知。正確選擇和實施監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組件，對于確保設施運行的連續(xù)性和成功至關重要。

自動化基礎設施的過時，技術生命周期的縮短，網絡安全威脅的普遍存在，以及新一代用戶對智能技術的需求激增，不斷迫使現(xiàn)有SCADA 系統(tǒng)實施變革，這是公共和私營部門SCADA 總體規(guī)劃的共同驅動力。

SCADA總體規(guī)劃（簡稱SMP）通常由工廠流程、終端用戶的特定需求、預算限制、新的顛覆性技術范式的提升以及一些意想不到的挑戰(zhàn)（例如當前的新冠疫情）等決定，這需要更多無人監(jiān)督的智能控制和安全的遠程訪問。

SCADA總體規(guī)劃是什么？

SMP是一套系統(tǒng)的建議、工程文件和指南，為與SCADA 和自動化資產相關的資本支出項目制定設計框架和路線圖，以便在指定期限內執(zhí)行該項目。

在很多情況下，SMP 是由傳統(tǒng) SCADA基礎設施的限制和缺陷或為現(xiàn)有 SCADA 系統(tǒng)的最終生命周期結束做準備的必要性所驅動的。在其它情況下，SMP 屬于資本投資改善項目的范疇，可能由以下因素觸發(fā)：

顯著影響現(xiàn)有基礎設施的工廠擴建。

由于過時、支持問題或技術變化，需要提高可靠性。

需要大量投資的合規(guī)項目或監(jiān)管要求。

網絡安全風險增加。

必須通過硬件和軟件標準化來降低運營費用。

許多項目長期使用不同的硬件和軟件。

首批有據(jù)可查的SMP 之一是由美國費城水務局于1975 年開發(fā)的。它包括一系列可行性研究，并制定了一個5 年計劃來實施水處理和分配的現(xiàn)代自動化系統(tǒng)，以確保以最低成本獲得最高質量的水。

▎圖1 ：該圖顯示了“最適合”解決方案的組成。

目標和項目規(guī)劃

美國水行業(yè)協(xié)會公用設施管理手冊建議，應制定SMP 以實現(xiàn)以下目標：建立并記錄有效運營控制的愿景、戰(zhàn)略和目標；確定業(yè)務、運營和技術需求并確定其優(yōu)先級；建立一個協(xié)調的、優(yōu)先的計劃，以實現(xiàn)運營目標；定義短期和長期項目，包括成本、資源和進度；定義政策、程序、組織、技術和變更管理；以及在利益相關方和執(zhí)行發(fā)起人之間建立認同。

實現(xiàn)這些目標的主要因素是理解客戶的需求，確保從項目初始階段，就清楚地了解利益相關方對SCADA 系統(tǒng)的期望?？傮w目標是將流程、運營和業(yè)務需求與技術能力結合起來，以開發(fā)所謂的“最適合”的解決方案，實現(xiàn)利益相關者之間的共同愿景，從而開發(fā)出一個具有可持續(xù)框架的可擴展系統(tǒng)計劃，為所有用戶提供一套全面的服務。

每個項目的規(guī)模取決于幾個因素，包括過程要求、可施工因素、預算、資源、運營、業(yè)務影響和項目范圍。有效的SMP 評估項目需要預估進度以滿足預期結果。

長期項目一般來講比較復雜, 投資比較大。長期項目通常追求多個獨立的目標。許多長期項目解決日益增長的水處理需求，這會進一步轉化為需要改進自動化系統(tǒng)。改進領域包括數(shù)據(jù)共享、通信、硬件和軟件標準以及網絡安全。成功的SMP 應優(yōu)先考慮長期項目，并將其分解為短期項目，以便于可管理。

短期項目通常側重于需要較少預算和時間來完成的特定目標。例外情況可能是需要立即關注的計劃外事件，如災難恢復或補救工作。在大多數(shù)情況下，短期項目意味著對SCADA 基礎設施的變更，對當前的運行影響最小。短期項目的一部分可能包括影響長期目標的關鍵服務或設備，如要求專門的供應商包或改進網絡或網絡安全基礎設施。

試點或試驗項目是指在將大量資源投入到全廠實施之前，先實施一個小規(guī)模的應用，以證明想法的可行性，同時管理風險并識別不足之處。試點或試驗項目可以確認擬議概念的可行性和可擴展性，允許最終用戶規(guī)劃安全預防措施、方法和資源分配，以在全面實施過程中降低風險。

人為因素、標準化與生命周期

SCADA 運行人員、主管和技術維護支持人員是SCADA 系統(tǒng)的主要利益相關方，他們的滿意度是衡量SCADA 實施成功與否的有效途徑之一。評估當前技術的準備情況、技術接受情況、必要性、預期以及運維人員的工作條件，并清楚了解OT 支持單元的維護和知識管理工具，是任何SCADA規(guī)劃的關鍵需求。

理想的SMP 應提供一個項目策略，允許通過標準化SCADA系統(tǒng)通用元素（如控制面板、HMI 軟件和PLC 及其應用）來復制擬議的解決方案。標準化目標可能會有所不同，最常見的理由是節(jié)約成本、提高安全性和維護或縮短學習曲線。根據(jù)Carl F.Cargill的模型，標準化模型工作通常分為5 個階段：

1

預先概念化

團隊必須評估哪些部件、行業(yè)標準、最佳實踐或供應商解決方案，可以實施標準化評估。重要的是要考慮利弊，并獲得利益相關方的共識，決定保留或放棄每一個想法。

2

概念化

確認想法是否能夠標準化，定義如何實施，評估成本和維護。

3

討論

標準化模型必須根據(jù)風險和對流程、運營和業(yè)務的影響進行評估，包括對未來變更的靈活性水平。

4

制定

標準化過程的最后階段，包括制定SMP 構建階段使用的規(guī)范，測試方法和指標，以評估按照規(guī)定標準交付的產品。

5

實施

確保最終系統(tǒng)的驗證符合規(guī)定的驗收標準至關重要。由于許多不可預見的原因，標準可能成功也可能失敗。標準的成功與否沒有確切的參數(shù)；然而，標準化失敗的一些常見原因，可以追溯到討論階段缺乏共識或定義/ 規(guī)范不充分。

SMP 的目標之一是實現(xiàn)投資生命周期最大化的解決方案。SCADA 系統(tǒng)的主要組件可以按以下階段分類：

1

導入或開發(fā)階段

制造商提供的新產品可能向后兼容，也可能不兼容，或者可能包括反映市場趨勢的硬件、固件或增強功能的更新。因此，新產品可能需要在輔助工具或培訓方面進行投資。需要根據(jù)附加值和供應商支持能力，針對早期識別的相關風險，對入門階段的產品進行評估。

2

活躍銷售或成長階段

技術已被接受并廣為人知?？梢詮漠斍坝脩艋虺霭嫖铽@得關于產品性能的有用反饋。制造商支持對產品進行投資，提供一致的更新和補丁。SMP團隊必須注意每個SCADA組件的壽命與平均壽命周期的關系。PLC的生命周期通常為10 至15 年；然而，服務器硬件和操作系統(tǒng)可能需要5 年的擴展支持，而操作系統(tǒng)可能還可以延長最多5 年。

3

售后支持

這是購買硬件之后的階段。有時，供應商決定停止產品開發(fā)，以支持版本更新，而其可能需要對硬件或軟件進行完全更改。這期間仍可能提供關鍵更新或備件，以解決安全補丁等嚴重問題。SMP 必須包括清晰的策略，來更換處于該生命周期階段的SCADA 組件。

4

過時或衰退階段

制造商不再為SCADA組件提供支持或維護。在這種情況下，客戶需要在沒有保障的情況下使用二級市場，或者依賴其庫存和員工知識管理。

制定SCADA 總體規(guī)劃的4個方法

通常情況下，SMP由工程公司采用多種方法完成，但項目的重點將取決于客戶的特殊需求，以及工程公司的核心能力和經驗。最常見的方法有：

基于風險和以可靠性為中心的方法：該方法脫胎于制藥和石油天然氣等行業(yè)，其目標是通過分類和識別可能影響監(jiān)控能力的潛在風險，來避免不可接受的風險。進行以可靠性為中心的分析，以評估提議的或現(xiàn)有的設計解決方案是否足以滿足工藝要求，通常需要估計每種故障模式的故障間平均間隔時間，以確定控制措施是否可接受，SCADA設計中以可靠性為中心的方法，將冗余和避免共因故障點作為設計標準。

在供水/ 廢水處理行業(yè)，基于風險和以可靠性為中心的方法，對于服務于大量人口（太大而不能出問題）或對消費者、運營商和社區(qū)具有潛在危險的流程的系統(tǒng)至關重要。供水和廢水處理系統(tǒng)通常都包括一個集中式SCADA系統(tǒng)，其中包含用于收集和分發(fā)的遠程站點。

差距分析方法：該方法將SCADA系統(tǒng)的當前性能，與指定或期望的性能水平進行比較。典型的差距評估，可能包括評估當前的系統(tǒng)，直至自動化、警報管理、故障率、過時和態(tài)勢感知的原始設計。

SMP中包含的最新評估之一是網絡安全差距分析，用于評估整個自動化系統(tǒng)當前和理想信息安全狀態(tài)之間的差異。作為SMP 一部分的網絡安全評估至少應包括以下內容：

硬件、軟件、許可證和用戶訪問的清單。

評估策略和程序。

識別閾值、風險和脆弱性。

漏洞優(yōu)先級報告。

技術升級和及標準化方法：SMP最常見的驅動因素是硬件和軟件過時、缺乏供應商支持以及對統(tǒng)一技術的期望。SMP將重點放在提出由市場研究、替代分析、OT支持能力評估、資本支出和運營支出分析支持的解決方案，以提供一系列建議，概述SCADA 系統(tǒng)升級或更換的路線圖。這項工程通常通過一套概述SMP 設計標準的儀表和控制文件來完成（見圖2）。

▎圖2 ：在本例中，概述SCADA 總體規(guī)劃設計標準的典型標準文件。

基于研討會的總體規(guī)劃方法：該方法旨在通過一系列精心策劃的研討會， 確定SCADA 系統(tǒng)的基線狀態(tài)條件和問題，重點關注SCADA系統(tǒng)評估和客戶觀點。這種方法專注于深入識別已知和未知問題，以開發(fā)最合適的解決方案，優(yōu)先考慮并在股東的共同愿景中達成共識。最合適的解決方案是具有可持續(xù)框架的可擴展計劃，該框架使人員、流程和技術保持一致。

SCADA總體規(guī)劃框架

一個好的SMP必須有一組有序的任務，明確定義按順序和邏輯順序執(zhí)行的目標，其中每個步驟都為下一個任務提供輸入（見圖3）。

▎圖3 ：在該SCADA 總體規(guī)劃框架中，“最適合”的解決方案是一個可擴展的總體規(guī)劃，具有協(xié)調人員、流程和技術的可持續(xù)框架。

團隊組建：SCADA總體規(guī)劃的成功，在很大程度上取決于利益相關方的參與，因為運營人員、主管和維護人員通常知道哪些流程、業(yè)務和運營事項能為整個SMP 增加價值。SCADA總體規(guī)劃的成功很大程度上依賴于利益相關者的參與，因為操作員、主管和維護人員通常了解為整個SMP增加價值的流程、業(yè)務和運營事項。組建一個在流程、業(yè)務和技術方面具有經驗和知識的團隊是作為項目成功里程碑需要完成的第一項任務。團隊確定后，將召開一系列研討會和小組會議，給出任務和責任的明確定義，以便讓信息量和設計過程在整個SMP中層層遞進（見圖4）。

▎圖4 ：該圖顯示了SCADA 總體規(guī)劃團隊案例。

系統(tǒng)評估和需求開發(fā)：該步驟包括收集相關信息， 以了解當前的自動化系統(tǒng)、SCADA生命周期狀態(tài)和相關問題。它需要與員工面談并召開研討會，并對系統(tǒng)文件進行全面修訂，這可以通過三項主要任務來完成：

定義團隊角色和與客戶的接口，從每個利益相關方的角度收集已知問題。

記錄現(xiàn)有架構、流程圖、硬件和軟件、典型面板圖紙、網絡安全政策等?？傮w范圍是強調支持更換或升級設計標準的要素。

了解組織支持當前系統(tǒng)的能力。

在該階段結束時，團隊必須能夠列出組織需求，并獲取一組解決方案，這些解決方案可以在運營、維護、工程、支持和網絡安全等多個領域進行評估。

替代方案開發(fā)、風險分析和評估：在這個階段，團隊的重點是對可能的自動化技術和SCADA架構進行壓縮性修訂，以滿足流程和業(yè)務需求。團隊必須對每個解決方案進行系統(tǒng)評估、備選方案分析和風險評估。供應商演示和技術研討會，是該階段不可分割的一部分；其目的是讓決策者了解一系列可行的技術解決方案，以最大限度地延長系統(tǒng)生命周期（見圖5）。

▎圖5 ：該圖說明了SCADA 總體規(guī)劃技術趨勢討論的場景。

場景開發(fā)和解決方案評估：此階段旨在通過有據(jù)可查的評估，制定一系列包含硬件、軟件和可施工性方法的備選方案列表。團隊必須提供減少范圍的供應商選項或解決方案來解決系統(tǒng)需求，包括資本支出、運營支出以及組織差距和挑戰(zhàn)。

場景評估必須制定一個評估矩陣，描述提議的架構、供應商解決方案、網絡安全方法、災難恢復、數(shù)據(jù)流（從報警和事件管理到業(yè)務集成）、內部或供應商支持要求以及維護和開發(fā)所需的技能水平。

目標定義、詳細計劃、成本估算、檢查點和最終報告：SMP 的最后階段包括推薦備選方案的文檔開發(fā)，以及滿足客戶需求所需的硬件、軟件和應用功能的詳細定義。文件必須強調可靠性、預期壽命周期、知識管理、升級、集成和擴展能力。詳細的計劃必須包括設計和施工過程及進度，以及區(qū)分硬件和軟件成本與開發(fā)成本的完整成本估算。SMP必須包括所有SCADA 組件和開發(fā)規(guī)范，包括標準化面板、PLC 硬件和HMI 應用的文件。

雖然對于成功開發(fā)SMP所需的流程沒有共識，但許多咨詢公司都遵循類似的方法，首先明確了解客戶的需求，然后在與利益相關方密切互動的指導下，對當前系統(tǒng)進行全面評估。因此，真正了解企業(yè)當下運營情況以及最新軟、硬件技術的經驗豐富的工程師對項目的推進非常重要。

最終，一個適合的SCADA總體規(guī)劃解決方案將被交付，它側重于系統(tǒng)和組織需求，對趨勢、市場成熟度和潛在的改進機會有一個全面的理解，能夠最大限度地提高投資的生命周期，并確定可持續(xù)的維護和擴展方法。

關鍵概念：

■ 了解什么是SCADA 總體規(guī)劃及其組成部分。

■ 確定制定SCADA總體規(guī)劃的方法和步驟。

思考一下：

為企業(yè)制定一個適合的SCADA 總體規(guī)劃需要哪些步驟？

審核編輯：劉清