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从美国水处理行业案例学习制定SCADA总体规划的方法和步骤

2023年02月04日 10:16:25 来源：云南昌晖仪表制造有限公司 >> 进入该公司展台阅读量：6

本文以供水和污水处理行业为例，探讨如何制定一个适合的监控和数据采集(SCADA)系统总体规划，以确保企业实现连续、稳定的运营。

*技术在当今的供水和污水处理行业中发挥的重要作用广为人知。正确选择和实施监控和数据采集系统的组件，对于确保设施运行的连续性和成功至关重要。

自动化基础设施的过时，技术生命周期的缩短，网络安全威胁的普遍存在，以及新一代用户对智能技术的需求激增，不断迫使现有SCADA系统实施变革，这是公共和私营部门SCADA总体规划的共同驱动力。

SCADA总体规划通常由工厂流程、终端用户的特定需求、预算限制、新的性技术范式的提升以及一些意想不到的挑战(例如当前的疫情)等决定，这需要更多无人监督的智能控制和安全的远程访问。

SCADA总体规划是什么？
SCADA总体规划是一套系统的建议、工程文件和指南，为与SCADA和自动化资产相关的资本支出项目制定设计框架和路线图，以便在期限内执行该项目。

在很多情况下，SCADA总体规划是由传统SCADA基础设施的限制和缺陷或为现有SCADA系统的最终生命周期结束做准备的必要性所驱动的。在其它情况下，SCADA总体规划属于资本投资改善项目的范畴，可能由以下因素触发：

◆显著影响现有基础设施的工厂扩建。
◆由于过时、支持问题或技术变化，需要提高可靠性。
◆需要大量投资的合规项目或监管要求。
◆网络安全风险增加。
必须通过硬件和软件标准化来降低运营费用。
◆许多项目长期使用不同的硬件和软件。

有据可查的SCADA总体规划之一是由美国费城水务局于1975年开发的。它包括一系列可行性研究，并制定了一个5年计划来实施水处理和分配的现代自动化系统，以确保以成本获得质量的水。

图1 该图显示了“”解决方案的组成。

目标和项目规划
美国水行业协会公用设施管理手册建议，应制定SCADA总体规划以实现以下目标：建立并记录有效运营控制的愿景、战略和目标；确定业务、运营和技术需求并确定其优先级；建立一个协调的、优先的计划，以实现运营目标；定义短期和长期项目，包括成本、资源和进度；定义政策、程序、组织、技术和变更管理；以及在利益相关方和执行发起人之间建立认同。

实现这些目标的主要因素是理解客户的需求，确保从项目初始阶段，就清楚地了解利益相关方对SCADA系统的期望。总体目标是将流程、运营和业务需求与技术能力结合起来，以开发所谓的“”的解决方案，实现利益相关者之间的共同愿景，从而开发出一个具有可持续框架的可扩展系统计划，为所有用户提供一套全面的服务。

每个项目的规模取决于几个因素，包括过程要求、可施工因素、预算、资源、运营、业务影响和项目范围。有效的SCADA总体规划评估项目需要预估进度以满足预期结果。

长期项目一般来讲比较复杂, 投资比较大。长期项目通常追求多个独立的目标。许多长期项目解决日益增长的水处理需求，这会进一步转化为需要改进自动化系统。改进领域包括数据共享、通信、硬件和软件标准以及网络安全。成功的SCADA总体规划应优先考虑长期项目，并将其分解为短期项目，以便于可管理。

短期项目通常侧重于需要较少预算和时间来完成的特定目标。例外情况可能是需要立即关注的计划外事件，如灾难恢复或补救工作。在大多数情况下，短期项目意味着对SCADA基础设施的变更，对当前的运行影响最小。短期项目的一部分可能包括影响长期目标的关键服务或设备，如要求专门的供应商包或改进网络或网络安全基础设施。

试点或试验项目是指在将大量资源投入到全厂实施之前，先实施一个小规模的应用，以证明想法的可行性，同时管理风险并识别不足之处。试点或试验项目可以确认拟议概念的可行性和可扩展性，允许最终用户规划安全预防措施、方法和资源分配，以在全面实施过程中降低风险。

人为因素、标准化与生命周期
SCADA运行人员、主管和技术维护支持人员是SCADA系统的主要利益相关方，他们的满意度是衡量SCADA实施成功与否的有效途径之一。评估当前技术的准备情况、技术接受情况、必要性、预期以及运维人员的工作条件，并清楚了解OT支持单元的维护和知识管理工具，是任何SCADA规划的关键需求。

理想的SCADA总体规划应提供一个项目策略，允许通过标准化SCADA系统通用元素(如控制面板、HMI软件和PLC及其应用)来复制拟议的解决方案。标准化目标可能会有所不同，见的理由是节约成本、提高安全性和维护或缩短学习曲线。根据Carl F.Cargill的模型，标准化模型工作通常分为5个阶段：

1、预先概念化
团队必须评估哪些部件、行业标准、实践或供应商解决方案，可以实施标准化评估。重要的是要考虑利弊，并获得利益相关方的共识，决定保留或放弃每一个想法。

2、概念化
确认想法是否能够标准化，定义如何实施，评估成本和维护。

3、讨论
标准化模型必须根据风险和对流程、运营和业务的影响进行评估，包括对未来变更的灵活性水平。

4、制定
标准化过程的最后阶段，包括制定SCADA总体规划构建阶段使用的规范，测试方法和指标，以评估按照规定标准交付的产品。

5、实施
确保最终系统的验证符合规定的验收标准至关重要。由于许多不可预见的原因，标准可能成功也可能失败。标准的成功与否没有确切的参数；然而，标准化失败的一些常见原因，可以追溯到讨论阶段缺乏共识或定义/ 规范不充分。

SCADA总体规划的目标之一是实现投资生命周期的解决方案。SCADA系统的主要组件可以按以下阶段分类：

1、导入或开发阶段
制造商提供的新产品可能向后兼容，也可能不兼容，或者可能包括反映市场趋势的硬件、固件或增强功能的更新。因此，新产品可能需要在辅助工具或培训方面进行投资。需要根据附加值和供应商支持能力，针对早期识别的相关风险，对入门阶段的产品进行评估。

2、活跃销售或成长阶段
技术已被接受并广为人知。可以从当前用户或出版物获得关于产品性能的有用反馈。制造商支持对产品进行投资，提供一致的更新和补丁。SCADA总体规划团队必须注意每个SCADA组件的寿命与平均寿命周期的关系。PLC的生命周期通常为10至15年；然而，服务器硬件和操作系统可能需要5年的扩展支持，而操作系统可能还可以延长最多5年。

3、售后支持
这是购买硬件之后的阶段。有时，供应商决定停止产品开发，以支持版本更新，而其可能需要对硬件或软件进行更改。这期间仍可能提供关键更新或备件，以解决安全补丁等严重问题。SCADA总体规划必须包括清晰的策略，来更换处于该生命周期阶段的SCADA 组件。

4、过时或衰退阶段
制造商不再为SCADA组件提供支持或维护。在这种情况下，客户需要在没有保障的情况下使用二级市场，或者依赖其库存和员工知识管理。

制定SCADA总体规划的4个方法
通常情况下，SCADA总体规划由工程公司采用多种方法完成，但项目的重点将取决于客户的特殊需求，以及工程公司的核心能力和经验。见的方法有：

1、基于风险和以可靠性为中心的方法
该方法脱胎于制药和石油天然气等行业，其目标是通过分类和识别可能影响监控能力的潜在风险，来避免不可接受的风险。进行以可靠性为中心的分析，以评估提议的或现有的设计解决方案是否足以满足工艺要求，通常需要估计每种故障模式的故障间平均间隔时间，以确定控制措施是否可接受，SCADA设计中以可靠性为中心的方法，将冗余和避免共因故障点作为设计标准。

在供水/废水处理行业，基于风险和以可靠性为中心的方法，对于服务于大量人口(太大而不能出问题)或对消费者、运营商和社区具有潜在危险的流程的系统至关重要。供水和废水处理系统通常都包括一个集中式SCADA系统，其中包含用于收集和分发的远程站点。

2、差距分析方法
该方法将SCADA系统的当前性能，与或期望的性能水平进行比较。典型的差距评估，可能包括评估当前的系统，直至自动化、警报管理、故障率、过时和态势感知的原始设计。

SCADA总体规划中包含的评估之一是网络安全差距分析，用于评估整个自动化系统当前和理想信息安全状态之间的差异。作为SCADA总体规划一部分的网络安全评估至少应包括以下内容：

◆硬件、软件、许可证和用户访问的清单。
◆评估策略和程序。
◆识别阈值、风险和脆弱性。
◆漏洞优先级报告。

3、技术升级和及标准化方法
SCADA总体规划见的驱动因素是硬件和软件过时、缺乏供应商支持以及对统一技术的期望。SCADA总体规划将重点放在提出由市场研究、替代分析、OT支持能力评估、资本支出和运营支出分析支持的解决方案，以提供一系列建议，概述SCADA 系统升级或更换的路线图。这项工程通常通过一套概述SCADA总体规划设计标准的仪表和控制文件来完成(见图2)。

图2 在本例中，概述SCADA总体规划设计标准的典型标准文件。

基于研讨会的总体规划方法：该方法旨在通过一系列精心策划的研讨会，确定SCADA系统的基线状态条件和问题，重点关注SCADA系统评估和客户观点。这种方法专注于深入识别已知和未知问题，以开发最合适的解决方案，优先考虑并在股东的共同愿景中达成共识。最合适的解决方案是具有可持续框架的可扩展计划，该框架使人员、流程和技术保持一致。

SCADA总体规划框架
一个好的SCADA总体规划必须有一组有序的任务，明确定义按顺序和逻辑顺序执行的目标，其中每个步骤都为下一个任务提供输入(见图3)。

图3 在该SCADA总体规划框架中，“”的解决方案是一个可扩展的总体规划，具有协调人员、流程和技术的可持续框架。

1、团队组建
SCADA总体规划的成功，在很大程度上取决于利益相关方的参与，因为运营人员、主管和维护人员通常知道哪些流程、业务和运营事项能为整个SCADA总体规划增加价值。SCADA总体规划的成功很大程度上依赖于利益相关者的参与，因为操作员、主管和维护人员通常了解为整个SCADA总体规划增加价值的流程、业务和运营事项。组建一个在流程、业务和技术方面具有经验和知识的团队是作为项目成功里程碑需要完成的项任务。团队确定后，将召开一系列研讨会和小组会议，给出任务和责任的明确定义，以便让信息量和设计过程在整个SCADA总体规划中层层递进(见图4)。

图4 该图显示了SCADA总体规划团队案例。

2、系统评估和需求开发
该步骤包括收集相关信息，以了解当前的自动化系统、SCADA生命周期状态和相关问题。它需要与员工面谈并召开研讨会，并对系统文件进行全面修订，这可以通过三项主要任务来完成：

◆定义团队角色和与客户的接口，从每个利益相关方的角度收集已知问题。
◆记录现有架构、流程图、硬件和软件、典型面板图纸、网络安全政策等。总体范围是强调支持更换或升级设计标准的要素。
◆了解组织支持当前系统的能力。

在该阶段结束时，团队必须能够列出组织需求，并获取一组解决方案，这些解决方案可以在运营、维护、工程、支持和网络安全等多个领域进行评估。

3、替代方案开发、风险分析和评估
在这个阶段，团队的重点是对可能的自动化技术和SCADA架构进行压缩性修订，以满足流程和业务需求。团队必须对每个解决方案进行系统评估、备选方案分析和风险评估。供应商演示和技术研讨会，是该阶段不可分割的一部分；其目的是让决策者了解一系列可行的技术解决方案，以限度地延长系统生命周期(见图5)。

图5 该图说明了SCADA总体规划技术趋势讨论的场景。

4、场景开发和解决方案评估
此阶段旨在通过有据可查的评估，制定一系列包含硬件、软件和可施工性方法的备选方案列表。团队必须提供减少范围的供应商选项或解决方案来解决系统需求，包括资本支出、运营支出以及组织差距和挑战。

场景评估必须制定一个评估矩阵，描述提议的架构、供应商解决方案、网络安全方法、灾难恢复、数据流(从报警和事件管理到业务集成)、内部或供应商支持要求以及维护和开发所需的技能水平。

5、目标定义、详细计划、成本估算、检查点和最终报告
SCADA总体规划的最后阶段包括推荐备选方案的文档开发，以及满足客户需求所需的硬件、软件和应用功能的详细定义。文件必须强调可靠性、预期寿命周期、知识管理、升级、集成和扩展能力。详细的计划必须包括设计和施工过程及进度，以及区分硬件和软件成本与开发成本的完整成本估算。SCADA总体规划必须包括所有SCADA组件和开发规范，包括标准化面板、PLC硬件和HMI应用的文件。

虽然对于成功开发SCADA总体规划所需的流程没有共识，但许多咨询公司都遵循类似的方法，首先明确了解客户的需求，然后在与利益相关方密切互动的指导下，对当前系统进行全面评估。因此，真正了解企业当下运营情况以及软、硬件技术的经验丰富的工程师对项目的推进非常重要。

最终，一个适合的SCADA总体规划解决方案将被交付，它侧重于系统和组织需求，对趋势、市场成熟度和潜在的改进机会有一个全面的理解，能够限度地提高投资的生命周期，并确定可持续的维护和扩展方法。
作者：Giselle Villar,CDM Smith

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