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SCADA是英文“Supervisory Control And Data Acquisition”的简称，直译成中文就是“监督控制与数据采集”。此外，国内还有文献将其翻译成“数据采集与监视控制”。但英文“Supervisory”本身没有“视”的意思，而是监督、管理的含义。英文单词“Surveillance”具有监视、监督的含义。当然，SCADA系统的一些监控功能是通过人机界面来实现的，即操作人员通过看人机界面，了解系统的运行状态，远程调控现场设备的运行。在一些行业标准中，还把SCADA称作“数据采集与监控”，这种译法有其一定意义，即数据采集在先，监控在后，强调数据采集的基础作用。SCADA的叫法不同也说明了SCADA系统的使用面很广、行业跨度大，但这并不影响其应用。
SCADA系统的应用领域极为广泛，行业跨度大，有鲜明的行业特点，不同行业的SCADA系统的结构有其自身的特点，设备的名称甚至不一样。本书从SCADA系统的共性角度出发，对SCADA的组成、结构与功能进行介绍。
无论是哪个领域的SCADA系统，其体系结构、功能基本都是一致的，即该系统至少包含两个层次的设备和通信网络，具有监督控制与数据采集功能。图1.9所示为大型油田SCADA系统结构示意图。该系统包括位于井口的现场控制层设备（如RTU）、转接站监控子系统、联合站工业控制系统（通常采用DCS）和油田中心站监控管理系统。这种结构在其他类似的监控系统中经常可以看到，如城市公用事业（自来水、污水处理、燃气）远程监控系统、油气远距离输送控制系统、电力调度自动化系统等。
目前对SCADA系统并无统一的定义，参考国内外的一些文献，这里给出一个SCADA系统的定义：SCADA系统是一类功能强大的计算机远程监督控制与数据采集系统，它综合利用计算机技术、控制技术、通信与网络技术，完成对测控点分散的各种过程或设备的实时数据采集，对本地或远程的自动控制，以及对运行过程的全面实时监控、管理、安全控制，并为MES等上级系统提供必要的数据接口，接受上级系统的调度和管理。
一般来讲，SCADA主要用于对测控点十分分散、分布范围广泛的生产过程或设备的监控，通常情况下，测控现场是无人或少人值守的。SCADA一般由处于测控现场的监督控制与数据采集终端设备（通常称作下位机，Slave Computer），以及位于中控室的集中监视、管理和远程监控功能的计算机（通常称作上位机，Master Computer或Master Terminal Unit）。复杂的SCADA系统可以有多个现场监控中心，每个现场监控中心与一定数量的现场控制站通信，完成对一定范围内的设备的监控。上一层的调度中心再和现场监控中心通信，对整个现场设备进行远程监控，对整个被控设备、过程进行集中管理。对于重要的远程监控系统，如西气东输SCADA系统这样的关键基础设施工业控制系统，除了具有常规的现场控制系统，以及多个现场监控中心，在通信层还会采取冗余措施，以提高系统的可用性，在现场站点还会采用安全仪表系统，以降低发生事故的风险，提高安全性。对通信系统要进行加密，以确保数据的保密性等。
需要说明的是，虽然可以采用一台计算机配接各种I/O卡件，运行自行开发的应用软件也可以实现监督控制与数据采集，但是这类小规模的系统并不是本书重点介绍的内容。当然，本书介绍的内容也可以帮助读者开发这种小型的SCADA系统。
图1.9 油田大型SCADA系统结构示意图
近年来，随着网络技术、通信技术，特别是无线通信技术的发展，SCADA系统在结构上更加分散，通信方式更加多样，系统结构从C/S（客户机/服务器）结构向B/S（浏览器/服务器）与C/S混合的方向发展，各种通信技术（如数传电台、GPRS、PSTN、VPN、卫星通信等）得到了更加广泛的应用。随着5G通信技术在我国的逐步推进，SCADA系统的通信方式越来越丰富。此外，随着近年来网络信息技术的快速发展和SCADA系统的不断深入，SCADA系统的应用呈现了以下发展趋势。
（1）随着管控一体化的发展，SCADA系统与第三方子系统的集成越来越多。例如，在市政等行业，SCADA系统与地理信息系统、抄表系统、收费系统、客服系统、视频监控系统等不断融合。
（2）而随着工业互联网应用的深入和智能制造的需要，以SCADA为代表的OT系统与企业信息（IT）系统的融合将更加紧密。
（3）随着移动应用的普及，基于移动端及跨平台的远程监控需求越来越多，这对监控软件的开发与部署提出了新的要求。
（4）随着大数据应用的增加，SCADA系统一方面可以与边缘层连接，实现实时的数据处理；另一方面可以与云端连接，实现计算复杂度高的状态监测、优化和调度，甚至是碳排放监控功能。
（5）随着人工智能技术赋能SCADA系统，未来的SCADA系统将更加智能，更好地服务于各类行业应用。当然，如何把人工智能技术运用到SCADA系统中，这不仅是人工智能算法的问题，更依赖行业知识，只有把这两者紧密结合，才能实现智能SCADA系统。
（6）与IT系统的融合越来越紧密。SCADA系统等各类工业控制系统属于典型的操作技术（OT），即直接监视和控制工业设备、资产、流程、事件来检测物理过程或使物理过程产生变化的硬件和软件（Gartner关于OT的定义）。
（7）特殊应用需求的挑战。在一些对数据采集频率和时间同步要求高、计算与传输量大的应用领域，如电力、管网、地震、环境等监测与监控领域，SCADA系统在系统结构、软件开发等技术层面也面临一定的挑战。
（8）对更多标准的支持，如支持ISA18.2报警标准、IEC62443网络安全标准、OPC UA和MQTT等标准通信协议。
总之，从用户角度来说，要求SCADA系统具有稳定性、安全性、易用性、可扩展性和易维护性。SCADA系统的任何发展都要满足用户的这些基本要求。
SCADA系统和DCS的相同点如下。
（1）两者具有相同的系统结构。从系统结构来看，两者都属于分布式计算机测控系统，普遍采用客户机/服务器模式。具有控制分散、管理集中的特点。承担现场测控的主要是现场控制站（或下位机），上位机侧重监控与管理。
（2）通信网络在两种类型的控制系统中都起着重要的作用，且通常情况下，至少具有两层网络结构。早期的SCADA系统和DCS都采用专有协议，目前更多的是采用国际标准或事实的标准协议。
（3）下位机编程软件逐步采用符合IEC61131-3和IEC61449等标准的编程语言，编程方式的差异逐步缩小。
（4）近年来，随着计算机软硬件技术、网络通信技术等的发展，SCADA系统和DCS的差异在缩小，两者在功能上越来越接近。
作为两类典型的工业控制系统，SCADA系统与DCS虽然存在一些相同之处，但也有明显的不同，主要表现在以下几点。
（1）系统内涵有所不同。
DCS是产品的名称，也代表某种技术，而SCADA系统更侧重功能和集成，在市场上找不到一种广为各行业用户所接受的SCADA系统产品（虽然有很多厂家宣称自己有类似的产品）。SCADA系统的构建更加强调集成，根据生产过程监控要求从市场上采购各种自动化产品来构建满足客户要求的系统。正因为如此，SCADA系统的构建十分灵活，可选择的产品和解决方案也很多。有时候会把SCADA系统称为DCS，主要是因为这类系统也具有控制分散、管理集中的特点。但由于SCADA系统的软硬件控制设备来自多个不同的厂家，而DCS的软硬件来自同一个厂家。因此，虽然两者在技术上有相通之处，但是仍有明显的不同，把SCADA系统称为DCS并不恰当。
（2）系统集成度有所不同。
DCS具有更加成熟、完善、紧密的体系结构，系统的可靠性等性能更有保障，在控制层面，能实现更加复杂的控制功能。而SCADA系统是用户集成的，因此，其整体性能与用户的集成水平紧密相关，通常要低于DCS。正因为DCS是专用系统，所以DCS的开放性比SCADA系统差。
（3）系统结构不同。
目前，一般的SCADA系统都配置专门的SCADA服务器，只有该服务器与现场控制器通信，其他操作员站等站点只和SCADA服务器通信，即操作员站通过该服务器与现场控制站（下位机）进行数据交换，从而实现操作与监控。DCS存在两类模式。一类模式和SCADA系统一样，有专门的服务器，如西门子PCS7和霍尼韦尔的PKS，操作员站只和服务器通信，工程师站和现场控制站直接通信完成组态。另外一类模式没有这种专门的服务器，所有的操作员站都和现场控制站通信，如艾默生过程管理公司的DeltaV和横河电机的Centum等。这两类模式各有特点，但采用前者的DCS产品更多。
（4）通信网络不同。
由于DCS控制的设备比较集中，其测控网络范围局限在厂区，因此，DCS的通信网络通常是局域网，独立性强，企业可以自行维护，运行成本较低；而大型SCADA系统的通信网络一般是广域网，通常依赖电信服务供应商（如中国移动、中国电信等）才能工作，且要持续向供应商缴纳通信服务等费用，运行维护成本高。
（5）应用程序开发与调试有所不同，具体表现在以下几个方面。
①DCS中的变量不需要二次定义。由于DCS中上位机（服务器、操作员站等）、下位机（现场控制器）的软件集成度高，特别是有统一的实时数据库，因此，变量只要定义一次，就在控制器回路组态中可用，在上位机人机界面等其他地方也可用。而在SCADA系统中，一个I/O点，如现场的一个电机设备故障信号，在控制器中要定义一次，在组态软件中还要定义一次，同时要求对两者进行映射（上位机中定义的地址要与控制器中的存储器地址一致），如果地址映射不正确，那么上位机中的参数状态与控制器中就不一致。
这里以图1.10为例进行说明。这里下位机是施耐德Quantum PLC，上位机是组态王7.50，上位机和下位机通过以太网通信，协议是Modbus TCP，PLC的编程环境是Unity Pro V11.0。从图1.10中可以看出，现场的一个“允许远控”转换开关的数字量输入，将进入PLC第一个数字量输入模块的第一个输入通道，其PLC地址就确定了。在Unity Pro中定义该变量（见图1.10（a）），这样PLC中的编程就可使用（见图1.10（b））。上位机人机界面要使用该变量（如显示该开关的状态），就要添加这个PLC设备的驱动，然后定义属于这个设备（Quantum）的变量R1_AUTO（见图1.10（c））。这样在上位机中就可以使用R1_AUTO进行组态了。当然，为了统一上位机和下位机中的变量，一般PLC中的变量名称/标签与上位机组态软件中对应的变量用同样的名称。
图1.10 SCADA系统中上位机和下位机的变量定义与使用
显然，采用这种方式进行控制系统集成有明显不足。目前一些上位机软件支持变量导入与导出，即可以把变量从组态软件中导出，利用Excel等软件快速编辑变量，把该文件导入上位机中，从而简化上位机中的变量定义。有些组态软件支持从PLC导入变量。另外，对于触摸屏的编程，采用类似西门子博图（TIA Portal）这样的全集成自动化软件已能做到资源共享，在触摸屏中可以直接使用控制器中定义的数据类型、变量等。
②DCS控制器中的功能块与人机界面的面板（Faceplate）通常成对出现。例如，在控制器中组态一个PID回路后，在人机界面组态时可以直接根据该回路名称调用一个具有完整的PID功能的人机界面面板，面板中的参数自动与控制回路中的参数一一映射，如图1.11所示。而SCADA系统中的用户必须在人机界面组态软件中自行设计这样的面板，同时把面板中的数据与控制器中的功能块数据进行关联，整个设计过程较为烦琐和费时。
③DCS具有更多的面向模拟量控制的功能块。由于DCS主要面向模拟量较多的应用场合，各种类型的模拟量控制较多。为了便于组态，DCS开发环境中具有更多的面向过程控制的功能块。而不同的SCADA系统的I/O变量的类型分布不一致，通常情况下，数字量点数会更多一些，下位机处理顺序控制逻辑更方便。
图1.11 霍尼韦尔PKS中的PID功能块及其控制面板
④组态语言有所不同。DCS编程主要采用图形化的编程方式，如西门子PCS7使用CFC，罗克韦尔使用功能块图等。而在SCADA系统中，主要使用梯形图和ST等编程语言。当然，在编写顺序控制程序时，DCS中也用SFC编程语言，这点与SCADA系统中的下位机编程是一样的。
⑤调试环境不同。DCS应用软件组态和调试时有一个相对统一的环境，在该环境中，可以方便地进行硬件组态、网络组态、控制器应用软件组态、人机界面组态及相关的调试，而SCADA系统整个功能的实现相对分散。
（6）应用场合不同。
DCS主要用于对控制精度要求高、测控点集中的流程工业，如石油、化工、冶金、电站等。SCADA系统特指远程分布式计算机测控系统，主要用于对测控点十分分散、分布范围广泛的生产过程或设备的监控，通常情况下，测控现场是无人或少人值守的，如对移动通信基站的监控、对长距离石油输送管道的监控、对城市煤气管线的监控等。总体而言，因技术与历史等原因，导致不同类型的控制系统各自称霸相应的行业。
（7）市场规模不同。
由于DCS是成套系统，硬件设备及软件授权等费用高。若I/O点数少于100点，则DCS的单点成本会较高。而SCADA系统中采用的控制器的I/O点数的配置更加灵活，可以根据I/O点数选择相应的控制器，因此，对于I/O点数少的系统来说，SCADA系统的相对成本更低，更容易被用户选用。由于SCADA系统的控制器配置灵活，远程监控的市场需求更大，因此从市场规模来看，SCADA系统远远超过DCS。
（1）DCS和SCADA系统具有工程师站、操作员站、现场控制站和通信网络，而PLC只有现场控制站，其主要功能就是进行现场控制，常选用PLC作为SCADA系统的下位机设备，因此，可以把PLC看作SCADA系统的一部分。PLC也可以集成到DCS中，成为DCS的一部分。从这个角度来说，PLC与DCS和SCADA系统是没有可比性的。
（2）系统规模不同。PLC可以用在控制点数从几个到上万个的不同领域，因此，其应用范围极其广泛。而DCS主要用于规模较大的过程，否则其性价比较低。
然而，随着技术的不断发展，各种类型的控制系统相互吸收融合其他系统的特长，DCS与PLC在功能上不断增强，具体地说，DCS的逻辑控制功能在不断增强，PLC的连续控制功能也在不断增强，两者都广泛吸收了现场总线技术，因此它们的界限也在不断模糊。
随着技术的不断进步，各种控制方案层出不穷，一个具体的工业控制问题可以有不同的解决方案。但总体而言，还是遵循传统的思路，即在制造业的控制中，还是首选PLC或SCADA系统解决方案，而过程控制系统首选DCS。对于监控点十分分散的控制过程，多数还是会选SCADA系统，只是随着应用的不同，下位机的选择也会有所不同。
当然，由于控制技术的不断融合，在实际应用中，有些控制系统的选型还是具有一定的灵活性的。以大型污水处理工程为例，由于它通常包括污水管网、泵站、污水处理厂等，在地域上较为分散，检测与控制点绝大多数为数字量I/O，模拟量I/O的数量远远少于数字量I/O，控制要求也没有化工生产过程那么严格，因此，多数情况下，还是选用SCADA系统，而下位机多采用PLC，通信系统采用有线与无线相结合的解决方案。在国内，也有采用DCS作为污水处理厂主控系统的应用。但是，远程泵站与污水处理厂之间的距离通常比较远，且分布比较分散，还是会选用PLC进行现场控制，泵站PLC与厂区DCS之间采用有线通信或无线通信，而这种通信方式主要用在SCADA系统中，在DCS中是比较少见的。因此，污水处理过程控制具有很多SCADA系统的特性，这也是国内外污水处理厂的控制普遍采用SCADA系统而较少采用DCS的原因之一。对于大型油田自动化系统来说，通常同时采用SCADA系统和DCS。在油井侧使用SCADA系统是最为经济的方案，联合站测控点多且分布较为密集，采用DCS是最合适的选择。但如果从整个油田工业控制系统来看，其总体结构还是属于SCADA系统。
在智能制造、互联网+的大背景下，信息技术融入工业领域，提升了实体经济的创新力和生产力；工业生产的信息化也为互联网概念的落地提供了数据支撑。工业互联网（Industrial Internet）正在加快驱动产业转型和升级、资源配置、生产管理模式的革新。
作为新一代信息通信技术与现代工业技术深度融合的产物，工业互联网成为全球新一轮产业竞争的制高点，传统的工业自动化系统结构和业务模式正进行快速转型和升级，西门子、通用电气、ABB、施耐德等都在强化数字化业务，面向智能制造需求，充分利用物联网、人工智能、大数据、云计算、边缘计算等先进技术，重点推进IIoT云平台建设和应用。目前众多自动化公司、传统制造业公司和软件公司也纷纷推出了自己的IIoT云平台。IIoT云平台是面向制造业数字化、网络化、智能化需求，构建基于海量数据的采集、汇聚、分析和服务体系，支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的开放式云平台，其本质是通过人、机器、产品、业务系统的泛在连接，建立面向工业大数据、管理、建模、分析的赋能使能开发环境，将工业研发设计、生产制造、经营管理等领域的知识显性化、模型化、标准化，并封装为面向监测、诊断、预测、优化、决策的各类应用服务，实现制造资源在生产制造全过程、全价值链、全生命周期的全局优化，打造泛在连接、数据驱动、软件定义、平台支撑的制造业新体系。
图1.12所示为亚控科技基于SCADA系统的IIoT应用结构。亚控科技有比较完备的HMI/SCADA基础监控平台，支持大量厂家的PLC、板卡等设备。以此为基础，又开发了支持工业信息化的实时数据库、支持制造运营管理的MES、支持IIoT应用的KingIOT管理软件等产品，从而形成包括现场、边缘侧、云端及基于云端的各类App应用的IIoT应用结构。可以看出，SCADA系统在IIoT应用结构中属于关键基础平台。
图1.12 亚控科技基于SCADA系统的IIoT应用结构
KingIOT平台聚焦更全面、更准确、更高效的数据采集需求，致力于提供分散式、轻量化、低成本的数据采集产品和解决方案。KingIOT旨在提供Linux平台（数据终端）的解决方案，具备优秀的采集性能、良好的易用性和可维护性。KingIOT连接工业设备与云端，实时、准确地将生产、环境数据发送到云端；在实现数据共享的同时，减轻了云平台的计算压力，提前对海量数据进行解析、逻辑判断、筛选，实现边缘计算。
亚控科技的IIoT解决方案和产品反映了在互联网+背景下多数传统组态软件厂商业务发展的方向和重点。
从本章的介绍中可以看出，SCADA系统是用于测控点分散的过程的专用远程监控系统，侧重对现场设备的数据采集、本地控制和远程监视与控制。同时，SCADA系统可以作为上层调度、优化和管理的支撑平台。而IIoT通常是一套PaaS平台，其数据一般来源于SCADA等传统工业控制平台，功能侧重数据汇总和展示。并以汇总的大数据为基础，运用深度学习等人工智能技术深入开发计划调度、设备健康监测与安全监控、质量控制、生产管理等高级应用。
SCADA系统与IIoT的不同主要体现在以下几点。
（1）部署地点不同。SCADA系统既有部署在现场的监督控制与数据采集设备，还包括部署在本地监控中心和远程监控中心的设备。IIoT一般把服务和应用部署在云端，在靠近设备的地方部署一些采集网关等前置设备。
（2）数据类型不同。SCADA系统采集的数据主要包括工艺参数（温度、压力、流量等）、设备数据（开关状态、故障等）和生产数据（产量等）。IIoT处理的数据除了上述SCADA系统采集的数据，还包括图片、声音和视频等数据。
（3）采样周期不同。由于SCADA系统要对现场设备进行直接控制，因此采样周期必须满足实时控制要求。通常SCADA系统包括多种采样周期，既支持对快变对象的高速数据采集（如1ms的采样周期），也支持对慢变对象的低速数据采集（如1s的采样周期）。目前IIoT的采样周期都较长，一般大于10s。显然，这样的采样周期是无法实现有效的远程监控的。
（4）开放程度不同。SCADA系统的发展和行业的关联度高，早期计算机软硬件的开放性也不足，这些导致SCADA系统大量使用专有设备和通信协议，整体开放性较差。IIoT是在互联网技术快速发展及对系统开放性追求的技术背景下发展起来的，系统开放性高，REST、CoAP和MQTT等业界通用的协议被广泛使用。