資料採集與監控系統

資料採集與監控系統一般是有監控程式及資料收集能力的電腦控制系統。可以用在工業程式、基礎設施或是裝置中。系統的組成元素.SCADA系統會包括以下的子系統：系統概念.SCADA一詞是指一個可以監控及控制所有裝置的集中式系統，或是在由分散在一個區域。PLC或RTU會利用回授控制來控制流量或溫度，而SCADA則監控系統的整體效能。由RTU或PLC進行，包括讀取感測器資料，依SCADA需求通訊傳送裝置的狀態報告。資料有特定的格式，控制室中的操作員可以用HMI瞭解系統狀態，並決定是否要調整RTU的控制，或是暫停正常的控制，進行特殊的處理。資料也會傳送到，一般會是架構在商用的資料庫管理系統上，以便追蹤趨勢並進行分析。SCADA系統會配合分散式資料庫使用，一般稱為標籤資料庫。一個點通常都是會以資料-時間戳記對的方式儲存，其中有資料，以及資料計算或記錄時的時間戳記。一個點的歷史記錄即可以用一連串的資料-時間戳記對所表示。常常也會在儲存時加上其他的資訊，例如現場裝置或PLC暫存器的路徑，設計的註解及警告資訊。人機介面.人機介面一個可以顯示程式狀態的裝置，操作員可以依此裝置監控及控制程式。HMI會連結到SCADA系統的資料庫及軟體，讀取相關資訊，以顯示趨勢、診斷資料及相關管理用的資訊，如定期維護程式、物流資訊、特定感測器或機器的細部線路圖、或是可以協助故障排除的專家系統。HMI系統常會用影象的方式顯示系統的資訊，而且會用影象模擬實際的系統。操作員可以看到待控制系統的示意圖。例如一個連線到管路的泵浦圖示，可以顯示泵浦正在運轉，及管路中液體的流量，操作員可以使泵浦停機，HMI軟體會顯示管路中液體流量隨時間下降。模擬圖會包括線路圖及示意圖來表示製程中的元素，也可能用製程裝置的圖片，上面再加上動畫說明製程情形。SCADA系統的HMI軟體一般會包括繪圖軟體，可以讓系統維護者修改系統在HMI中的呈現方式。呈現方式可以簡單到只有螢幕上的燈號，用燈號表示現場實際的狀態情形，也可以複雜到是用多臺投影機顯示摩天大樓中所有的電梯位置或是鐵路中所有列車的位置。實現SCADA系統時，警告處理是很重要的一個部份。系統會監控指定的警告條件是否成立，以確定是否有警告事件警告事件，有些警告事件在確認後其警告指示就會關閉，也有一些警告指示要在警告條件清除後才會關閉。警告條件可能是外在可能會被遺漏補，不被記錄。在SCADA系統中，警告一詞可能用來指稱許多事物，可能是警告點、警告指示或是警告事件本身。相關硬體.SCADA系統常使用分散式控制系統其中有微處理器或電腦，一方面可和、PAC或其他輸入輪出模組通訊，也可以代替傳統的RTU，和SCADA的主站通訊。大約從1998年年起，大部份主要的PLC供應商都可提供HMI/SCADA的整合式系統，其中許多使用開放式、非專用的通訊協定。許多特殊的第三方HMI/SCADA套件也內建和許多主要PLC通訊的能力，因此機械工程師、電機工程師或技術員也可以自行規劃HMI，不需要由軟體開發商為客戶的需要撰寫軟體。遠端終端控制系統.遠端終端控制系統可連線到其他裝置。RTU可將裝置上的電氣訊號轉換為數位的值，例如一個開關或閥開/關的狀態，或是儀器量測到的壓力、流量、電壓或電流。也可以藉由訊號轉換及傳送訊號來控制裝置，例如特定開關或閥的開啟/關閉，或是設定一個泵浦的速度。監控用裝置.監控站，在其中一臺伺服器故障時仍然可以繼續控控制及監控整個系統。可靠度的提昇.對於一些特定的應用，因控制系統失敗所衍生的損失非常大。甚至會導致人員的傷亡。有些這類SCADA系統的硬體會設計在極端的溫度、振動或電壓下，仍可以正常運轉，不過許多這類系統可靠度的提昇是藉著硬體或通訊通道的冗餘，其至是冗餘的控制系統。異常的裝置可以很快的識別出來，系統會自動切換，由其他備援的裝置負責該裝置原有的功能，也可以在不中斷系統進行的條件下，更換異常的裝置。這類系統的可靠度可以用統計的方法計算，表示為失效前平均時間的變體。高可靠度的系統所計算失效前平均時間可以到數個世紀之久。通訊基礎架礎及通訊方式.傳統的SCADA系統會使用廣播、串列或是資料機上的乙太網或網路協定。SCADA系統中的遠端管理或監視機能常稱為遙測。有些客戶希望SCADA系統的資料傳輸可以運用公司網路，或都和其他應用一起共用網路，而有些SCADA仍使用早期傳統的低頻寬通訊協定。SCADA的通訊協定會設計的非常精簡，裝置只有在被主站輪詢到才需要傳送資料。典型早期的SCADA通訊協定包括Modbus RTU、、Profibus及Conitel。這些通訊協定都是由SCADA裝置商指定的專用協定，不過目前已廣為使用。標準的通訊協定包括、或是。這些通訊協定是標準的，且已獲得主要SCADA裝置商的認可。許多這類的通訊協定可延伸到TCP/IP上運作。不過依安全性的考量，最好還是避免將SCADA連線外界的乙太網，以減少被未授權使用者攻擊的可能。在許多RTU及其他的控制裝置問世時，當時工業界還沒有建立互操作性標準。因此係統開發者及管理層建立了許多工業控制的通訊協定，其中規模較大的裝置商也想要用自己的通訊協定來「鎖住」其客戶群。有關自動化通訊協定的列表請動化通訊協定列表。系統架構及演進.SCADA系統可分為以下的三個世代：第一代：單體的.在第一代SCADA系統中，計算是由大型計算機進行。在SCADA系統開發的時候還沒有網路存在，因此SCADA系統是一個單獨的系統，沒有和其他系統連結的能力。後來RTU供應商為了和RTU通訊，設計了廣域網。多半使用各廠商專屬的通訊協定。當時的SCADA有冗餘功能，作法是有一臺備援的大型計算機系統，當主要系統故障時，就使用備援的mainframe系統。第二代：分散式.製程分佈在許多的裝置上，這些裝置以區域網的作法，對系統開發者及駭客都有好處，因此SCADA系統的安全性多半不佳，即使聲稱有考慮安全性，其實際的安全性往往遠低於其聲稱的情形。第三代：網路化.這是指使用開放系統架構，不使用供應商控制專屬環境的SCADA系統。這一代的SCADA系統使用開放式的標準及通訊協定，可以藉由廣域網擴充其功能，不是隻限制在區域網上。SCADA系統的開放式架構比較容易和第三方的週邊裝置連線，例如列表機、磁碟機及磁帶機。主機和通訊裝置之間的通訊利用廣域網常用的協定，例如網際協議。因為使用標準的協定，許多網路化的SCADA系統可以藉由乙太網來存取，這些SCADA系統會成為遠端網路攻擊的目標。另一方面，因為使用標準的協定及安全性技術，意即在時常維護及更新的情形下，針對一般網路的標準安全性標準也可以適用在SCADA系統。未來趨勢.己制訂標準，規定電力系統資料必須標記時間，以最接近的微秒為準。電力SCADA系統需提供的功能，利用電波時計來對RTU或分散式RTU的時計進行同步。SCADA系統將依據標準的網路技術，以乙太網及TCP/IP為基礎的通訊協定會取代舊的專用協定。大部份的市場都已經接受了乙太網的HMI/SCADA系統，只有一些少數特殊的應用會因為以幀為基礎的網路通訊特性，無法使用乙太網通訊。許多裝置商已經開始提供特殊應用的SCADA系統，其主站在是在乙太網的遠端平臺上。如此就不用在終端使用者的裝置上安裝及規劃系統，而且可以利用乙太網技術、虛擬私人網路及傳輸層安全中已有的安全特性。相關的問題包括安全性、乙太網連結的可靠度及延遲時間。SCADA系統會變得越來越普遍。許多主要裝置商提出以瘦客戶端、web portal或網路應用程式為基礎的產品，這類產品也越來越受歡迎。當終端客戶可以很方便地在遠端觀看製程，其實也就衍生了安全性的問題。類似的問題其實已在其他應用乙太網服務的領域出現，而且也已有解決方案，不過並非所有SCADA系統規劃者都瞭解當系統連線到乙太網時，所帶來可接入性的改變及其隱含的威脅。安全性問題.目前SCADA系統的趨勢是由專有的技術轉向更標準化及開放式的解決方案性，而越來越多的SCADA系統和辦公室網路及乙太網相連，因此SCADA系統也更容易成為攻擊的目標。尤其是容易受到網路戰的攻擊，其安全性也開始受到質疑。SCADA系統的安全性問題主要有以下幾項：SCADA系統的安全威脅主要來自二種：第一種是對控制軟體的未授權存取，存取可以是無意的或蓄意的，可能來自人員、病毒或是監控裝置中其他的軟體威脅。第二種透過網路的封包攻擊主機。大部份的應用例中沒有封包控制協定，即使有，也只有很基本的協定，因此任何人只要可以寄封包給SCADA裝置，也就可以控制裝置。一般SCADA使用者認為SCADA系統使用的VPN已經可以提供足夠的安全防護，不知道威脅可以透過SCADA網路接頭及交換器的實體存取來控制整個SCADA系統，完全繞過控制系統的安全性防護。這種實體存取攻擊可以繞過防火牆及VPN，而且最適用在端點對端點或是其他加密技術。在2010年6月時白俄羅斯的安全公司VirusBlokAda發現了第一個攻擊SCADA系統的計算機蠕蟲，名稱為震網安裝一個Rootkit，在SCADA系統中登入，並且竊取設計及控制的檔案。此蠕蟲可以修改整個控制系統，隱藏其變動的內容。VirusBlokAda在許多系統中發現此蠕蟲，大部份是在伊朗、印度及印尼。