ระบบสกาดา

ภาพรวมของวงจร SCADA

การได้มาของข้อมูลเริ่มต้นที่ระดับ RTU หรือ PLC และรวมถึงการอ่านมาตรและรายงานสถานะของอุปกรณ์ที่มีการสื่อสารไปยัง SCADA ได้ตามความจำเป็น ข้อมูลจะถูกรวบรวมไว้และถูกจัดรูปแบบในลักษณะที่ผู้ประกอบงานในห้องควบคุมที่กำลังใช้ HMI สามารถตัดสินใจกำกับดูแลเพื่อปรับหรือลบล้างการควบคุมต่างๆที่เป็นปกติของRTU (PLC) ข้อมูลอาจถูกป้อนไปให้ผู้เก็บประวัติที่ถูกสร้างขึ้นบ่อยครั้งในฐานข้อมูลระบบการจัดการของสินค้าโภคภัณฑ์เพื่อหาแนวโน้มและการตรวจสอบการวิเคราะห์อื่นๆ
ระบบ SCADA มักจะจัดทำฐานข้อมูลกระจายซึ่งปกติจะเรียกว่า tag database ซึ่งมีองค์ประกอบข้อมูลที่เรียกว่าแท็กหรือจุด จุดจะแสดงค่าเดี่ยวๆของข้อมูลเข้าหรือออกจากการตรวจสอบหรือการควบคุมโดยระบบ จุดที่สามารถเป็นได้ทั้ง "หนัก" หรือ "เบา" จุดหนักแทนการป้อนข้อมูลที่เกิดขึ้นจริงภายในระบบ ในขณะที่จุดเบาเป็นผลมาจากการดำเนินงานที่เป็นตรรกะและคณิตศาสตร์ประยุกต์ที่จัดให้กับจุดอื่น ๆ (การจัดทำเพื่อใช้งานส่วนใหญ่ตามหลักการคือทุกๆจุดเบาหนึ่งจุดจะเท่ากับจุดหนักหนึ่งจุด) จุดเหล่านี้จะถูกเก็บไว้คู่กับเวลาที่เกิดเพื่อเก็บเป็นประวัติเอาไว้ แทคส์จะถูกบันทึกเข้าไปด้วยเพื่อบอกรายละเอียดเพิ่มเติม เช่นเส้นทางไปที่อุปกรณ์สนามหรือที่เก็บข้อมูลชั่วคราวของ PLC ความเห็นเรื่องเวลาในการออกแบบและข้อมูลการเตือนภัย
ระบบ SCADA เป็นระบบที่สำคัญอย่างมีนัยสำคัญที่ใช้ในโครงสร้างพื้นฐานของประเทศเช่นกริดไฟฟ้า, น้ำประปาและท่อ แต่ระบบ SCADA อาจจะมีช่องโหว่ความปลอดภัย ดังนั้นระบบควรได้รับการประเมินเพื่อระบุความเสี่ยงและการดำเนินการการแก้ปัญหาเพื่อลดความเสี่ยงเหล่านั้น.

HMI

HMI เป็นอุปกรณ์ที่นำเสนอข้อมูลจากการประมวลผลให้กับผู้ปฏิบัติการที่เป็นมนุษย์และมนุษย์จะนำข้อมูลนี้ไปใช้ในการควบคุมขบวนการ

HMI (Human–Machine Interface) มักจะมีการเชื่อมโยงไปยังฐานข้อมูลระบบ SCADA และโปรแกรมซอฟแวร์เพื่อหาแนวโน้ม, ข้อมูลการวินิจฉัย, และข้อมูลการจัดการเช่นขั้นตอนการบำรุงรักษาตามตารางที่กำหนด, ข้อมูลโลจิสติก, แผนงานโดยละเอียดสำหรับเครื่องตรวจจับหรือเครื่องจักรตัวใดตัวหนึ่ง, และแนวทางการแก้ปัญหาที่เกิดจากระบบผู้เชี่ยวชาญ (expert system)
ระบบ HMI มักจะนำเสนอข้อมูลให้กับบุคลากรในการดำเนินงานในรูปกราฟิกแบบแผนภาพเลียนแบบ ซึ่งหมายความว่าผู้ปฏิบัติสามารถดูแผนผังแสดงโรงงานที่ถูกควบคุม ยกตัวอย่างเช่นภาพของเครื่องสูบน้ำที่เชื่อมต่อกับท่อสามารถแสดงการทำงานและปริมาณของน้ำที่กำลังสูบผ่านท่อในขณะนั้น ผู้ปฏิบัติงานก็สามารถปิดการทำงานของเครื่องสูบน้ำได้ ซอฟแวร์ HMI จะแสดงอัตราการไหลของของเหลวในท่อที่ลดลงในเวลาจริง แผนภาพเลียนแบบอาจประกอบด้วยกราฟิกเส้นและสัญลักษณ์วงจรเพื่อเป็นตัวแทนขององค์ประกอบของกระบวนการหรืออาจประกอบด้วยภาพถ่ายดิจิตอลของอุปกรณ์ในกระบวนถูกทับซ้อนด้วยสัญลักษณ์ภาพเคลื่อนไหว
แพคเกจ HMI สำหรับระบบ SCADA มักจะมีโปรแกรมวาดภาพเพื่อผู้ปฏิบัติการหรือบุคลากรบำรุงรักษาระบบที่สามารถใช้ในการเปลี่ยนวิธีการที่จุดเหล่านี้จะแสดงในอินเตอร์เฟซ การแสดงเหล่านี้อาจจะเป็นสัญญาณไฟจราจรง่ายๆซึ่งแสดงสถานะของสัญญาณไฟจราจรที่เกิดขึ้นจริงในสนามหรืออาจซับซ้อนยิ่งขึ้นในการแสดงผลบนจอแบบหลายโปรเจ็กเตอร์ที่แสดงตำแหน่งทั้งหมดของลิฟท์ในตึกระฟ้าหรือแสดงรถไฟทั้งหมดของระบบการขนส่งทางราง
ส่วนที่สำคัญของการใช้งานระบบ SCADA ส่วนใหญ่คือการจัดการเรื่องการเตือนภัย ระบบจะจับภาพตลอดไม่ว่าเงื่อนไขของสัญญาณเตือนจะเป็นอย่างไรเพื่อใช้พิจารณาเมื่อมีเหตุการณ์การเตือนภัยเกิดขึ้น เมื่อเหตุการณ์เตือนภัยได้รับการตรวจจับ มีสิ่งที่ต้องกระทำหลายอย่าง (เช่นสร้างตัวชี้วัดสัญญาณเตือนภัยเพิ่มอีกตัวหรือมากกว่าหรือส่งข้อความอีเมลหรือข้อความเพื่อแจ้งให้ผู้ปฏิบัติการหรือผู้จัดการระบบ SCADA ระยะไกลจะได้รับทราบ) ในหลายกรณีที่ผู้ปฏิบัติการ SCADA อาจจะต้องรับทราบเหตุการณ์เตือนที่เกิดขึ้นเพื่อยกเลิกสัญญาณเตือนบางตัวในขณะที่สัญญาณเตือนตัวอื่น ๆ ยังคงใช้งานจนกว่าเงื่อนไขของสัญญาณเตือนทั้งหมดจะถูกแก้ไข เงื่อนไขการเตือนปลุกต้องสามารถชี้ชัดอย่างชัดเจน ตัวอย่างเช่นจุดเตือนภัยเป็นจุดสถานะแบบค่าดิจิตอลที่มีทั้ง'ปกติ'หรือ 'ALARM' ที่คำนวณตามสูตรขึ้นอยู่กับค่าในอนาล็อกและดิจิตอลโดยปริยาย: ระบบ SCADA อาจจะตรวจสอบโดยอัตโนมัติว่า ค่าอนาล็อกอยู่นอกค่าต่ำสุดหรือสูงสุด หรือไม่ ตัวอย่างของสัญญาณเตือนภัยรวมถึงไซเรน, กล่องป๊อปอัพขึ้นบนหน้าจอหรือพื้นที่สีระบายหรือสีกระพริบบนหน้าจอ (ที่อาจจะกระทำในลักษณะที่คล้ายกันกับไฟ "น้ำมันหมด" ในรถยนต์); ในแต่ละกรณี บทบาทของตัวสัญญาณเตือนภัยก็เพื่อดึงความสนใจของผู้ปฏิบัติการ ในการออกแบบระบบ SCADA, จะต้องดำเนินการเมื่อมีเหตุการณ์สัญญาณเตือนภัยที่เกิดขึ้นต่อเนื่องในช่วงเวลาสั้น ๆ มิฉะนั้นสาเหตุพื้นฐาน (ซึ่งอาจจะไม่ใช่เหตุการณ์แรกที่ตรวจพบ) อาจหาไม่พบ

ฮาร์ดแวร์โซลูชั่น

วิธีแก้ปัญหาของ SCADA มักจะมี ระบบควบคุมแยกส่วน (Distributed Control System, DCS) มีการใช้ RTUs หรือ PLCs ที่ฉลาดเพิ่มขึ้น พวกนี้มีความสามารถในการดำเนินการด้วยตนเองในกระบวนการตรรกะง่ายๆโดยไม่เกี่ยวข้องกับคอมพิวเตอร์หลัก ภาษามาตรฐานของการเขียนโปรแกรมควบคุม, IEC 61131-3 (ชุดของ 5 ภาษาของโปรแกรมรวมทั้งฟังก์ชันบล็อก, บันได, โครงสร้างข้อความ, แผนภูมิลำดับฟังก์ชันและรายการคำสั่ง) มักจะถูกใช้ในการสร้างโปรแกรมที่ทำงานบน RTUs และ PLCs เหล่านี้ ซึ่งแตกต่างจากภาษากรรมวิธีเช่นการเขียนโปรแกรมภาษา C หรือ FORTRAN, IEC 61131-3 ต้องการการฝึกอบรมน้อยที่สุดโดยอาศัยอำนาจของอาร์เรย์ที่คล้ายกับการควบคุมทางกายภาพประวัติศาสตร์ ซึ่งจะช่วยให้วิศวกรระบบ SCADA สามารถดำเนินการได้ทั้งการออกแบบและการติดตั้ง โปรแกรมจะต้องถูกนำไปใช้งานบน RTU หรือ PLC ตัวควบคุมการทำงานอัตโนมัติที่สามารถโปรแกรมได้ (Programmable Automation Controller, PAC) เป็นตัวควบคุมขนาดเล็กที่รวมคุณสมบัติและความสามารถของระบบควบคุมที่ทำงานด้วยคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล (PC-based)เหมือนกับ PLC ทั่วไป PACs จะถูกนำไปใช้ในระบบ SCADA เพื่อให้ฟังก์ชันกับ RTU และ PLC. ในหลายโปรแกรมของ SCADA ที่ใช้ในงานสถานีไฟฟ้าย่อย, "RTU แยกส่วน" ใช้ตัวประมวลผลข้อมูลหรือคอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะเพื่อสื่อสารกับรีเลย์ป้องกันแบบดิจิตอล, กับ PACs และกับอุปกรณ์อื่น ๆ ที่เป็น I/O และสื่อสารกับ SCADA ตัวแม่ แทนที่จะติดต่อกับ RTU แบบเดิม
ตั้งแต่ประมาณปี 1998 เกือบทุกผู้ผลิต PLC ใหญ่ๆได้เสนอระบบ HMI / SCADA แบบบูรณาการ โดยใช้โพรโทคอลการสื่อสารที่เปิดกว้างและไม่มีกรรมสิทธิ์. มีแพคเกจ HMI / SCADA หลายรายที่เชี่ยวชาญเฉพาะของบุคคลที่สาม เสนอมาให้พร้อมการเข้ากันได้ฝังในตัวกับ PLCs หลักๆเข้ามาขายในตลาด ช่วยให้วิศวกรเครื่องกล, วิศวกรไฟฟ้าและช่างเทคนิคในการกำหนดค่า HMIs ด้วยตัวเอง, โดยไม่ต้องใช้โปรแกรมที่เขียนโดยโปรแกรมเมอร์ซอฟแวร์ ตัวเครื่องระยะไกล (RTU) เชื่อมต่อกับอุปกรณ์ทางกายภาพ โดยปกติ RTU แปลงสัญญาณไฟฟ้าจากอุปกรณ์เป็นค่าดิจิตอลเช่นสถานะเปิด/ปิดจากสวิตช์หรือวาล์วหรือเครื่องวัดเช่นความดัน, การไหล, แรงดันไฟฟ้าหรือกระแส โดยการแปลงและการส่งสัญญาณไฟฟ้าเหล่านี้ออกไปยังอุปกรณ์, RTU สามารถควบคุมอุปกรณ์เช่นการเปิดหรือปิดสวิตช์หรือวาล์วหรือการตั้งค่าความเร็วของปั๊ม

สถานีกำกับ

สถานีกำกับหมายถึงเซิร์ฟเวอร์และซอฟต์แวร์ที่มีความรับผิดชอบในการสื่อสารกับอุปกรณ์สนาม (RTUs, PLCs, SENSORS ฯลฯ ) และซอฟแวร์ HMI ที่ทำงานบนเวิร์กสเตชันในห้องควบคุมหรือที่อื่น ๆ ในระบบ SCADA ขนาดเล็ก, สถานีแม่อาจจะประกอบด้วยคอมพิวเตอร์เครื่องเดียว ในระบบ SCADA ขนาดใหญ่, สถานีแม่อาจประกอบด้วยเซิร์ฟเวอร์หลายตัว, การใช้งานซอฟต์แวร์แบบกระจายและการกู้คืนระบบ เพื่อเพิ่มความสมบูรณ์ของระบบ, เซิร์ฟเวอร์หลายตัวมักจะถูกกำหนดค่าในการสร้างแบบ dual-redundant หรือ hot standby ให้การควบคุมอย่างต่อเนื่องและการตรวจสอบในกรณีที่เกิดความล้มเหลวของเซิร์ฟเวอร์

ปรัชญาการดำเนินงาน

สำหรับการติดตั้งบางไซต์ ค่าใช้จ่ายที่จะเป็นผลมาจากระบบการควบคุมความล้มเหลวมีสูงมาก ฮาร์ดแวร์สำหรับบางระบบ SCADA แข็งแกร่งที่จะทนต่ออุณหภูมิ, การสั่นสะเทือนและแรงดันไฟฟ้าสูงสุดขั้ว ในการติดตั้งที่วิกฤตที่สุด, ความน่าเชื่อถือจะมีมากขึ้นโดยมีฮาร์ดแวร์และช่องทางการสื่อสารที่ซ้ำซ้อนกัน ไปถึงจุดที่มีศูนย์ควบคุม(s)ที่มีอุปกรณ์หลากหลายเพียบพร้อม ส่วนที่ล้มเหลวที่สามารถระบุได้อย่างรวดเร็วและการทำงานของมันถูกแทนที่อย่างอัตโนมัติโดยฮาร์ดแวร์สำรอง ส่วนที่ล้มเหลวต้องถูกแทนที่โดยไม่รบกวนกระบวนการ ความน่าเชื่อถือของระบบดังกล่าวสามารถถูกคำนวณทางสถิติและถูกระบุว่าหมายถึงช่วงห่างเฉลี่ยที่ล้มเหลวในแต่ละครั้ง หรือตัวแปรของเวลาเฉลี่ยระหว่างความล้มเหลว(s) (Mean time between failures, MTBF) ระบบที่มีความน่าเชื่อถือสูงต้องมีค่า MTBF เป็นศตวรรษ หมายถึงถ้าวันนี้ระบบล้มเหลว การล้มเหลวครั้งต่อไปคือศตวรรษหน้า

โครงสร้างพื้นฐานการสื่อสารและวิธีการ

ระบบ SCADA เดิมใช้ผสมกันระหว่างวิทยุและการต่อสายตรง ถึงแม้ว่า SONET / SDH ถูกใชับ่อยๆสำหรับระบบขนาดใหญ่เช่นรถไฟและโรงไฟฟ้า การจัดการหรือฟังก์ชันการตรวจสอบระยะไกลของระบบ SCADA มักถูกเรียกว่า โทรมาตร (telemetry) ผู้ใช้บางคนต้องการข้อมูล SCADA ผ่านทางเครือข่ายภายในองค์กรที่มีอยู่แล้วหรือใช้ร่วมกับ application อื่น ถึงอย่างไรโพรโทคอลแบบโบราณที่ใช้ bandwidth ต่ำๆก็ยังใช้อยู่
โพรโทคอลระบบ SCADA ถูกออกแบบมาให้มีขนาดกะทัดรัดมาก หลายตัวจะออกแบบมาเพื่อส่งข้อมูลเฉพาะเมื่อสถานีแม่เรียกหา RTU โพรโทคอลโบราณของ SCADA ได้แก่ Modbus RTU, RP-570, Profibus และ Conitel โพรโทคอลการสื่อสารเหล่านี้เป็นสิทธิ์ของผู้จำหน่ายโดยเฉพาะ แต่ถูกนำมาดัดแปลงและใช้กันอย่างแพร่หลาย โพรโทคอลมาตรฐานก็คือ IEC 60870-5-101 หรือ 104, IEC 61850 และ DNP3 โพรโทคอลการสื่อสารเหล่านี้มีมาตรฐานและได้รับการยอมรับจากทุกผู้ผลิตระบบ SCADA ที่สำคัญ ปัจจุบันหลายโพรโทคอลเหล่านี้มีการขยายเพื่อการใช้งานบน TCP/IP แม้ว่าการใช้ข้อกำหนดของระบบเครือข่ายแบบเดิมเช่น TCP/IP, พร่าเลือนเส้นแบ่งระหว่างเครือข่ายแบบดั้งเดิมและเครือข่ายอุตสาหกรรมพวกมันตอบสนองความต้องการพื้นฐานที่แตกต่างกัน.
ด้วยความต้องการการรักษาความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้น มีการใช้งานที่เพิ่มขึ้นของการสื่อสารผ่านดาวเทียม นี้มีข้อดีที่สำคัญของโครงสร้างพื้นฐานที่สามารถดูแลตัวเองได้ (ไม่ได้ใช้วงจรจากระบบโทรศัพท์สาธารณะ) สามารถมีการเข้ารหัสฝังในตัวและสามารถออกแบบมาเพื่อความพร้อมและความน่าเชื่อถือที่กำหนดโดยผู้ประกอบการระบบ SCADA ประสบการณ์ก่อนหน้านี้ที่ใช้ VSAT ระดับผู้บริโภคเป็นที่น่าสงสาร ระบบการขนส่งที่ทันสมัย​​ระดับให้มีคุณภาพในการให้บริการที่จำเป็นสำหรับระบบ SCADA.
RTUs และอุปกรณ์ควบคุมอัตโนมัติอื่น ๆ ได้รับการพัฒนาก่อนการถือกำเนิดของมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการทำงานร่วมกัน (interoperability) ผลที่ได้คือนักพัฒนาและผู้บริหารสร้างความหลากหลายของโพรโทคอลการควบคุม ในบรรดาผู้ผลิตขนาดใหญ่ก็ยังมีแรงจูงใจในการสร้างโพรโทคอลของตัวเองเพื่อ "ล็อกคอ" ฐานลูกค้าของพวกเขา รายการของโพรโทคอลอัตโนมัติจะรวบรวมไว้ที่นี่
เมื่อเร็ว ๆ นี้ OLE สำหรับการควบคุมกระบวนการ (OLE for process control, OPC) ได้กลายเป็นโซลูชั่นที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางสำหรับ intercommunicating ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่แตกต่างที่ช่วยให้การสื่อสารอุปกรณ์แม้ว่าเดิมไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นส่วนหนึ่งของเครือข่ายอุตสาหกรรม ...

สถาปัตยกรรม SCADA

ระบบ SCADA มีวิวัฒนาการมาถึง 3 รุ่นดังนี้

รุ่นแรก: "Monolithic"

ในรุ่นแรก การคำนวณถูกกระทำโดยคอมพิวเตอร์เมนเฟรม เครือข่ายยังไม่เกิดในเวลาที่ระบบ SCADA ได้รับการพัฒนา ดังนั้นระบบ SCADA เป็นระบบอิสระไม่มีการเชื่อมต่อกับระบบอื่น ๆ เครือข่ายบริเวณกว้างได้รับการออกแบบมาโดยผู้ขาย RTU ในการสื่อสารกับ RTU. โพรโทคอลการสื่อสารที่มักจะถูกนำมาใช้เป็นกรรมสิทธิ์เฉพาะของผู้ขายในเวลานั้น รุ่นแรกของระบบ SCADA เป็นของซ้ำซ้อนเนื่องจากระบบ back-up ของเมนเฟรมมีการเชื่อมต่อในระดับบัสและถูกนำมาใช้ในกรณีที่เกิดความล้มเหลวของระบบเมนเฟรมหลัก บางระบบ SCADA รุ่นแรกที่ถูกพัฒนาขึ้นแบบ"turn key" ที่วิ่งบน minicomputers เช่น PDP-11 ของบริษัท Digital Equipment Corporation (DEC) ระบบเหล่านี้เป็นแบบ read only ในแง่ที่ว่าพวกมันจะสามารถแสดงข้อมูลจากระบบการควบคุมแบบอนาล็อกที่มีอยู่ที่ใช้ในการดำเนินการแต่ละเวิร์กสเตชัน แต่พวกเขามักจะไม่ได้พยายามที่จะส่งสัญญาณไปยังสถานีควบคุมระยะไกลเนื่องจากปัญหา telemetry พื้นฐานที่เป็นอนาล็อกและผู้บริหารศูนย์การควบคุมมีความกังวลกับการยอมให้ทำการควบคุมโดยตรงจากเวิร์คสเตชันคอมพิวเตอร์ พวกมันยังทำหน้าที่แจ้งเตือนและบันทึกการเตือนและทำหน้าที่บัญชีคำนวณสินค้าโภคภัณฑ์รายชั่วโมงและรายวัน

รุ่นที่สอง: "กระจาย"

การประมวลผลถูกกระจายไปหลายสถานีที่มีการเชื่อมต่อผ่านระบบ LAN และมีการใช้ข้อมูลร่วมกันในเวลาจริง แต่ละสถานีรับผิดชอบสำหรับงานเฉพาะจึงทำให้ขนาดและค่าใช้จ่ายของแต่ละสถานีน้อยกว่าสถานีในรุ่นแรก โพรโทคอลเครือข่ายที่ใช้ก็ยังคงเป็นกรรมสิทธิ์เฉพาะซึ่งนำไปสู่​​ปัญหาด้านความปลอดภัยของระบบ SCADA ที่ได้รับความสนใจจากแฮกเกอร์ เนื่องจากโพรโทคอลที่เป็นกรรมสิทธิ์เฉพาะจึงมีคนน้อยมากนอกจากนักพัฒนาและแฮกเกอร์ที่จะรู้มากพอที่จะกำหนดวิธีการรักษาความปลอดภัยของการติดตั้งระบบ SCADA เนื่องจากทั้งสองฝ่ายมีส่วนได้เสียจึงเก็บปัญหาด้านความปลอดภัยไว้เงียบๆ ความปลอดภัยของการติดตั้งระบบ SCADA มักจะถูกประเมินเกินกว่าความเป็นจริงอย่างมาก

รุ่นที่สาม: "เครือข่าย"

เนื่องจากการใช้งานของโพรโทคอลมาตรฐานและความจริงที่ว่าหลายระบบ SCADA ที่อยู่ในเครือข่ายจะสามารถเข้าถึงได้จากอินเทอร์เน็ต ระบบอาจมีความเสี่ยงการโจมตีระยะไกล ในทางตรงกันข้ามการใช้โพรโทคอลมาตรฐานและเทคนิคการรักษาความปลอดภัยมีความหมายว่าการปรับปรุงมาตรฐานความปลอดภัยสามารถใช้ได้กับระบบ SCADA, โดยสมมติว่าพวกเขาได้รับการบำรุงรักษาและการ update ทันเวลา