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(jìn)技術(shù)在當(dāng)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(shè)施運行的連續(xù)性和成功至關(guān)重要。

自動化基礎(chǔ)設(shè)施的過時，技術(shù)生命周期的縮短，網(wǎng)絡(luò)安全威脅的普遍存在，以及新一代用戶對智能技術(shù)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(qū)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(yù)算限制、新的顛覆性技術(shù)范式的提升以及一些意想不到的挑戰(zhàn)（例如當(dāng)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(yuǎn)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(chǎn)相關(guān)的資本支出項目制定設(shè)計框架和路線圖，以便在指定期限內(nèi)執(zhí)行該項目。

在很多情況下，SMP 是由傳統(tǒng) SCADA基礎(chǔ)設(shè)施的限制和缺陷或為現(xiàn)有 SCADA 系統(tǒng)的最終生命周期結(jié)束做準(zhǔn)備的必要性所驅(qū)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(chǔ)設(shè)施的工廠擴(kuò)建。

由于過時、支持問題或技術(shù)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(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險增加。

必須通過硬件和軟件標(biāo)準(zhǔn)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(wù)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(zhì)量的水。

▎圖1 ：該圖顯示了“最適合”解決方案的組成。

目標(biāo)和項目規(guī)劃

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

實現(xiàn)這些目標(biāo)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(guān)方對SCADA 系統(tǒng)的期望。總體目標(biāo)是將流程、運營和業(yè)務(wù)需求與技術(shù)能力結(jié)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(guān)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(kuò)展系統(tǒng)計劃，為所有用戶提供一套全面的服務(wù)。

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(yù)算、資源、運營、業(yè)務(wù)影響和項目范圍。有效的SMP 評估項目需要預(yù)估進(jìn)度以滿足預(yù)期結(jié)果。

長期項目一般來講比較復(fù)雜, 投資比較大。長期項目通常追求多個獨立的目標(biāo)。許多長期項目解決日益增長的水處理需求，這會進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為需要改進(jìn)自動化系統(tǒng)。改進(jìn)領(lǐng)域包括數(shù)據(jù)共享、通信、硬件和軟件標(biāo)準(zhǔn)以及網(wǎng)絡(luò)安全。成功的SMP 應(yīng)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(cè)重于需要較少預(yù)算和時間來完成的特定目標(biāo)。例外情況可能是需要立即關(guān)注的計劃外事件，如災(zāi)難恢復(fù)或補救工作。在大多數(shù)情況下，短期項目意味著對SCADA 基礎(chǔ)設(shè)施的變更，對當(dāng)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(biāo)的關(guān)鍵服務(wù)或設(shè)備，如要求專門的供應(yīng)商包或改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)用，以證明想法的可行性，同時管理風(fēng)險并識別不足之處。試點或試驗項目可以確認(rèn)擬議概念的可行性和可擴(kuò)展性，允許最終用戶規(guī)劃安全預(yù)防措施、方法和資源分配，以在全面實施過程中降低風(fēng)險。

人為因素、標(biāo)準(zhǔn)化與生命周期

SCADA 運行人員、主管和技術(shù)維護(hù)支持人員是SCADA 系統(tǒng)的主要利益相關(guān)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(dāng)前技術(shù)的準(zhǔn)備情況、技術(shù)接受情況、必要性、預(yù)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(hù)和知識管理工具，是任何SCADA規(guī)劃的關(guān)鍵需求。

理想的SMP 應(yīng)提供一個項目策略，允許通過標(biāo)準(zhǔn)化SCADA系統(tǒng)通用元素（如控制面板、HMI 軟件和PLC 及其應(yīng)用）來復(fù)制擬議的解決方案。標(biāo)準(zhǔn)化目標(biāo)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(hù)或縮短學(xué)習(xí)曲線。根據(jù)Carl F.Cargill的模型，標(biāo)準(zhǔn)化模型工作通常分為5 個階段：

1

預(yù)先概念化

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

2

概念化

確認(rèn)想法是否能夠標(biāo)準(zhǔn)化，定義如何實施，評估成本和維護(hù)。

3

討論

標(biāo)準(zhǔn)化模型必須根據(jù)風(fēng)險和對流程、運營和業(yè)務(wù)的影響進(jìn)行評估，包括對未來變更的靈活性水平。

4

制定

標(biāo)準(zhǔn)化過程的最后階段，包括制定SMP 構(gòu)建階段使用的規(guī)范，測試方法和指標(biāo)，以評估按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)交付的產(chǎn)品。

5

實施

確保最終系統(tǒng)的驗證符合規(guī)定的驗收標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。由于許多不可預(yù)見的原因，標(biāo)準(zhǔn)可能成功也可能失敗。標(biāo)準(zhǔn)的成功與否沒有確切的參數(shù)；然而，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(dǎo)入或開發(fā)階段

制造商提供的新產(chǎn)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(chǎn)品可能需要在輔助工具或培訓(xùn)方面進(jìn)行投資。需要根據(jù)附加值和供應(yīng)商支持能力，針對早期識別的相關(guān)風(fēng)險，對入門階段的產(chǎn)品進(jìn)行評估。

2

活躍銷售或成長階段

技術(shù)已被接受并廣為人知。可以從當(dāng)前用戶或出版物獲得關(guān)于產(chǎn)品性能的有用反饋。制造商支持對產(chǎn)品進(jìn)行投資，提供一致的更新和補丁。SMP團(tuán)隊必須注意每個SCADA組件的壽命與平均壽命周期的關(guān)系。PLC的生命周期通常為10 至15 年；然而，服務(wù)器硬件和操作系統(tǒng)可能需要5 年的擴(kuò)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(yīng)商決定停止產(chǎn)品開發(fā)，以支持版本更新，而其可能需要對硬件或軟件進(jìn)行完全更改。這期間仍可能提供關(guān)鍵更新或備件，以解決安全補丁等嚴(yán)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(hù)。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(jīng)驗。最常見的方法有：

基于風(fēng)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(biāo)是通過分類和識別可能影響監(jiān)控能力的潛在風(fēng)險，來避免不可接受的風(fēng)險。進(jìn)行以可靠性為中心的分析，以評估提議的或現(xiàn)有的設(shè)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(shè)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

在供水/ 廢水處理行業(yè)，基于風(fēng)險和以可靠性為中心的方法，對于服務(wù)于大量人口（太大而不能出問題）或?qū)οM者、運營商和社區(qū)具有潛在危險的流程的系統(tǒng)至關(guān)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(yuǎn)程站點。

差距分析方法：該方法將SCADA系統(tǒng)的當(dāng)前性能，與指定或期望的性能水平進(jìn)行比較。典型的差距評估，可能包括評估當(dāng)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(shè)計。

SMP中包含的最新評估之一是網(wǎng)絡(luò)安全差距分析，用于評估整個自動化系統(tǒng)當(dāng)前和理想信息安全狀態(tài)之間的差異。作為SMP 一部分的網(wǎng)絡(luò)安全評估至少應(yīng)包括以下內(nèi)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(fēng)險和脆弱性。

漏洞優(yōu)先級報告。

技術(shù)升級和及標(biāo)準(zhǔn)化方法：SMP最常見的驅(qū)動因素是硬件和軟件過時、缺乏供應(yīng)商支持以及對統(tǒng)一技術(shù)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的典型標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(dá)成共識。最合適的解決方案是具有可持續(xù)框架的可擴(kuò)展計劃，該框架使人員、流程和技術(shù)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(wù)，明確定義按順序和邏輯順序執(zhí)行的目標(biāo)，其中每個步驟都為下一個任務(wù)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(kuò)展的總體規(guī)劃，具有協(xié)調(diào)人員、流程和技術(shù)的可持續(xù)框架。

團(tuán)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(guān)方的參與，因為運營人員、主管和維護(hù)人員通常知道哪些流程、業(yè)務(wù)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(guān)者的參與，因為操作員、主管和維護(hù)人員通常了解為整個SMP增加價值的流程、業(yè)務(wù)和運營事項。組建一個在流程、業(yè)務(wù)和技術(shù)方面具有經(jīng)驗和知識的團(tuán)隊是作為項目成功里程碑需要完成的第一項任務(wù)。團(tuán)隊確定后，將召開一系列研討會和小組會議，給出任務(wù)和責(zé)任的明確定義，以便讓信息量和設(shè)計過程在整個SMP中層層遞進(jìn)（見圖4）。

▎圖4 ：該圖顯示了SCADA 總體規(guī)劃團(tuán)隊案例。

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

定義團(tuán)隊角色和與客戶的接口，從每個利益相關(guān)方的角度收集已知問題。

記錄現(xiàn)有架構(gòu)、流程圖、硬件和軟件、典型面板圖紙、網(wǎng)絡(luò)安全政策等。總體范圍是強調(diào)支持更換或升級設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要素。

了解組織支持當(dāng)前系統(tǒng)的能力。

在該階段結(jié)束時，團(tuán)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(hù)、工程、支持和網(wǎng)絡(luò)安全等多個領(lǐng)域進(jìn)行評估。

替代方案開發(fā)、風(fēng)險分析和評估：在這個階段，團(tuán)隊的重點是對可能的自動化技術(shù)和SCADA架構(gòu)進(jìn)行壓縮性修訂，以滿足流程和業(yè)務(wù)需求。團(tuán)隊必須對每個解決方案進(jìn)行系統(tǒng)評估、備選方案分析和風(fēng)險評估。供應(yīng)商演示和技術(shù)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(shù)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(shù)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(tuán)隊必須提供減少范圍的供應(yīng)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(gòu)、供應(yīng)商解決方案、網(wǎng)絡(luò)安全方法、災(zāi)難恢復(fù)、數(shù)據(jù)流（從報警和事件管理到業(yè)務(wù)集成）、內(nèi)部或供應(yīng)商支持要求以及維護(hù)和開發(fā)所需的技能水平。

目標(biāo)定義、詳細(xì)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(yīng)用功能的詳細(xì)定義。文件必須強調(diào)可靠性、預(yù)期壽命周期、知識管理、升級、集成和擴(kuò)展能力。詳細(xì)的計劃必須包括設(shè)計和施工過程及進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化面板、PLC 硬件和HMI 應(yīng)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(guān)方密切互動的指導(dǎo)下，對當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行全面評估。因此，真正了解企業(yè)當(dāng)下運營情況以及最新軟、硬件技術(shù)的經(jīng)驗豐富的工程師對項目的推進(jìn)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(cè)重于系統(tǒng)和組織需求，對趨勢、市場成熟度和潛在的改進(jìn)機(jī)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(hù)和擴(kuò)展方法。

關(guān)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