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打造可視化能源管理系統 新世代SCADA功能持續強化
[作者 王明德]   2021年02月24日 星期三 瀏覽人次: [3080]

SCADA的應用相當廣,包括製造、電力、冶金、石油、化工…等,都可見到其蹤影,其中電力系統是SCADA系統應用最廣泛的領域,其技術發展也最為成熟,透過遠端監控,電力管理者可以對現場的運行設備進行監視與控制,落實資料擷取、設備控制、量測、參數調節以及各類訊號報警等各項功能,不過由於各個應用領域對SCADA的要求不同,所以不同應用領域的SCADA系統發展也不盡相同。


在電力系統中,SCADA系統應用最廣泛,其技術發展也最成熟,SCADA作為能源管理系統(EMS)中最重要的子系統,發展至今,SCADA的資訊完整、提高效率、正確掌握系統運行狀態、加快決策、能?明快速診斷出系統故障狀態等優勢,已成為電力調度不可缺少的工具,透過SCADA,電力業者可提高電網運行的可靠性、安全性與經濟效益,減輕操作人員的工作負擔,讓電力調度自動化與現代化。


需求不斷浮現 SCADA迭代速度加快

SCADA系統發展至今可分為3個階段,第1階段是專用型電腦和專用作業系統的SCADA系統,這一類型的SCADA只能用自己的軟體在自己的硬體架構上運作,這一階段是從SCADA系統問世開始到1970年代,第2階段始於1980年代,這時通用型電腦開始出現,SCADA被設計為可運作於這類型運作架構,1980年代的SCADA廣泛採用VAX等其他電腦以及其他通用工作站,作業系統一般是通用的UNIX作業系統,在這一階段,SCADA系統在電網調度自動化中與經濟運行分析,自動發電控制(AGC)以及網路分析結合到一起構成了EMS系統(能源管理系統),第1代與第2代SCADA系統的共同特點是均為集中式電腦系統,並且系統不具有開放性,因此系統在維護、升級以及連網都有一定的難度。


1990年開始是SCADA的第3階段,此階段的SCADA開始具備分散式運算機網路以及關聯式資料庫技術,可大範圍聯網的EMS/SCADA系統稱為第3代,這一階段是SCADA/EMS系統發展最快的階段,各種最新的電腦技術都彙集進入SCADA/EMS系統。



圖1 : 可視化是新世代能源管理的必要設計,SCADA可透過此特色,協助業者強化管理效能。(source:Siemens)
圖1 : 可視化是新世代能源管理的必要設計,SCADA可透過此特色,協助業者強化管理效能。(source:Siemens)

就發展進程來看,第4代SCADA/EMS系統的基礎條件已經誕生,該系統的主要特徵是採用乙太網路技術、物件導向技術、神經網路技術以及JAVA技術等技術,繼續擴大SCADA系統與其他系統的整合,綜合安全經濟運行以及商業化運營的需要。SCADA系統在物聯網的應用技術上已有突破性進展,其應用也快速拓展,不過由於物聯網會因產業而有不同架構,因此各類型產業所需的SCADA系統也不盡相同,從整體趨勢來看,未來SCADA的技術將會有幾個共同的展面向。


整合周邊技術 新世代架構面市

首先是整合性,SCADA系統是電力系統的即時資料源,提供了大量的即時資料,不過過去多數自動化系統都沒有即時連網功能,因此未來SCADA系統如何與其他非即時系統的連接成為SCADA研究的重要課題,而SCADA已可與企業E化系統如MES連接,未來SCADA還須因應不同應用領域,與該領域的系統如電量計量,地理資訊、水調度自動化、調度生產自動化等系統整合。


由於SCADA的應用日漸廣泛,就發展態勢來看,各垂直產業的標準仍然紛雜,還沒有強勢的共通標準,因此各廠商的SCADA支援標準也不一,多數只能選擇跟隨較具指標性機構所制定的標準,將之連結感測層與管理層。


第二則是專家系統、模糊決策、神經網路等新技術的研究與應用,SCADA系統一般分為2個層面,即終端與伺服器,伺服器與硬體設備連接,進行資料處理和運算,而終端用於人機交流,例如用文字、動畫顯示現場的狀態,並可對現場的開關、閥門進行操作,硬體設備(如PLC)一般既可以透過點到點方式連接,也可以匯流排方式連接到伺服器上,點對點連接一般通過序列連接埠如RS-232,匯流排方式則為RS-485或乙太網等連接方式。


在軟體架構方面,SCADA為多工組成,每個功能完成特定的任務,伺服器負責資料接收與處理(如量程轉換、濾波、警報檢查、計算、事件記錄、歷史存儲、執行使用者腳本等),伺服器間可以相互通訊,有些系統將伺服器進一步單獨劃分成若干專門伺服器,如警報伺服器、記錄伺服器、歷史伺服器、登錄伺服器等,各伺服器邏輯上作為統一整體,但物理上可能放置在不同的機器上,分類劃分的好處是可以將多個伺服器的各種資料統一管理、分工協作,缺點則是效率低,局部故障可能影響整個系統。


通訊部分,隨著整合需求漸增,SCADA的通訊功能逐漸加強,SCADA系統中的通訊分為內部通訊、I/O連結通訊、外部通訊等,終端與伺服器、伺服器與伺服器的通訊一般有三種形式,請求式,訂閱式與廣播式,設備驅動程式與I/O設備通訊一般採用請求式,大多數設備都支援這種通訊方式,當然也有的設備支援主動發送方式,SCADA通過多種方式與外界通訊。


善用SCADA 迎接新能源時代


圖2 : 物聯網概念興起,SCADA迅速整合周邊技術,其功能已日漸強大。(source:Softpedia News)
圖2 : 物聯網概念興起,SCADA迅速整合周邊技術,其功能已日漸強大。(source:Softpedia News)

最後則是雲端化,遠端監控是SCADA的重要功能,在雲端概念成熟後,管理端可快速上雲端進入SCADA點看所有狀況,不過雲端化也有其問題需要克服,雲端需要IP才能連進網路,不過這就會產生資安問題,關於這點,一般的作法是在MQTT上以SSL加密,過去工控網路受攻擊的機率不高,但2010年發生首次的SCADA被病毒攻擊的事件後,工控界的資安意識已逐漸提升,雖然仍無法100%遏阻,不過對絕大多數的惡意攻擊已有防衛機制。


隨著物聯網的快速成熟,SCADA的重要性將越來越高,在整合、資安、通訊等部分,SCADA還有強化空間,不過另一個問題是中小企業導入SCADA的問題,由於過去SCADA的使用者均為大型廠商,少有針對中小企業設計的系統,同時中小企業對物聯網的相關認知也不高,目前已有廠商加強中小企業SCADA的產品布局。整體而言,物聯網趨勢已成,SCADA將是未來能源管理的重要E化平台,無論是系統整合或終端使用者,就算目前仍無導入計畫,也須對此軟體平台有所認識,方能在新能源時代站穩先機。


**刊頭圖(source:ishttaa TechCraft)


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