深度好文｜制定SCADA總體規劃的(de)方法和(hé)步驟

先進技術在當今的(de)供水(shuǐ)和(hé)污水(shuǐ)處理(lǐ)行業中發揮的(de)重要作用(yòng)廣爲人(rén)知。正确選擇和(hé)實施監控和(hé)數據采集系統的(de)組件，對(duì)于确保設施運行的(de)連續性和(hé)成功至關重要。

　　自動化(huà)基礎設施的(de)過時(shí)，技術生命周期的(de)縮短，網絡安全威脅的(de)普遍存在，以及新一代用(yòng)戶對(duì)智能技術的(de)需求激增，不斷迫使現有SCADA 系統實施變革，這(zhè)是公共和(hé)私營部門SCADA 總體規劃的(de)共同驅動力。

　　SCADA總體規劃（簡稱SMP）通(tōng)常由工廠流程、終端用(yòng)戶的(de)特定需求、預算(suàn)限制、新的(de)颠覆性技術範式的(de)提升以及一些意想不到的(de)挑戰（例如當前的(de)新冠疫情）等決定，這(zhè)需要更多(duō)無人(rén)監督的(de)智能控制和(hé)安全的(de)遠(yuǎn)程訪問。

　　SCADA總體規劃是什(shén)麽？

　　SMP是一套系統的(de)建議(yì)、工程文件和(hé)指南(nán)，爲與SCADA 和(hé)自動化(huà)資産相關的(de)資本支出項目制定設計框架和(hé)路線圖，以便在指定期限内執行該項目。

　　在很多(duō)情況下(xià)，SMP 是由傳統 SCADA基礎設施的(de)限制和(hé)缺陷或爲現有 SCADA 系統的(de)最終生命周期結束做(zuò)準備的(de)必要性所驅動的(de)。在其它情況下(xià)，SMP 屬于資本投資改善項目的(de)範疇，可(kě)能由以下(xià)因素觸發：

　　■顯著影(yǐng)響現有基礎設施的(de)工廠擴建。

　　■由于過時(shí)、支持問題或技術變化(huà)，需要提高(gāo)可(kě)靠性。

　　■需要大(dà)量投資的(de)合規項目或監管要求。

　　■網絡安全風險增加。

　　■必須通(tōng)過硬件和(hé)軟件标準化(huà)來(lái)降低運營費用(yòng)。

　　■許多(duō)項目長(cháng)期使用(yòng)不同的(de)硬件和(hé)軟件。

　　首批有據可(kě)查的(de)SMP 之一是由美(měi)國費城(chéng)水(shuǐ)務局于1975 年開發的(de)。它包括一系列可(kě)行性研究，并制定了(le)一個(gè)5 年計劃來(lái)實施水(shuǐ)處理(lǐ)和(hé)分(fēn)配的(de)現代自動化(huà)系統，以确保以最低成本獲得(de)最高(gāo)質量的(de)水(shuǐ)。

圖1 ：該圖顯示了(le)“最适合”解決方案的(de)組成。

　　目标和(hé)項目規劃

　　美(měi)國水(shuǐ)行業協會公用(yòng)設施管理(lǐ)手冊建議(yì)，應制定SMP 以實現以下(xià)目标：建立并記錄有效運營控制的(de)願景、戰略和(hé)目标；确定業務、運營和(hé)技術需求并确定其優先級；建立一個(gè)協調的(de)、優先的(de)計劃，以實現運營目标；定義短期和(hé)長(cháng)期項目，包括成本、資源和(hé)進度；定義政策、程序、組織、技術和(hé)變更管理(lǐ)；以及在利益相關方和(hé)執行發起人(rén)之間建立認同。

　　實現這(zhè)些目标的(de)主要因素是理(lǐ)解客戶的(de)需求，确保從項目初始階段，就清楚地了(le)解利益相關方對(duì)SCADA 系統的(de)期望。總體目标是将流程、運營和(hé)業務需求與技術能力結合起來(lái)，以開發所謂的(de)“最适合”的(de)解決方案，實現利益相關者之間的(de)共同願景，從而開發出一個(gè)具有可(kě)持續框架的(de)可(kě)擴展系統計劃，爲所有用(yòng)戶提供一套全面的(de)服務。

　　每個(gè)項目的(de)規模取決于幾個(gè)因素，包括過程要求、可(kě)施工因素、預算(suàn)、資源、運營、業務影(yǐng)響和(hé)項目範圍。有效的(de)SMP 評估項目需要預估進度以滿足預期結果。

　　長(cháng)期項目一般來(lái)講比較複雜(zá), 投資比較大(dà)。長(cháng)期項目通(tōng)常追求多(duō)個(gè)獨立的(de)目标。許多(duō)長(cháng)期項目解決日益增長(cháng)的(de)水(shuǐ)處理(lǐ)需求，這(zhè)會進一步轉化(huà)爲需要改進自動化(huà)系統。改進領域包括數據共享、通(tōng)信、硬件和(hé)軟件标準以及網絡安全。成功的(de)SMP 應優先考慮長(cháng)期項目，并将其分(fēn)解爲短期項目，以便于可(kě)管理(lǐ)。

　　短期項目通(tōng)常側重于需要較少預算(suàn)和(hé)時(shí)間來(lái)完成的(de)特定目标。例外情況可(kě)能是需要立即關注的(de)計劃外事件，如災難恢複或補救工作。在大(dà)多(duō)數情況下(xià)，短期項目意味著(zhe)對(duì)SCADA 基礎設施的(de)變更，對(duì)當前的(de)運行影(yǐng)響最小。短期項目的(de)一部分(fēn)可(kě)能包括影(yǐng)響長(cháng)期目标的(de)關鍵服務或設備，如要求專門的(de)供應商包或改進網絡或網絡安全基礎設施。

　　試點或試驗項目是指在将大(dà)量資源投入到全廠實施之前，先實施一個(gè)小規模的(de)應用(yòng)，以證明(míng)想法的(de)可(kě)行性，同時(shí)管理(lǐ)風險并識别不足之處。試點或試驗項目可(kě)以确認拟議(yì)概念的(de)可(kě)行性和(hé)可(kě)擴展性，允許最終用(yòng)戶規劃安全預防措施、方法和(hé)資源分(fēn)配，以在全面實施過程中降低風險。

　　人(rén)爲因素、标準化(huà)與生命周期

　　SCADA 運行人(rén)員(yuán)、主管和(hé)技術維護支持人(rén)員(yuán)是SCADA 系統的(de)主要利益相關方，他(tā)們的(de)滿意度是衡量SCADA 實施成功與否的(de)有效途徑之一。評估當前技術的(de)準備情況、技術接受情況、必要性、預期以及運維人(rén)員(yuán)的(de)工作條件，并清楚了(le)解OT 支持單元的(de)維護和(hé)知識管理(lǐ)工具，是任何SCADA規劃的(de)關鍵需求。

　　理(lǐ)想的(de)SMP 應提供一個(gè)項目策略，允許通(tōng)過标準化(huà)SCADA系統通(tōng)用(yòng)元素（如控制面闆、HMI 軟件和(hé)PLC 及其應用(yòng)）來(lái)複制拟議(yì)的(de)解決方案。标準化(huà)目标可(kě)能會有所不同，最常見的(de)理(lǐ)由是節約成本、提高(gāo)安全性和(hé)維護或縮短學習(xí)曲線。根據Carl F.Cargill的(de)模型，标準化(huà)模型工作通(tōng)常分(fēn)爲5 個(gè)階段：

　　1預先概念化(huà)

　　團隊必須評估哪些部件、行業标準、最佳實踐或供應商解決方案，可(kě)以實施标準化(huà)評估。重要的(de)是要考慮利弊，并獲得(de)利益相關方的(de)共識，決定保留或放棄每一個(gè)想法。

　　2概念化(huà)

　　确認想法是否能夠标準化(huà)，定義如何實施，評估成本和(hé)維護。

　　3討(tǎo)論

　　标準化(huà)模型必須根據風險和(hé)對(duì)流程、運營和(hé)業務的(de)影(yǐng)響進行評估，包括對(duì)未來(lái)變更的(de)靈活性水(shuǐ)平。

　　4制定

　　标準化(huà)過程的(de)最後階段，包括制定SMP 構建階段使用(yòng)的(de)規範，測試方法和(hé)指标，以評估按照(zhào)規定标準交付的(de)産品。

　　5實施

　　确保最終系統的(de)驗證符合規定的(de)驗收标準至關重要。由于許多(duō)不可(kě)預見的(de)原因，标準可(kě)能成功也(yě)可(kě)能失敗。标準的(de)成功與否沒有确切的(de)參數；然而，标準化(huà)失敗的(de)一些常見原因，可(kě)以追溯到討(tǎo)論階段缺乏共識或定義/ 規範不充分(fēn)。

　　SMP 的(de)目标之一是實現投資生命周期最大(dà)化(huà)的(de)解決方案。SCADA 系統的(de)主要組件可(kě)以按以下(xià)階段分(fēn)類：

　　1導入或開發階段

　　制造商提供的(de)新産品可(kě)能向後兼容，也(yě)可(kě)能不兼容，或者可(kě)能包括反映市場(chǎng)趨勢的(de)硬件、固件或增強功能的(de)更新。因此，新産品可(kě)能需要在輔助工具或培訓方面進行投資。需要根據附加值和(hé)供應商支持能力，針對(duì)早期識别的(de)相關風險，對(duì)入門階段的(de)産品進行評估。

　　2活躍銷售或成長(cháng)階段

　　技術已被接受并廣爲人(rén)知。可(kě)以從當前用(yòng)戶或出版物(wù)獲得(de)關于産品性能的(de)有用(yòng)反饋。制造商支持對(duì)産品進行投資，提供一緻的(de)更新和(hé)補丁。SMP團隊必須注意每個(gè)SCADA組件的(de)壽命與平均壽命周期的(de)關系。PLC的(de)生命周期通(tōng)常爲10 至15 年；然而，服務器硬件和(hé)操作系統可(kě)能需要5 年的(de)擴展支持，而操作系統可(kě)能還(hái)可(kě)以延長(cháng)最多(duō)5 年。

　　3售後支持

　　這(zhè)是購(gòu)買硬件之後的(de)階段。有時(shí)，供應商決定停止産品開發，以支持版本更新，而其可(kě)能需要對(duì)硬件或軟件進行完全更改。這(zhè)期間仍可(kě)能提供關鍵更新或備件，以解決安全補丁等嚴重問題。SMP 必須包括清晰的(de)策略，來(lái)更換處于該生命周期階段的(de)SCADA 組件。

　　4過時(shí)或衰退階段

　　制造商不再爲SCADA組件提供支持或維護。在這(zhè)種情況下(xià)，客戶需要在沒有保障的(de)情況下(xià)使用(yòng)二級市場(chǎng)，或者依賴其庫存和(hé)員(yuán)工知識管理(lǐ)。

　　制定SCADA 總體規劃的(de)4個(gè)方法

　　通(tōng)常情況下(xià)，SMP由工程公司采用(yòng)多(duō)種方法完成，但項目的(de)重點将取決于客戶的(de)特殊需求，以及工程公司的(de)核心能力和(hé)經驗。最常見的(de)方法有：

　　基于風險和(hé)以可(kě)靠性爲中心的(de)方法：該方法脫胎于制藥和(hé)石油天然氣等行業，其目标是通(tōng)過分(fēn)類和(hé)識别可(kě)能影(yǐng)響監控能力的(de)潛在風險，來(lái)避免不可(kě)接受的(de)風險。進行以可(kě)靠性爲中心的(de)分(fēn)析，以評估提議(yì)的(de)或現有的(de)設計解決方案是否足以滿足工藝要求，通(tōng)常需要估計每種故障模式的(de)故障間平均間隔時(shí)間，以确定控制措施是否可(kě)接受，SCADA設計中以可(kě)靠性爲中心的(de)方法，将冗餘和(hé)避免共因故障點作爲設計标準。

　　在供水(shuǐ)/ 廢水(shuǐ)處理(lǐ)行業，基于風險和(hé)以可(kě)靠性爲中心的(de)方法，對(duì)于服務于大(dà)量人(rén)口（太大(dà)而不能出問題）或對(duì)消費者、運營商和(hé)社區(qū)具有潛在危險的(de)流程的(de)系統至關重要。供水(shuǐ)和(hé)廢水(shuǐ)處理(lǐ)系統通(tōng)常都包括一個(gè)集中式SCADA系統，其中包含用(yòng)于收集和(hé)分(fēn)發的(de)遠(yuǎn)程站點。

　　差距分(fēn)析方法：該方法将SCADA系統的(de)當前性能，與指定或期望的(de)性能水(shuǐ)平進行比較。典型的(de)差距評估，可(kě)能包括評估當前的(de)系統，直至自動化(huà)、警報管理(lǐ)、故障率、過時(shí)和(hé)态勢感知的(de)原始設計。

　　SMP中包含的(de)最新評估之一是網絡安全差距分(fēn)析，用(yòng)于評估整個(gè)自動化(huà)系統當前和(hé)理(lǐ)想信息安全狀态之間的(de)差異。作爲SMP 一部分(fēn)的(de)網絡安全評估至少應包括以下(xià)内容：

　　■硬件、軟件、許可(kě)證和(hé)用(yòng)戶訪問的(de)清單。

　　■評估策略和(hé)程序。

　　■識别阈值、風險和(hé)脆弱性。

　　■漏洞優先級報告。

　　技術升級和(hé)及标準化(huà)方法：SMP最常見的(de)驅動因素是硬件和(hé)軟件過時(shí)、缺乏供應商支持以及對(duì)統一技術的(de)期望。SMP将重點放在提出由市場(chǎng)研究、替代分(fēn)析、OT支持能力評估、資本支出和(hé)運營支出分(fēn)析支持的(de)解決方案，以提供一系列建議(yì)，概述SCADA 系統升級或更換的(de)路線圖。這(zhè)項工程通(tōng)常通(tōng)過一套概述SMP 設計标準的(de)儀表和(hé)控制文件來(lái)完成（見圖2）。

圖2 ：在本例中，概述SCADA 總體規劃設計标準的(de)典型标準文件。

　　基于研討(tǎo)會的(de)總體規劃方法：該方法旨在通(tōng)過一系列精心策劃的(de)研討(tǎo)會， 确定SCADA 系統的(de)基線狀态條件和(hé)問題，重點關注SCADA系統評估和(hé)客戶觀點。這(zhè)種方法專注于深入識别已知和(hé)未知問題，以開發最合适的(de)解決方案，優先考慮并在股東的(de)共同願景中達成共識。最合适的(de)解決方案是具有可(kě)持續框架的(de)可(kě)擴展計劃，該框架使人(rén)員(yuán)、流程和(hé)技術保持一緻。

　　SCADA總體規劃框架

　　一個(gè)好的(de)SMP必須有一組有序的(de)任務，明(míng)确定義按順序和(hé)邏輯順序執行的(de)目标，其中每個(gè)步驟都爲下(xià)一個(gè)任務提供輸入（見圖3）。

圖3 ：在該SCADA 總體規劃框架中，“最适合”的(de)解決方案是一個(gè)可(kě)擴展的(de)總體規劃，具有協調人(rén)員(yuán)、流程和(hé)技術的(de)可(kě)持續框架。

　　團隊組建：SCADA總體規劃的(de)成功，在很大(dà)程度上取決于利益相關方的(de)參與，因爲運營人(rén)員(yuán)、主管和(hé)維護人(rén)員(yuán)通(tōng)常知道哪些流程、業務和(hé)運營事項能爲整個(gè)SMP 增加價值。SCADA總體規劃的(de)成功很大(dà)程度上依賴于利益相關者的(de)參與，因爲操作員(yuán)、主管和(hé)維護人(rén)員(yuán)通(tōng)常了(le)解爲整個(gè)SMP增加價值的(de)流程、業務和(hé)運營事項。組建一個(gè)在流程、業務和(hé)技術方面具有經驗和(hé)知識的(de)團隊是作爲項目成功裏程碑需要完成的(de)第一項任務。團隊确定後，将召開一系列研討(tǎo)會和(hé)小組會議(yì)，給出任務和(hé)責任的(de)明(míng)确定義，以便讓信息量和(hé)設計過程在整個(gè)SMP中層層遞進（見圖4）。

圖4 ：該圖顯示了(le)SCADA 總體規劃團隊案例。

　　系統評估和(hé)需求開發：該步驟包括收集相關信息， 以了(le)解當前的(de)自動化(huà)系統、SCADA生命周期狀态和(hé)相關問題。它需要與員(yuán)工面談并召開研討(tǎo)會，并對(duì)系統文件進行全面修訂，這(zhè)可(kě)以通(tōng)過三項主要任務來(lái)完成：

　　■定義團隊角色和(hé)與客戶的(de)接口，從每個(gè)利益相關方的(de)角度收集已知問題。

　　■記錄現有架構、流程圖、硬件和(hé)軟件、典型面闆圖紙、網絡安全政策等。總體範圍是強調支持更換或升級設計标準的(de)要素。

　　■了(le)解組織支持當前系統的(de)能力。

　　在該階段結束時(shí)，團隊必須能夠列出組織需求，并獲取一組解決方案，這(zhè)些解決方案可(kě)以在運營、維護、工程、支持和(hé)網絡安全等多(duō)個(gè)領域進行評估。

　　替代方案開發、風險分(fēn)析和(hé)評估：在這(zhè)個(gè)階段，團隊的(de)重點是對(duì)可(kě)能的(de)自動化(huà)技術和(hé)SCADA架構進行壓縮性修訂，以滿足流程和(hé)業務需求。團隊必須對(duì)每個(gè)解決方案進行系統評估、備選方案分(fēn)析和(hé)風險評估。供應商演示和(hé)技術研討(tǎo)會，是該階段不可(kě)分(fēn)割的(de)一部分(fēn)；其目的(de)是讓決策者了(le)解一系列可(kě)行的(de)技術解決方案，以最大(dà)限度地延長(cháng)系統生命周期（見圖5）。

圖5 ：該圖說明(míng)了(le)SCADA 總體規劃技術趨勢討(tǎo)論的(de)場(chǎng)景。

　　場(chǎng)景開發和(hé)解決方案評估：此階段旨在通(tōng)過有據可(kě)查的(de)評估，制定一系列包含硬件、軟件和(hé)可(kě)施工性方法的(de)備選方案列表。團隊必須提供減少範圍的(de)供應商選項或解決方案來(lái)解決系統需求，包括資本支出、運營支出以及組織差距和(hé)挑戰。

　　場(chǎng)景評估必須制定一個(gè)評估矩陣，描述提議(yì)的(de)架構、供應商解決方案、網絡安全方法、災難恢複、數據流（從報警和(hé)事件管理(lǐ)到業務集成）、内部或供應商支持要求以及維護和(hé)開發所需的(de)技能水(shuǐ)平。

　　目标定義、詳細計劃、成本估算(suàn)、檢查點和(hé)最終報告：SMP 的(de)最後階段包括推薦備選方案的(de)文檔開發，以及滿足客戶需求所需的(de)硬件、軟件和(hé)應用(yòng)功能的(de)詳細定義。文件必須強調可(kě)靠性、預期壽命周期、知識管理(lǐ)、升級、集成和(hé)擴展能力。詳細的(de)計劃必須包括設計和(hé)施工過程及進度，以及區(qū)分(fēn)硬件和(hé)軟件成本與開發成本的(de)完整成本估算(suàn)。SMP必須包括所有SCADA 組件和(hé)開發規範，包括标準化(huà)面闆、PLC 硬件和(hé)HMI 應用(yòng)的(de)文件。

　　雖然對(duì)于成功開發SMP所需的(de)流程沒有共識，但許多(duō)咨詢公司都遵循類似的(de)方法，首先明(míng)确了(le)解客戶的(de)需求，然後在與利益相關方密切互動的(de)指導下(xià)，對(duì)當前系統進行全面評估。因此，真正了(le)解企業當下(xià)運營情況以及最新軟、硬件技術的(de)經驗豐富的(de)工程師對(duì)項目的(de)推進非常重要。

　　最終，一個(gè)适合的(de)SCADA總體規劃解決方案将被交付，它側重于系統和(hé)組織需求，對(duì)趨勢、市場(chǎng)成熟度和(hé)潛在的(de)改進機會有一個(gè)全面的(de)理(lǐ)解，能夠最大(dà)限度地提高(gāo)投資的(de)生命周期，并确定可(kě)持續的(de)維護和(hé)擴展方法。（作者 | Giselle Villar，CDM Smith）

　　關鍵概念：

　　■ 了(le)解什(shén)麽是SCADA 總體規劃及其組成部分(fēn)。

　　■ 确定制定SCADA總體規劃的(de)方法和(hé)步驟。

　　思考一下(xià)：

爲企業制定一個(gè)适合的(de)SCADA 總體規劃需要哪些步驟？