引言
在SCADA 系统中加入实时的视频流是未来的趋势。SCADA图形界面的基本元素是动画，理论上讲是按照采集的数据画出来的，是“二手的”。 随着计算机技术、通信技术和图形压缩技术的发展，如今已经可以把实时画面集成到SCADA系统中了。
监督控制与数据采集（SCADA）是一种用于控制过程的技术，它可以扩展到很长的距离。在很多工厂中，过程的不同部分距离中控室有非常远的距离，而中控室的SCADA系统要经过分布式控制系统（DCS）读取到相关数据。通常控制这些过程是相对简单的，包括测量温度/压力/液位/流量、监视报警、打开或者关闭阀门、启动或者停止马达、接通或者断开开关、调整位于过程附近控制器的设定值。虽然这种控制并不复杂，但作用至关重要。而且，我们对这些过程信息的反应速度不是要求很高――反应时间不需要很快。如果这些情况是真实的，为什么SCADA系统还是这么受欢迎？
过程控制系统的定义
很久以前，所有过程都是由人工来控制的。大多数工艺是“批处理”类型的过程。当时的情况是：用人工负责混合正确数量的原料成分放入罐中，然后把混合料加热到设定温度，再按照经验的固定时间搅拌，最后冷却输出后生成产品。通常，如果每种原料成分的数量是正确的，混合搅拌的操作则具有个人偏好的特点，如对加热所需温度的估计，冷却速度要考虑周围的温度影响等。
后来，人们发现：产品的质量取决于谁在进行混合工作。在这之后的一段时间里，经验决定了某个人混合的产品比另一个人混合的产品要更好。好的操作控制要经过不断的实践。温度传感器用于温度的测量。机械的搅拌代替了人，使原料的混合更加均匀。对冷却的变化率也进行了统计，可以选择最佳的数值。进而言之，过程仪表的引进也提高了产品的质量。
在这个时间段，控制这些因素的人转换为读取相关仪表的数据，然后手动调节燃料进给和搅拌速率，在正确的时间加入原料成分，按时除去热源，最后用正确的速率提供正确温度的冷却水。在每个批处理生产完成后，操作人员还要对罐体进行清洁工作。
随着过程仪表的改进，这种处理模式开始往一些更传统的过程应用转移，从“批处理”过程到“连续”过程。流动的物体现在可以向过程容器中加入，也可以从过程容器中输出，而不需要暂停流程。通过调整设备的设定值，可以控制发电机的电压和电流，而不需要停止发电机。材料可以加工成适当的尺寸，而不用停止加工过程来测量尺寸是否正确。如果能够正常地完成连续过程，这种处理结果极大地提高了生产量。但还需要操作员非常仔细地关注过程细节，因为过程值的偏离会影响产品的质量。
下一步的发展集成了测量和控制功能。当混合物温度过高时，用一台控制器可以轻松完成减少燃料投放，它可以比操作员更好地完成工作，因为操作员有时会精力不集中。对产品温度变化的控制也进行了增强，可以在预定时间后，使加热设备断开热源，甚至可以增加设备提供冷却水进行降温。操作员的功能变成了对所有设备的监视员，以确保设备正确无误地工作。当操作员不再被一个过程连续地占据时，管理人员可以把两个或者三个过程指派给一个操作员。控制设备也从一个角落变成了整个房间，专门从事过程的控制。从过程到中控室增加的距离，也意味着气动和液压管线会形成更大的花销，而使用一对电线，专门传送一个信号可以来替代管线。
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离舒适还很远
总有一些过程是需要操作员参与的，但不是经常。考虑到水电站或者农业灌溉系统，它们可以运行多日而不需要操作员的干预，但在启动或者停止发电站或者灌溉设备时，必须要有操作员来开阀门或者闭阀门。再考虑一个油田，那里生产的原油必须经过一个专用的管道实现转移，这个过程需要进行计量，好知道传送了多少油、水和/或天然气。在这种情况下，操作员必须在几分钟里完成必要的操作，而真正实现原油的转移则需要几个小时。
直至大约50年前，当时的技术还不能提供远程监视和控制。人们不得不在一个过程的本地，或者他们不得不驾驶汽车从一个地方到另一个地方，去采集相关数据，而且要有足够的经常才能有效。尔后，使用专用电缆，通常是租用电话公司的，简单使用在远程区域中传感器的开关状态，把变化传送到了中控室，使操作员知道现场发生了什么情况。一开始，数据流动的方向是单向的，通常从现场到中控室。由于是一个方向，所以这还不是SCADA系统，它只是简单的遥测系统。
在使用无线电信号之前的一段时间里，从远程区域到中控室都使用这种遥测数据。然而，早期系统的速度有时非常缓慢，每两分钟或三分钟才能传送1个位，并且缺少通信的可靠性技术，系统需要接收多个实例信号，然后对它们进行比较，才能判断接收的不只是噪声。针对系统的这种问题，也进行了专门的研究，问题已经得到了解决。因为对通信介质的感抗和容抗有不同反应，引起了信号的扭曲和变形，所以限制了信号的传送距离，这已经成为了共识。军事和航空项目是使用遥测技术的先行者，他们证实了数字信号可以成功地传送，而且可以传送更远的距离。另外，数字信号可以在信息的结尾附加一个短内容，它可以指示在传输过程中是否发生错误。
最后，人们产生了是否可以通过发送指令，把现场数据收集起来的想法。把所有上述的内容结合到一起之后，最终成就了SCADA系统的诞生。
为什么不叫CADA?
自从我们初始定义描述的SCADA作为一个工具是“…控制过程，延伸更远…，”它似乎应该称之为“控制和数据采集”或者CADA更合情理。我们为什么没有这样称呼它的原因是基于这样的认知：即SCADA系统的通信缺乏可靠性。在地域不大的小过程，像精炼厂、水泥厂和发电站，从中央控制器到每个传感器和执行器，建厂时都有专用的电缆。这些通信通道的可靠性是非常高的。对于像这种情况的过程，我们可以下这样的赌注，即执行器的位置完全按照控制器发出的指令执行。我们可以依靠来自中央控制器到执行器的连续控制信号。
SCADA系统对于我们做的这种假设而言，还不足够可靠，因为它们要依靠无线电和/或租用线路。作为替换，我们可以安排使用专用线路，但有时是有限制的，控制器位于过程很近的位置，我们要使用SCADA系统来更改这些控制器的设定值，作为一个管理人员，最好现场有一个人才这么做。如果通信系统导致更改设定值不成功，这也没有什么了不得。更改结果的反馈信息会在下一个状态报告时间、主站终端单元（MTU）中显示，如果更改没有发生，可以再次发送更改指令。
考虑到有些事就像打开一个阀门这样简单。如果有一个操作员离这个阀门很近，这个操作员可以打开一个开关，中断给阀门供气电磁阀的电源。一个SCADA系统操作员能够在中控室里打开这个开关。那个开关位置包括在发送到远程终端单元（RTU）的指令之中。RTU可能接收指令并且存储在存储器的专门位置中，映射针对的阀门。几乎马上，阀门的电磁线圈电源被中断，并且到阀门的空气消失。阀门将关闭。在下一个扫描周期，RTU将发送所有阀门状态指示。如果阀门正常移动，不需要做如何的动作。如果阀门移动失效，将产生一个报警，提醒操作员有阀门故障，可以进行指令的重新发送。
有限的功能
SCADA 的功能是有限的。下面来看看SCADA 系统为我们做了什么事情：
SCADA 系统收集状态点的信息：状态点是离散量，二进制值。一台马达是否在运行，或者处于停止；一台通/断的阀门是在打开的位置还是闭合的位置；电源处于有效状态还是无效状态。中控室的操作员需要知道所有设备的状态，使过程能够正常地运行。每个地方的设备状态开关一般连接到最近的RTU。RTU存储了每一个设备二进制数值表，以一或者零的格式，对应于每个设备的特定位置。当MTU 需要它们时，这些开关的状态都会传送给MTU。
SCADA系统也可以收集模拟量值：模拟量的值比离散量值要复杂得多。一个模拟量可以告诉你阀门打开了多少，可以告诉你炉膛内的温度有多高，还可以告诉你通过一个导体的电流有多大。当收集纯模拟量值时，需要把物理量转换成标准的模拟量，诸如4－20毫安电流或者1－5伏电压，然后再转换成不同位数的数字量值（根据精度要求），存储在RTU中，每个RTU都有时间标签，当MTU需要它们时，就发送给MTU。
SCADA系统还收集累计数据：在每一个分布过程的位置，使用一些非常简单地测量来指示生产情况。如：发电站测量的功率乘以时间转换成能量；灌溉测量站测量的流速累计了时间后变成流量；管线输入站测量产品杂质，在集成了时间后，换算出平均的杂质水平等。这些累计值是采样值，转换成大于一位的数字量值，存储于每个RTU，当MTU需要它们时，就传送给MTU。
SCADA 系统监视报警：报警要比状态点复杂得多。对于某些报警，诸如一个火焰或者闯入报警，报警指出的现场位置也应该有相同的状态点，某个开关的状态总是蕴含着一个报警条件。为了提供更多的信息，只知道设备的一小块状态还不够。这些功能报警只是一个提示，指出设备的状态与操作员期望的或者命令的不一样。对于这些信息，指示的现场也应该有相同状态点，从逻辑上说，即在远程站或在主站，必须解释开关位置含意，并且与命令要求的内容进行比较，判断报警是否真的存在。对于已有的报警，现场指示还应该有模拟量测量，报警条件仅当测量值与期望值在MTU比较后，才会给出。
SCADA系统允许监督控制：SCADA系统允许位于中控室的操作员使用连接到MTU的人机界面（HMI）改变位于远程现场简单过程控制器的设定值。这些设定值不仅针对那台RTU，也针对那台RTU连接的特定控制器。控制器可以是位于RTU附近设备的分离部分，或者是RTU本身的一部分功能。
控制器是控制系统的一部分，基于接收来自MTU的设定值，控制器对过程执行器提供了一个连续信号。另外，控制器或者执行器将通过RTU对MTU返回一个报告，告诉操作员现场发生了哪些情况。
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在RTU端的HMI
对于中控室有人进行操作的情况不同，在某些远程位置有人操作，在某些地方是无人操作的。如果远程位置有人操作，设备可以用人工启动。在现场，RTU通常会把设备运行情况告诉操作员，过程发生了什么，并且允许操作员对过程进行调整，这就是在RTU的HMI。
这种HMI的复杂程度会根据过程的复杂程度而变化，也会依据操作员使用它的频率而变化。对于非常简单的过程，只有不多的输入点和输出点，HMI可能就是一些灯和/或者电气仪表，告知操作员现场情况，而且有一些开关和/或者电位器可供操作员调整过程设备。这种类型的HMI可以通过或者不通过HMI进行操作。
对于比较复杂的过程和那些需要有操作员操作过程的情况，HMI有可能是比较复杂和昂贵的。它需要有一个图形显示器，与分布式控制系统的图形用户界面差不多，采用完全的触摸屏，有多个过程和趋势页面，报警提示和记录，可能还有硬拷贝输出。
如果远程位置是无人操作的，HMI可以与上述简单的HMI类似，或者根本不存在。如果在现场没有HMI，RTU端可以考虑配备一个笔记本电脑的接口，当需要操作员参与时，笔记本电脑可以做为一个HMI来使用。
在MTU 的HMI
对于几乎所有的SCADA系统，在MTU的位置端必须至少有一台基于HMI的计算机。所有的MTU都建立在计算机的基础之上；虽然早期的管线、电厂和灌溉SCADA系统具有整体的HMI灯光模拟显示墙，现在大多都被计算机的显示屏或者投影屏所取代，因为现在的技术可以提供更多的信息，并且效率更高。
每个远程过程部分的设备分布图会显示在MTU 的HMI中。操作员可以调出每个过程的流程图，当操作员对某个控制功能进行操作时，相应的流程图可以通过编程自动地在屏幕中出现。在操作员的控制下，通过颜色编码的阀门、马达和其他过程组件会发生变化，通过图形的不断刷新，操作员可以了解过程的状态。通过鼠标或者触摸屏的控制，操作员可以容易地访问过程，方便地调整过程参数。根据不同的危险级别，可对报警要采取不同的反应，在有些情况下，要对操作员实行手机呼叫。
过程和人员安全
过程的控制是重要的，而某些特别的过程类型具有潜在的危险。使用缓慢、不可靠的通信系统，我们如何才能避免这种危险？
保护的第一条防线就是必须不依靠通信系统。由SCADA监视和控制的每个危险过程，必须在过程的现场装有一套安全系统。在所有可能出现的情况，它必须有把过程转移到安全状态的能力，包括电源故障、电缆故障和传感器故障。关于安全的话题，现在已经有了好多的信息可供我们参考，在这里就不多说了。
当然，当安全系统把过程引入到了安全状态，SCADA系统也能够把这一情况通过通信系统报告给操作员。
用于很多工业的成熟技术
除了早期技术开发的工业，60年代和70年代－石油和天然气、发电输电、铁路、管线和灌溉－SCADA已经应用于很多量大、简单的过程工业，并且通过遥测数据收集和简单监督控制的结合获益。对于非常长距离的SCADA，很难想象对火星漫游者的监督控制，通过地球端的计算机发送指令，驱动飞行器在另一个星球漫游。
SCADA如何工作
过程控制器接收来自中控室的过程指令控制过程执行，控制器的输出控制过程执行器。 当过程现场到控制器与中控室的距离太远时，监视控制和数据采集（SCADA）系统需要专门的通信设备，使监视和控制的工作仍然可以完成。
操作员坐在人机界面（HMI）面前，负责对过程的运行进行监督和控制。HMI连接到一个主站终端（MTU），MTU发送和接收经过数字编码的信息与RTU沟通，监视和监督整个过程，有时距离会超过上千公里。过程传感器或者执行器的每次集中都连接到一个远程终端单元（RTU）。SCADA系统通常由一个 MTU和多个（一个）RTU组成。
SCADA 系统不必快速地通信。因为它们提供的是一个监督功能，它们必须扩展至RTU，无论在什么方向。在RTU的位置可以改变设定值。RTU会发送反馈信息到MTU回送至操作员。这些信息表示了过程的当前状态。
系统数据必须考虑通信系统不一定可靠，并且在重要的时间周期内，可能没有MTU和 RTU之间的通信。这可能需要增加相应的安全系统。
在SCADA中加入视频
在SCADA 系统中加入实时的视频流是未来的趋势。SCADA图形界面的基本元素是动画，理论上讲是按照采集的数据画出来的，是“二手的”。 随着计算机技术、通信技术和图形压缩技术的发展，如今已经可以把实时画面集成到SCADA系统中了。有些公司已经开发出嵌入视频的SCADA软件，可以集成视频信号。和IP监视摄像机一起使用，这种软件提供了在重要的位置，捕捉和传送重要信息的解决方案。视频监视可以使用Modbus协议和事件驱动技术，因而节省了带宽。视频可以在本地连续记录和存储。一旦探测到变化，会发出报警信息，附带视频“片段”，传送到中控室，显示在事件前后发生了什么情况。通过视频的图形显示, 操作员能够看到现场发生的真实画面，而不需要派专人到报警现场进行调查。
通过带有视频的SCADA主屏幕，用户可以实时观看视频信息，当检测到安全的威胁时，可以远程控制摄像机，从而降低了成本，最大地利用现有资源。这样，今天操作员所看到的画面不再是“动画”，而是“现场直播”了，使我们感到今天的SCADA系统，展示的监视和控制更加的真实了。
远程视频引擎和视频控制中心之间的通信，可在过程现场和中控室之间进行，使用以太网或者串行链路Modbus等协议。视频通过OPC接口连接到SCADA，视频平台的作用像OPC服务器，而SCADA像OPC客户机。视频报警、摄像机状态、摄像机控制可以用SCADA通过OPC接口来实现。
通过新的和现有的SCADA网络，有些公司已经成功地实现了视频监视服务，开发过程和控制监视全部无缝集成，进一步还可以实现现场资产的视频监视。视频系统集成在SCADA中是一种性价比极高的选择，达到了优化SCADA系统的作用，为用户节省了时间和费用，同时增加了安全，提高了运行效率。
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