开发一个SCADA主计划框架

众所周知，技术在当今的水和废水工业中扮演着重要的角色。正确选择和实施监督控制和数据采集系统的组件，以确保设施运行的连续性和成功是至关重要的。

自动化基础设施的过时，技术生命周期的缩短，网络安全威胁的无处不在，以及新一代用户对智能技术的需求激增，不断迫使现有SCADA系统进行改变，这是公共和私营部门SCADA总体规划的共同驱动力。

SCADA总体规划通常由工厂流程、终端用户的特定需求、预算限制、新的颠覆性技术范式的提升以及当前大流行等意外挑战形成，这些挑战要求更多的无监督智能控制和安全远程访问。

什么是SCADA主计划?

SMP是一组有组织的提案、工程文档和指导方针，用于生成与SCADA和自动化资产相关的资本支出项目的设计框架和路线图。

第一个有充分文件证明的smp是由费城水务局在1975年开发的。它包括一系列的可行性研究，以制定一个五年计划，为水处理和分配实施一个现代化的自动化系统，以确保以最低的成本获得最好的水质。主要计划包括许多仍在使用的方法，包括多学科方法和自动化资产清单的评估。

的美国水工程协会公用事业管理手册建议制定SMP，以实现以下目标:

• 建立并记录有效运营控制的愿景、策略和目标。
• 发现业务、操作和技术需求并对其进行优先排序。
• 建立一个协调的，优先的计划，以满足操作目标。
• 定义短期和长期项目，包括成本、资源和进度。
• 定义政策，程序组织，技术和变更管理。
• 在涉众和执行发起人之间建立买入价。

实现这些目标的主要因素是理解客户的需求，确保了解利益相关方从项目初步阶段对SCADA系统的期望。整体目标是使技术能力对齐技术能力，以发展所谓的“最佳”解决方案，以实现利益攸关方之间的共同愿景，以制定一个具有可持续框架的可扩展系统，提供全面的框架对所有用户的服务集。

目标与计划期

关于每个项目规模的决定取决于几个因素，包括过程要求、可施工性因素、预算、资源、运营、业务影响和项目范围。有效的smp评估项目需要估计时间表以满足期望的结果。

长期项目通常都有相当程度的复杂性和投资。ltp通常追求多个独立的目标。许多ltp解决了不断增长的水处理需求，这转化为改进自动化系统的必要性。这些改进领域包括数据共享、通信、硬件和软件标准以及网络安全。一个成功的SMP应该对LTP进行优先级划分，并将其划分为短期项目，以实现可管理性。

短期项目专注于需要较少预算和时间完成的具体目标。例外情况可能是需要立即关注的计划外事件，如灾难恢复或补救工作。在大多数情况下，stp意味着SCADA基础设施的变化，对现有操作的影响最小。stp的某些部分可能包括影响长期目标的关键服务或设备，比如需要专门的供应商软件包或改进网络或网络安全基础设施。

飞行员或试验项目正在执行小规模应用程序，以证明一个想法的可行性，同时管理风险并识别缺陷，然后在向植物全部实施实施之前。试点或试验将确认拟议的概念的可行性和可扩展性，允许最终用户规划安全预防措施，方法和资源分配，以降低完全实施期间的风险。在某些情况下，导频或试验项目可以成为比较商业解决方案的工具。

水和废水部门

水/废水部门有三个主要领域:水处理、废水处理和水资源管理。水处理是收集、净化和分配供人类使用或消费的水，也被称为饮用水。废水处理是指对来自人造来源的污水或生产过程副产品等受污染的水的处理，并在最小的生态破坏的情况下将这些水返回环境。这两种系统通常都包括一个集中式SCADA系统，并带有用于收集和分发的远程站点。

水资源管理是对水资源的控制，以最大限度地减少对生命和财产的损害，并对水进行分配，使其获得最大的效益美国农业部(U.S. Department of Agriculture)表示。水资源的控制是指管理与水有关的风险，如洪水、干旱和污染。水资源还必须在饮用水和卫生服务、粮食生产和能源生产的需求之间取得平衡，同时维持依赖水的生态系统和自然水体。

公用事业公司利用地理信息系统来收集、管理和分析与水有关的位置数据，以做出明智的运营决策。地理信息系统可以跟踪水的使用模式，污染和识别问题，如水管断裂和其他维护要求。

谁需要SMP，为什么?

在许多情况下，smp是由遗留SCADA基础设施的限制和缺陷或为现有SCADA系统的最终生命周期结束做准备的必要性所驱动的。

在其他情况下，smp属于资本投资改善项目的范畴，其触发因素包括:

• 植物扩展显着影响现有基础设施。
• 由于过时、支持问题或技术变化而需要提高可靠性。
• 需要大量投资的合规项目或法规。在2007年,波多黎各渡槽和下水道管理局开发了一个主要的自动化程序，这是由与美国环境保护署达成的一项合规协议驱动的。
• 法律的执行或协议坦帕市1998年修订的《跨地区协议》要求水务机构每五年更新一次长期的水资源总体规划(以20年为期限)。
• 增加网络安全风险。
• 有必要通过硬件和软件的标准化来降低运营费用。
• 多年来，许多项目使用了完全不同的硬件和/或软件。

人为因素、标准化和生命周期

SCADA操作员、主管和运维技术支持人员是SCADA系统的主要利益相关者，衡量他们的满意度是衡量SCADA实施成功与否的有效方法。

在“自我效能:行为改变的统一理论“Albert Bandura写道，”一个人的使用产品的感知能力成功地影响了他们对产品的评价和行为响应。“

有几项研究模拟了这个概念，如由黎政描述在题为“新技术技术采用模型和理论的文献综述”的论文中。对SCADA工作人员当前的技术准备程度、技术接受程度、其必要性、期望和工作条件的评估，以及对OT支持单元的维护和知识管理工具的清晰理解，都是任何SCADA规划的重要要求。

理想的SMP应该提供一个游戏计划，允许通过标准化SCADA系统的常见元素，如控制面板、硬件、软件、人机界面软件和可编程逻辑控制器及其应用程序来复制所提出的解决方案。标准化目标可能不同;然而，最常见的理由是节省成本，提高安全性和维护，或缩短学习曲线。

标准化过程在许多行业都是众所周知的，但在实践中却知之甚少。根据Carl F.Cargill的模型的说法，标准化模型努力通常以五个阶段执行：

1. Pre-conceptualization:团队必须评估哪些组件、行业标准、最佳实践或供应商解决方案可以接受标准化评估。重要的是要考虑利弊，并获得利益相关者的共识，以决定保留或放弃每个想法。
2. 概念化：批准如果想法能够进行标准化，定义如何实施和评估成本和维护。
3. 讨论:必须根据风险和对流程、操作和业务的影响来评估标准化模型，包括未来更改的灵活性水平。
4. 写作:标准化过程的最后阶段包括开发用于SMP构建阶段的规范，包括测试方法和度量标准，以评估将按照指定的标准交付的产品。
5. 实现:确保最终系统的验证符合指定的接受标准是至关重要的。由于许多不可预见的因素，标准可能成功，也可能失败。标准的成功并没有确切的标准;然而，标准化失败的一些常见原因可以追溯到讨论阶段缺乏共识，或者定义或规范不充分。

SMP的目标之一是达到投资生命周期最大化的解决方案。SCADA系统的主要组成部分(PLC、网络设备/硬件、服务器、操作系统和SCADA软件)分为以下几个阶段:

1. 起步阶段或发展:制造商提供的新产品可能是向后兼容的，也可能不是向后兼容的，也可能包括硬件、固件的更新或反映市场趋势的增强功能。因此，新产品可能需要在支持工具或培训方面的投资。引入阶段的产品需要在附加价值和供应商支持能力的上下文中进行评估，以应对早期采用的相关风险。
2. 活跃销售或成长期:技术是公认的和众所周知的。可以从当前用户或出版物获得关于产品性能的有用反馈。制造商支持对产品的投资，提供一致的更新和补丁。SMP团队必须注意每个SCADA组件的年龄与平均生命周期的关系。PLC的生命周期一般为10 - 15年;然而，服务器硬件和操作系统在扩展支持下可能有5年的时间，而操作系统可能最多有5年的时间。
3. 售后支持:这是在购买硬件之后的阶段。有时，供应商决定停止产品开发，以支持可能需要在硬件或软件上进行完全更改的更新版本。为了解决诸如安全补丁之类的严重问题，可能仍然会提供关键更新或备件。SMP必须包括一个明确的策略来替换处于生命周期这一阶段的SCADA元素。
4. 老化或衰退阶段:SCADA组件不再由制造商支持或维护。在这种情况下，客户需要在没有保修的情况下使用二级市场，或者依靠他们的维护库存和员工知识管理。

SCADA主计划方法

尽管SMP通常是由许多工程公司使用多方面的方法来完成的，但项目的重点将取决于客户的特殊需求和想要以及工程公司的核心能力和经验。一些最常见的方法是:

基于风险和以可靠性为中心的方法:基于风险的方法是借鉴制药和油气行业等其他行业的概念，其目标是通过分类和识别可能影响监测和控制能力的潜在风险，以避免不可接受的风险。以可靠性为中心的分析是为了评估所提议的或现有的设计解决方案是否足以满足工艺要求，通常估计从故障到每种故障模式之间的平均时间，以确定控制是否可接受，以可靠性为中心的SCADA设计以冗余度和避免通用故障点为设计准则。

对于水/废水行业来说，基于风险和以可靠性为中心的方法对于服务于大人口(太大而不能故障)或对消费者、操作人员和社区有潜在危险的过程的系统至关重要。以下是由2013年Mitch Owens开发的SCADA组件的风险因素计算示例:

风险因子= [1+X(HW) + Y(SW) + Z(OS)] *Cond * Fail

地点:

Cond =设备状态(1=新，5 =故障)

Fail =失败后果(1= None, 5 =灾难性)

HW =支持硬件(0= Yes, 1= No)

SW =软件是否支持(0= Yes, 1= No)

OS =服务器硬件将支持OS或HMI版本升级(0 = Yes, 1 = No)

X、Y和Z是客户人员可以根据员工能力、备件和关注点分配的因素。

差距分析的方法:这种方法将SCADA系统的当前性能与指定或期望的性能水平进行比较。典型的差距评估包括评估当前系统的自动化水平，警报管理，失败率，陈旧和态势感知。

包含在SMP中的最新评估之一是一个网络安全差距分析，用于评估整个自动化系统的信息安全性的当前和理想状态之间的差异。作为SMP的一部分的网络安全评估应至少包括以下内容：

• 硬件、软件、许可证和用户访问的清单。
• 政策和程序的评估。
• 识别阈值、风险和漏洞。
• 漏洞优先级报告。

技术升级或更换标准化方法:SMP最常见的一些驱动因素是硬件和软件的过时、缺乏供应商支持以及统一技术的愿望。SMP将专注于提出解决方案，并通过市场研究、替代分析、OT支持能力评估、资本费用和运营费用分析提供一系列建议，概述SCADA系统升级或更换的路线图。这项工程工作通常以一组概述SMP设计标准的仪表和控制文档完成(参见图2)。

基于研讨会的主计划方法：基于讲习班的方法是一种多层面方法，通过一系列精心规划的讲习班，确定SCADA系统的基线状态条件和问题，重点关注SCADA系统评估和客户的观点。该方法专注于深入识别已知和未知的问题，以开发出最佳的解决方案，并在股东的共同愿景中找到共识。最适合的解决方案是一个可扩展的计划，该计划带有一个可持续的框架，使人员、流程和技术保持一致。

SCADA主计划框架

一个好的SMP必须有一组有组织的任务，明确的目标定义，按照顺序和逻辑顺序执行，其中每个步骤为下一个任务提供输入(参见图3)。

团队结构:SCADA总体规划的成功在很大程度上依赖于利益相关者的参与，因为运营商、监管人员和维护人员通常都知道为整个SMP增加价值的过程、业务和运营问题。组建一个具有过程、业务和技术经验和知识的团队，是作为项目成功的里程碑需要完成的首要任务。

在团队完成之后，在一批研讨会和小组会议中组织任务和责任的清晰定义，以允许大量的信息和设计过程在整个SMP中串联(参见图4)。

系统评估及需求发展:这一步包括收集相关信息，了解当前自动化系统、SCADA生命周期状态及相关问题和问题。它需要彻底修订系统文件以及工作人员面谈和讲习班，这可以通过以下三项主要任务来完成:

• 定义团队角色和与客户的接口，从每个涉众的角度收集已知的问题。
• 记录现有的架构、流程图、硬件和软件、典型的面板图、网络安全政策等。总体范围是突出将支持替换或升级的设计标准的元素。
• 理解组织支持当前系统的能力。

在这个阶段的最后，团队必须能够列出组织的需求，并捕获一组解决方案，这些解决方案可以在许多领域进行评估，如操作、维护、工程、支持和网络安全。

替代开发、风险分析和评估:在这个阶段，团队的重点是细化可能的自动化技术和SCADA架构的压缩版本，以满足流程和业务需求。团队必须对每个解决方案进行系统评估、替代分析和风险评估。供应商演示和技术研讨会是这个阶段的组成部分;其思想是向决策者公开一系列可行的技术解决方案，这些技术解决方案可以最大化系统生命周期(参见图5)。

场景开发和解决方案评估:这个阶段的目的是通过一个文档化的评估来开发一个包含硬件、软件和可构造性方法的备选方案列表。团队必须提供缩小范围的供应商选择或解决方案，以解决系统需求，包括资本费用、运营费用和组织差距和挑战。场景评估必须开发一个评估矩阵，描述建议的架构、供应商解决方案、网络安全方法、灾难恢复、数据流(从警报和事件管理到业务集成)、内部或供应商支持需求以及维护和开发所需的技能水平。

目标定义，详细计划，成本估算，检查点和最终报告:SMP的最后阶段包括推荐替代方案的文档开发，并包括满足客户需求所需的硬件、软件和应用程序特性的详细定义。文档必须强调可靠性、预期生命周期、知识管理、升级、集成和扩展能力。详细的计划必须包括设计和施工过程和时间表，以及一个完整的成本估算，将硬件和软件成本与开发成本区分开来。SMP必须包括所有SCADA组件和开发规范，包括标准化面板、PLC硬件和HMI应用程序的文档。

尽管对于成功开发SMP所需的过程没有共识，许多咨询公司遵循类似的方法，首先明确了解客户的需求，然后在与利益相关者的密切互动的指导下对当前系统进行全面评估。因此，使用真正了解当前硬件和软件以及最新硬件和软件技术的经验丰富的工程师是极其重要的。

因此，将提交一个最终的SCADA总体规划“最适合”的解决方案，重点关注系统和组织的需求;全面了解趋势、市场成熟度和潜在改进;使投资生命周期最大化;并定义了维护和扩展的可持续方法。