数据采集与监控系统（supervisory control and data acquisition，簡稱SCADA）一般是有監控程序及資料收集能力的電腦控制系統。可以用在工業程序、基礎設施或是設備中。

[编辑]系統的組成元素

SCADA系統會包括以下的子系統：

• 人機界面（human machine interface，簡稱HMI）是一個可以顯示程序狀態的設備，操作員可以依此設備監控及控制程序。
• （電腦）监控系統可以採集數據，也可以送出命令监控程序的進行。
• 远程终端控制系统（Remote Terminal Unit，簡稱RTU）連接許多程序中用到的感測器，数据采集（Data acquisition）後將數位的資料傳送給监控系統。
• 可编程序控制器（programmeable logic controller，簡稱PLC）因為其價格便宜，用途廣泛，也常用作現場設備，取代特殊功能的远程终端控制系统。
• 通訊網路則是提供监控系統及RTU（或PLC）之間傳輸資料的管道。

[编辑]系統概念

SCADA一詞是指一個可以監控及控制所有設備的集中式系統，或是在由分散在一個區域（小到一個工廠，大到一個國家）中許多系統的組合。其中大部份的控制是由远程终端控制系统（RTU）或PLC進行，主系統一般只作系統監控層級的控制。例如在一個系統中，由PLC來控制製程中冷卻水的流量，而SCADA系統可以讓操作員改變流量的目標值，設定需顯示及記錄的警告條件（例如流量過低，溫度過高）。PLC或RTU會利用回授控制來控制流量或溫度，而SCADA則監控系統的整體性能。

数据采集（Data acquisition）由RTU或PLC進行，包括讀取感測器資料，依SCADA需求通訊傳送設備的狀態報告。資料有特定的格式，控制室中的操作員可以用HMI了解系統狀態，並決定是否要調整RTU（或PLC）的控制，或是暫停正常的控制，進行特殊的處理。資料也會傳送到歷史記錄器（Operational historian），一般會是架構在商用的数据库管理系统上，以便追蹤趨勢並進行分析。

SCADA系統會配合分散式資料庫使用，一般稱為標籤資料庫（tag database），其中的資料元素稱為標籤（tag）或點（point）。一個點表示一個單一的輸入或輸出值，可能是由系統所監視或是控制。點可以是硬體（hard）的或是軟體（soft）的。一個硬體的點表示系統中實際的輸入或是輸出，而軟體的點則是根據其他點進行數學運算或邏輯運算後的結果（有些系統會把所有的點都視為軟體的點，無視其實際上是硬體或軟體）。一個點通常都是會以資料-時間戳記對的方式儲存，其中有資料，以及資料計算或記錄時的時間戳記。一個點的歷史記錄即可以用一連串的資料-時間戳記對所表示。常常也會在儲存時加上其他的資訊，例如現場設備或PLC暂存器的路徑，設計的註解及警告資訊。

[编辑]人機介面

SCADA的人機介面^[1]

人機介面（或簡稱為HMI）一個可以顯示程序狀態的設備，操作員可以依此設備監控及控制程序。HMI會連結到SCADA系統的資料庫及軟體，讀取相關資訊，以顯示趨勢、診斷資料及相關管理用的資訊，如定期維護程序、物流資訊、特定感測器或機器的細部線路圖、或是可以協助故障排除的專家系統。

HMI系統常會用圖像的方式顯示系統的資訊，而且會用圖像模擬實際的系統。操作員可以看到待控制系統的示意圖。例如一個連接到管路的泵浦圖示，可以顯示泵浦正在運轉，及管路中液體的流量，操作員可以使泵浦停機，HMI軟體會顯示管路中液體流量隨時間下降。模擬圖會包括線路圖及示意圖來表示製程中的元素，也可能用製程設備的圖片，上面再加上動畫說明製程情形。

SCADA系統的HMI軟體一般會包括繪圖軟體，可以讓系統維護者修改系統在HMI中的呈現方式。呈現方式可以簡單到只有螢幕上的燈號，用燈號表示現場實際的狀態情形，也可以複雜到是用多台投影機顯示摩天大樓中所有的電梯位置或是铁路中所有列车的位置。

實現SCADA系統時，警告處理是很重要的一個部份。系統會監控指定的警告條件是否成立，以確定是否有警告事件（alarm event）發生。當有警告事件時，系統會採取對應的行動，例如啟動一個或多個警告指示（alarm indicator），或發出電子郵件或簡訊給系統管理者或SCADA操作員，告知已有警告事件。SCADA操作員需確認（acknowledge）警告事件，有些警告事件在確認後其警告指示就會關閉，也有一些警告指示要在警告條件清除後才會關閉。

警告條件可能是外在（explicit）的，例如一個表示閥門是否正常的數位狀態點，其狀態可能是依據其他數位或類比點的資料，配合公式決定。警告條件可能是內在（implicit）的，例如SCADA會定期確認某類比點的數值是否超過其允許上下限的範圍。警告指示可能是警示音，螢幕上的弹出視窗，或是螢幕中某個區域閃爍或是用特殊顏色標示（汽車儀表板上「油料用完」的燈號就最簡單的例子）。警告指示的形式雖有不同，但其目的相同：提醒操作員系統的某部份有問題，需採取適當的對策。在設計SCADA系統時，需特別注意當短時間出現一連串警告事件時的處理方式，否則警告的根本原因（不一定是最早發生的事件）可能會被遺漏補，不被記錄。

在SCADA系統中，警告（alarm）一詞可能用來指稱許多事物，可能是警告點、警告指示或是警告事件本身。

[编辑]相關硬體

SCADA系統常使用分散式控制系統（Distributed Control System，簡稱DCS）中的元件。越來越多的系統使用智慧型的遠程終端控制系統（RTU）或可編程序控制器（PLC），可以自行處理一些簡單的邏輯程序，不需主系統的介入。在撰寫這些設備的設序時，常使用一種利用功能方塊來描述的程式語言IEC 61131-3，也就是階梯圖邏輯。IEC 61131-3和C語言或FORTRAN之類的程序語言不同，要訓練一般工程師了解IEC 61131-3所需的時間較短。因此架設SCADA系統的工程師直接處理在RTU或PLC上程式的設計及實現。可程式自動化控制器（programmable automation controller，簡稱PAC）是一個結合PC控制系統及傳統PLC特點的簡潔型控制器，可達到RTU或PLC可作到的機能，也在許多SCADA系統中使用。在許多SCADA系統的應用中，「分散式RTU」（distributed RTU）其中有微處理器或電腦，一方面可和數位保護電驛（digital protective relay）、PAC或其他輸入輪出模組通訊，也可以代替傳統的RTU，和SCADA的主站通訊。

大約從1998年年起，大部份主要的PLC供應商都可提供HMI/SCADA的整合式系統，其中許多使用開放式、非專用的通訊協定。許多特殊的第三方HMI/SCADA套件也內建和許多主要PLC通訊的能力，因此機械工程師、電機工程師或技術員也可以自行規劃HMI，不需要由軟體開發商為客戶的需要撰寫軟體。

[编辑]远程终端控制系统（RTU）

远程终端控制系统（RTU）可連接到其他設備。RTU可將設備上的電氣訊號轉換為數位的值，例如一個開關或閥開/關的狀態，或是儀器量測到的壓力、流量、電壓或電流。也可以藉由訊號轉換及傳送訊號來控制設備，例如特定開關或閥的開啟/關閉，或是設定一個泵浦的速度。

[编辑]監控用設備

監控站（Supervisory Station）是指要和現場設備（例如RTU或PLC）及在控制室（或其他地方）工作站上HMI軟體通訊所需要的伺服器及軟體。在較小的SCADA系統中，監控站就是一台電腦。較大SCADA系統的監控站可能包括多台伺服器、分散式應用軟體及意外備援系統。為了提高系統的整合性，多個伺服器常規劃為雙冗餘或是熱备件（hot-standby），在其中一台伺服器故障時仍然可以繼續控控制及監控整個系統。

[编辑]可靠度的提昇

對於一些特定的應用，因控制系統失敗所衍生的損失非常大。甚至會導致人員的傷亡。有些這類SCADA系統的硬體會設計在極端的溫度、振動或電壓下，仍可以正常運轉，不過許多這類系統可靠度的提昇是藉著硬體或通訊通道的冗餘，其至是冗餘的控制系統。異常的設備可以很快的識別出來，系統會自動切換，由其他備援的設備負責該設備原有的功能，也可以在不中斷系統進行的條件下，更換異常的設備。這類系統的可靠度可以用統計的方法計算，表示為失效前平均时间（mean time to failure），是是一種MTBF（平均失效間隔時間）的變體。高可靠度的系統所計算失效前平均时间可以到數個世紀之久。

[编辑]通訊基礎架礎及通訊方式

傳統的SCADA系統會使用廣播、串列或是數據機（modem）來達到通訊的機能，有些大型的SCADA系統（例如發電廠或鐵路）也常會使用架構在同步光網絡（SONET）或同步數字體系（SDH）上的乙太網或網路協定。SCADA系統中的遠端管理或監視機能常稱為遙測。

有些客戶希望SCADA系統的資料傳輸可以運用公司網路，或都和其他應用一起共用網路，而有些SCADA仍使用早期傳統的低頻寬通訊協定。SCADA的通訊協定會設計的非常精簡，設備只有在被主站輪詢到才需要傳送資料。典型早期的SCADA通訊協定包括Modbus RTU、RP-570（RP-570）、Profibus及Conitel。這些通訊協定都是由SCADA設備商指定的專用協定，不過目前已廣為使用。標準的通訊協定包括IEC 60870-5（IEC 60870-5）、IEC 60850（IEC 60850）或是DNP3（DNP3）。這些通訊協定是標準的，且已獲得主要SCADA設備商的認可。許多這類的通訊協定可延伸到TCP/IP上運作。不過依安全性的考量，最好還是避免將SCADA連接外界的乙太網，以減少被未授權使用者攻擊的可能。

在許多RTU及其他的控制設備問世時，當時工業界還沒有建立互操作性標準。因此系統開發者及管理層建立了許多工業控制的通訊協定，其中規模較大的設備商也想要用自己的通訊協定來「鎖住」其客戶群。有關自動化通訊協定的列表請參見自動化通