混合型SCADA 軟件架構(gòu)的適用性研究

關(guān)浩浩 毛宇紅 陳青峰 姚志威

（浙江中控自動化儀表有限公司）

目前， 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）軟件已不是單純的數(shù)據(jù)采集軟件，通過與MES 等業(yè)務(wù)系統(tǒng)的緊密結(jié)合， 形成生產(chǎn)調(diào)度和過程控制類軟件（如MES+SCADA、WMS+SCADA），并與研發(fā)設(shè)計類軟件（CAD、CAE、PLM 等）、業(yè)務(wù)管理類軟件（ERP、SCM、HRM 等），構(gòu)成工業(yè)軟件的三大領(lǐng)域。

SCADA 軟件有多種特性，例如：有面向單機(jī)版或網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的、 有基于.Net Framework 或基于跨平臺的、有通過桌面程序或Web 平臺進(jìn)行組態(tài)的、有支持三維監(jiān)控流程圖或常規(guī)二維平面監(jiān)控流程圖的、有采用VBA 或C# 腳本進(jìn)行內(nèi)部二次開發(fā)的……，所有的功能特性均有它所屬業(yè)務(wù)形態(tài)的合理性。 從SCADA 軟件的發(fā)展歷程看，可分為經(jīng)典型SCADA 軟件和生態(tài)型SCADA 軟件，前者基本囊括從20 世紀(jì)90 年代發(fā)展起來的絕大部分SCADA 軟件，是目前SCADA 軟件市場的主流應(yīng)用軟件；后者是近些年跟隨云服務(wù)蓬勃發(fā)展的SCADA 軟件， 其主要形態(tài)是平臺化和生態(tài)性。 目前，國內(nèi)外自動化領(lǐng)軍企業(yè)均在大力發(fā)展基于云服務(wù)的SCADA 軟件生態(tài)圈（例如supOS、GE 的Predix、 西門子的MindSphere）， 這也 是SCADA 軟件未來角逐的主戰(zhàn)場。

1 混合型SCADA 軟件

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中小型企業(yè)對于“智能制造2025”主要關(guān)注兩個方面：一是“智能工廠”［1］，二是“智能生產(chǎn)”。 兩者均涉及一個共同主題，即網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)方式的實(shí)現(xiàn)，也就是將分布在不同地點(diǎn)的數(shù)字化設(shè)備、處理設(shè)備、傳感設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、 機(jī)器人及測量設(shè)備等生產(chǎn)設(shè)施聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，達(dá)到數(shù)據(jù)交互、狀態(tài)感知、實(shí)時分析、精確執(zhí)行和優(yōu)化管控的新型生產(chǎn)管理方式。

對于廣大的有一定自動化和信息化基礎(chǔ)的中小型企業(yè)而言，目前亟待解決的是底層大量未聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集問題。 通過近20 年的自動化+信息化的融合建設(shè)， 以單機(jī)運(yùn)行為基礎(chǔ)構(gòu)建的經(jīng)典型SCADA 軟件已無法滿足中小型企業(yè)的業(yè)務(wù)需求， 但生態(tài)型SCADA 短期內(nèi)又無法被理解和接受，其大規(guī)模應(yīng)用還有一個發(fā)展過程。

在“智能制造2025”的大背景下，推進(jìn)生產(chǎn)制造升級改進(jìn)是一個持續(xù)化的過程，特別是制造業(yè)的設(shè)備IIoT、MES 系統(tǒng)重塑、管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，都需要現(xiàn)場數(shù)據(jù)層的接入。 因此， 在原經(jīng)典型SCADA 軟件基礎(chǔ)上，通過各種數(shù)據(jù)接口（OPC 服務(wù)、DBI 編程接口及數(shù)據(jù)庫等）進(jìn)行數(shù)據(jù)的二次開發(fā)利用，成了許多中小型企業(yè)無奈的選擇。 為此，筆者提出一種混合型SCADA 軟件應(yīng)用架構(gòu)，其核心特點(diǎn)包括：

a. 對分散部署的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)備類型和采集方式將變得豐富多樣；

b. 分布式無線數(shù)采網(wǎng)關(guān)設(shè)備將被應(yīng)用，且網(wǎng)關(guān)設(shè)備與數(shù)采軟件之間無縫對接；

c. 分擔(dān)MES 在底層設(shè)備交互上的職責(zé)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯與數(shù)據(jù)交互之間的分離；

d. 項(xiàng)目整體采取分期、 分階段實(shí)施方案，隨著用戶決策層對應(yīng)用的深入理解，上層應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)劃和功能將會被調(diào)整；

e. 項(xiàng)目整體建設(shè)周期較長， 對于數(shù)據(jù)接口、應(yīng)用擴(kuò)展、自主編程及自主維護(hù)等，較傳統(tǒng)系統(tǒng)均提出了更高的要求。

2 企業(yè)需求剖析

筆者以某制造型企業(yè)的車間數(shù)字化改造為切入點(diǎn)， 對廣大中小型企業(yè)在新型SCADA 軟件中的需求做一次初步的剖析， 以此建立混合型SCADA 軟件的初步印象。

為提升整體數(shù)字化能力，某企業(yè)規(guī)劃實(shí)施了“設(shè)備在線監(jiān)測項(xiàng)目”，其總體規(guī)劃步驟包括：

a. 一期，選取公司機(jī)器人設(shè)備、新引進(jìn)自動化設(shè)備和關(guān)鍵造型設(shè)備60 臺；

b. 二期，選取公司加工中心、數(shù)控機(jī)床100臺，并初步構(gòu)建上層數(shù)據(jù)監(jiān)控中心；

c. 三期，選取公司包裝設(shè)備、加工攻絲機(jī)、拋丸機(jī)等設(shè)備180 臺，并進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)控中心的職能；

d. 四期，根據(jù)需求持續(xù)擴(kuò)展設(shè)備，且具備分布式部署和便捷化實(shí)施的能力，并在全國多個分廠進(jìn)行推廣。

可見，企業(yè)在進(jìn)行智能制造提升時，表現(xiàn)出“需求迫切、投入謹(jǐn)慎、逐步理解、迭代優(yōu)化”的特點(diǎn)，具體如下：

a. 自下而上的構(gòu)建方式，通過低耦合軟硬件模塊，提升項(xiàng)目推進(jìn)的自由度和靈活度；

b. 采用邊緣計算網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)采集，充分保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)接入的覆蓋范圍；

c. 由原先的接口開發(fā)轉(zhuǎn)向功能組件開發(fā)，即驅(qū)動、服務(wù)等功能插件的開發(fā)；

d. 上層應(yīng)用可選擇自身的配套軟件，也可選用大型經(jīng)典型或生態(tài)型SCADA 軟件， 功能組件可伸縮性強(qiáng)；

e. 滿足用戶對于“漸進(jìn)式實(shí)施、反饋再投入”的分階段投資理念， 充分保障前期投資的有效性。

3 對比分析

對經(jīng)典型、生態(tài)型、混合型SCADA 軟件架構(gòu)進(jìn)行對比，詳見表1。

表1 3 種類型SCADA 軟件架構(gòu)的對比

（續(xù)表1）

通過以上對比項(xiàng)可以發(fā)現(xiàn)，“離散式、 低耦合”是混合型SCADA 軟件最大的特點(diǎn)，為此筆者總結(jié)混合型SCADA 軟件的六大功能特性， 以便對它進(jìn)行評判，具體如下：

a. 邊緣計算網(wǎng)關(guān)接入。 搭配具備通信接口、IO 通道、 遠(yuǎn)傳總線及計算編程等功能的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，具備網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)（含組態(tài)、數(shù)采）與軟件的無縫對接能力，針對采集數(shù)據(jù)的特殊計算（如傅里葉變換等）將由網(wǎng)關(guān)設(shè)備負(fù)責(zé)處理。

b. 軟件功能的分解能力。 有別于經(jīng)典型SCADA 軟件在單體性能上的追求， 混合型SCADA 軟件關(guān)注功能的解耦能力， 也就是將整體軟件以功能單元的形式進(jìn)行分解。

c. 分布式部署應(yīng)用。 混合型SCADA 軟件最大的特點(diǎn)是部署形式的柔性化。 通過軟件功能塊的靈活部署，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集覆蓋范圍的最大化和采集方式的最優(yōu)化。

d. 應(yīng)用單元邏輯處理。 混合型SCADA 軟件注重各應(yīng)用單元獨(dú)立的邏輯處理能力，通過服務(wù)插件、編程腳本等形式，便捷地擴(kuò)展各應(yīng)用單元獨(dú)立的邏輯處理能力。

e. 數(shù)據(jù)交互總線。數(shù)據(jù)交互總線是對混合型SCADA 軟件“離散式、低耦合”特性最有力的支撐， 通過構(gòu)建數(shù)據(jù)交互總線機(jī)制， 使得采集、控制、服務(wù)、接口及UI 展示等各種類型的功能單元均可掛載至該總線上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

f. 上層應(yīng)用支撐。 通過插件化的服務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)對各種類型上層應(yīng)用的支持，為上層系統(tǒng)提供經(jīng)過清洗的數(shù)據(jù)，使上層應(yīng)用可以更好地關(guān)注業(yè)務(wù)本身。

4 適用性研究

以智能制造的需求為切入點(diǎn)，分析并總結(jié)混合型SCADA 軟件相應(yīng)的技術(shù)特點(diǎn)， 現(xiàn)分若干場景對產(chǎn)品進(jìn)行適用性探討。

4.1 制造企業(yè)MES 的融合應(yīng)用

在與MES 融合時，可將對接生產(chǎn)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集及邏輯處理等交互功能交由混合型SCADA軟件處理，其構(gòu)建方式（圖1）如下：

a. 對接各生產(chǎn)線上運(yùn)行的數(shù)控與工控設(shè)備、帶標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動的設(shè)備、 經(jīng)典SCADA 軟件的數(shù)據(jù)接口、手動/條碼、ID 辨識、傳感觸發(fā)設(shè)備、各項(xiàng)生產(chǎn)裝置、檢驗(yàn)設(shè)備及環(huán)境監(jiān)控設(shè)備等；

b. 通過插件機(jī)制編寫數(shù)采驅(qū)動、處理服務(wù)和UI 界面，程序可運(yùn)行在后臺服務(wù)、前端應(yīng)用及操作終端等各種節(jié)點(diǎn)上；

c. 通過數(shù)據(jù)交互總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互， 并為MES 提供智能制造決策所需的數(shù)據(jù)。

圖1 混合型SCADA+MES 融合應(yīng)用的結(jié)構(gòu)框圖

4.2 WMS 倉儲管理系統(tǒng)的融合應(yīng)用

WMS 倉儲管理系統(tǒng)是一套偏向于管理的信息系統(tǒng)，WCS 屬于執(zhí)行層應(yīng)用，通過混合型SCADA 系統(tǒng)，可為WCS 構(gòu)建的功能包括：

a. WCS 涉及的生產(chǎn)線將由不同的工位構(gòu)成，每個工位將擁有獨(dú)立的設(shè)備單元和運(yùn)行邏輯，可以將軟件功能單元部署在工位HMI 操作終端；

b. 通過運(yùn)行腳本進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而部署在后臺服務(wù)器中的運(yùn)行服務(wù)，通過數(shù)據(jù)交互總線與軟件功能單元進(jìn)行數(shù)據(jù)指令交互；

c. 通過插件服務(wù)和數(shù)據(jù)接口，將處理后的數(shù)據(jù)提供給WMS， 為其業(yè)務(wù)邏輯的運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。

4.3 企業(yè)能耗計量管理系統(tǒng)的融合

以江浙一帶印染企業(yè)的能源計量管理系統(tǒng)為例，由于存在車間的分包租賃，因此不僅需要準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，還需要對采集到的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、結(jié)算、分?jǐn)偧坝嬞M(fèi)等，并在租戶欠費(fèi)后可以反向控制現(xiàn)場的切斷設(shè)備。借助混合型SCADA軟件，可構(gòu)建的方式（圖2）包括：

a. 通過邊緣數(shù)采網(wǎng)關(guān)采集現(xiàn)場水、 電、氣（汽）等各種能耗數(shù)據(jù)；

b. 通過采集軟件中的插件服務(wù)，對攝像頭拍攝計量儀表的讀數(shù)進(jìn)行識別， 實(shí)現(xiàn)對第三方總表、無通信接口儀表讀數(shù)的識別和采集；

c. 通過采集軟件中的編程腳本功能，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的清洗和處理；

d. 部署上層業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，通過對象建模實(shí)現(xiàn)計費(fèi)管控，并自動生成計費(fèi)報表；

e. 上層業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)對欠費(fèi)租戶的限制性控制；

f. 基于HTML5 技術(shù)的監(jiān)控流程圖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)移動端的遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作。

圖2 混合型SCADA 在能耗管控領(lǐng)域應(yīng)用的結(jié)構(gòu)框圖

該種應(yīng)用充分利用系統(tǒng)的功能分解和分布式部署能力，使得數(shù)采網(wǎng)關(guān)、采集軟件、業(yè)務(wù)系統(tǒng)和流程圖系統(tǒng)均可分散部署， 甚至可將業(yè)務(wù)系統(tǒng)、 流程圖系統(tǒng)等功能單元部署至云服務(wù)器，形成企業(yè)內(nèi)網(wǎng)與云端的聯(lián)合應(yīng)用。

4.4 加油站油氣回收監(jiān)測系統(tǒng)的融合應(yīng)用

加油站油氣回收監(jiān)測系統(tǒng)由測量設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)備、加油槍關(guān)閉設(shè)備及上層管理平臺等軟硬件組成。 其中，部署在現(xiàn)場的邊緣計算網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)單油氣量、單燃油量、油氣流速、燃油流速、氣液比、三次油氣回收裝置信息及加油站環(huán)境狀況（環(huán)境溫濕度、油罐罐體壓力、油氣排放濃度和油氣回收管道液阻）等數(shù)據(jù)的采集、計算和存儲，并與部署在站內(nèi)監(jiān)控計算機(jī)上的軟件功能單元實(shí)現(xiàn)無縫對接。

軟件可實(shí)時顯示氣液比、罐體壓力及處理裝置狀態(tài)等監(jiān)測數(shù)據(jù)，具備異常預(yù)警報警、故障記錄分析、檢測校準(zhǔn)管理、數(shù)據(jù)上傳導(dǎo)出、日常運(yùn)行記錄、歷史數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計分析及監(jiān)控卸油油氣回收管連接狀態(tài)等功能。 并按數(shù)據(jù)接口格式，實(shí)現(xiàn)與市環(huán)保局等上層平臺的聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)對接，從而構(gòu)成邊緣計算網(wǎng)關(guān)、 站內(nèi)SCADA 軟件與上層管理平臺相融合的混合型SCADA 軟件架構(gòu)。

該種應(yīng)用最大的特點(diǎn)是利用數(shù)采網(wǎng)關(guān)直接對采集獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣計算處理，并將計算后的結(jié)果反饋至上層應(yīng)用，從而也對網(wǎng)關(guān)設(shè)備的自定義編程能力提出要求。

5 結(jié)束語

通過整體分析、 需求剖析及功能對比等方式，將混合型SCADA 軟件架構(gòu)的輪廓大體呈現(xiàn)，并通過4 個應(yīng)用案例闡述混合型SCADA 軟件架構(gòu)在中小型企業(yè)數(shù)字化應(yīng)用中特有的適用性。 創(chuàng)新點(diǎn)在于混合型SCADA 軟件架構(gòu)。 一方面，該架構(gòu)為各SCADA 軟件廠商提供了一種新的設(shè)計方案；另一方面，也為各中小企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中提供了一種數(shù)據(jù)采集層的構(gòu)建方案，并有利于其夯實(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)建、重塑和優(yōu)化提供更好的支撐。