混合型SCADA 軟件架構的適用性研究

關浩浩 毛宇紅 陳青峰 姚志威

（浙江中控自動化儀表有限公司）

目前， 數據采集與監視控制系統（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）軟件已不是單純的數據采集軟件，通過與MES 等業務系統的緊密結合， 形成生產調度和過程控制類軟件（如MES+SCADA、WMS+SCADA），并與研發設計類軟件（CAD、CAE、PLM 等）、業務管理類軟件（ERP、SCM、HRM 等），構成工業軟件的三大領域。

SCADA 軟件有多種特性，例如：有面向單機版或網絡化應用的、 有基于.Net Framework 或基于跨平臺的、有通過桌面程序或Web 平臺進行組態的、有支持三維監控流程圖或常規二維平面監控流程圖的、有采用VBA 或C# 腳本進行內部二次開發的……，所有的功能特性均有它所屬業務形態的合理性。 從SCADA 軟件的發展歷程看，可分為經典型SCADA 軟件和生態型SCADA 軟件，前者基本囊括從20 世紀90 年代發展起來的絕大部分SCADA 軟件，是目前SCADA 軟件市場的主流應用軟件；后者是近些年跟隨云服務蓬勃發展的SCADA 軟件， 其主要形態是平臺化和生態性。 目前，國內外自動化領軍企業均在大力發展基于云服務的SCADA 軟件生態圈（例如supOS、GE 的Predix、 西門子的MindSphere）， 這也 是SCADA 軟件未來角逐的主戰場。

1 混合型SCADA 軟件

通過調研發現，中小型企業對于“智能制造2025”主要關注兩個方面：一是“智能工廠”［1］，二是“智能生產”。 兩者均涉及一個共同主題，即網絡化分布式生產方式的實現，也就是將分布在不同地點的數字化設備、處理設備、傳感設備、執行機構、 機器人及測量設備等生產設施聯成網絡，實現互聯互通，達到數據交互、狀態感知、實時分析、精確執行和優化管控的新型生產管理方式。

對于廣大的有一定自動化和信息化基礎的中小型企業而言，目前亟待解決的是底層大量未聯網設備的數據采集問題。 通過近20 年的自動化+信息化的融合建設， 以單機運行為基礎構建的經典型SCADA 軟件已無法滿足中小型企業的業務需求， 但生態型SCADA 短期內又無法被理解和接受，其大規模應用還有一個發展過程。

在“智能制造2025”的大背景下，推進生產制造升級改進是一個持續化的過程，特別是制造業的設備IIoT、MES 系統重塑、管理的數字化轉型，都需要現場數據層的接入。 因此， 在原經典型SCADA 軟件基礎上，通過各種數據接口（OPC 服務、DBI 編程接口及數據庫等）進行數據的二次開發利用，成了許多中小型企業無奈的選擇。 為此，筆者提出一種混合型SCADA 軟件應用架構，其核心特點包括：

a. 對分散部署的設備進行數據采集，設備類型和采集方式將變得豐富多樣；

b. 分布式無線數采網關設備將被應用，且網關設備與數采軟件之間無縫對接；

c. 分擔MES 在底層設備交互上的職責，實現業務邏輯與數據交互之間的分離；

d. 項目整體采取分期、 分階段實施方案，隨著用戶決策層對應用的深入理解，上層應用系統的規劃和功能將會被調整；

e. 項目整體建設周期較長， 對于數據接口、應用擴展、自主編程及自主維護等，較傳統系統均提出了更高的要求。

2 企業需求剖析

筆者以某制造型企業的車間數字化改造為切入點， 對廣大中小型企業在新型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。

為提升整體數字化能力，某企業規劃實施了“設備在線監測項目”，其總體規劃步驟包括：

a. 一期，選取公司機器人設備、新引進自動化設備和關鍵造型設備60 臺；

b. 二期，選取公司加工中心、數控機床100臺，并初步構建上層數據監控中心；

c. 三期，選取公司包裝設備、加工攻絲機、拋丸機等設備180 臺，并進一步加強監控中心的職能；

d. 四期，根據需求持續擴展設備，且具備分布式部署和便捷化實施的能力，并在全國多個分廠進行推廣。

可見，企業在進行智能制造提升時，表現出“需求迫切、投入謹慎、逐步理解、迭代優化”的特點，具體如下：

a. 自下而上的構建方式，通過低耦合軟硬件模塊，提升項目推進的自由度和靈活度；

b. 采用邊緣計算網關和數據采集軟件進行分布式數據采集，充分保證基礎數據接入的覆蓋范圍；

c. 由原先的接口開發轉向功能組件開發，即驅動、服務等功能插件的開發；

d. 上層應用可選擇自身的配套軟件，也可選用大型經典型或生態型SCADA 軟件， 功能組件可伸縮性強；

e. 滿足用戶對于“漸進式實施、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

對經典型、生態型、混合型SCADA 軟件架構進行對比，詳見表1。

表1 3 種類型SCADA 軟件架構的對比

（續表1）

通過以上對比項可以發現，“離散式、 低耦合”是混合型SCADA 軟件最大的特點，為此筆者總結混合型SCADA 軟件的六大功能特性， 以便對它進行評判，具體如下：

a. 邊緣計算網關接入。 搭配具備通信接口、IO 通道、 遠傳總線及計算編程等功能的網關設備，具備網關數據（含組態、數采）與軟件的無縫對接能力，針對采集數據的特殊計算（如傅里葉變換等）將由網關設備負責處理。

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

c. 分布式部署應用。 混合型SCADA 軟件最大的特點是部署形式的柔性化。 通過軟件功能塊的靈活部署，實現數據采集覆蓋范圍的最大化和采集方式的最優化。

d. 應用單元邏輯處理。 混合型SCADA 軟件注重各應用單元獨立的邏輯處理能力，通過服務插件、編程腳本等形式，便捷地擴展各應用單元獨立的邏輯處理能力。

e. 數據交互總線。數據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， 通過構建數據交互總線機制， 使得采集、控制、服務、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，實現數據交互。

f. 上層應用支撐。 通過插件化的服務模塊，實現對各種類型上層應用的支持，為上層系統提供經過清洗的數據，使上層應用可以更好地關注業務本身。

4 適用性研究

以智能制造的需求為切入點，分析并總結混合型SCADA 軟件相應的技術特點， 現分若干場景對產品進行適用性探討。

4.1 制造企業MES 的融合應用

在與MES 融合時，可將對接生產設備、數據采集及邏輯處理等交互功能交由混合型SCADA軟件處理，其構建方式（圖1）如下：

a. 對接各生產線上運行的數控與工控設備、帶標準驅動的設備、 經典SCADA 軟件的數據接口、手動/條碼、ID 辨識、傳感觸發設備、各項生產裝置、檢驗設備及環境監控設備等；

b. 通過插件機制編寫數采驅動、處理服務和UI 界面，程序可運行在后臺服務、前端應用及操作終端等各種節點上；

c. 通過數據交互總線進行數據交互， 并為MES 提供智能制造決策所需的數據。

圖1 混合型SCADA+MES 融合應用的結構框圖

4.2 WMS 倉儲管理系統的融合應用

WMS 倉儲管理系統是一套偏向于管理的信息系統，WCS 屬于執行層應用，通過混合型SCADA 系統，可為WCS 構建的功能包括：

a. WCS 涉及的生產線將由不同的工位構成，每個工位將擁有獨立的設備單元和運行邏輯，可以將軟件功能單元部署在工位HMI 操作終端；

b. 通過運行腳本進行數據處理，而部署在后臺服務器中的運行服務，通過數據交互總線與軟件功能單元進行數據指令交互；

c. 通過插件服務和數據接口，將處理后的數據提供給WMS， 為其業務邏輯的運行提供數據支撐。

4.3 企業能耗計量管理系統的融合

以江浙一帶印染企業的能源計量管理系統為例，由于存在車間的分包租賃，因此不僅需要準確地采集數據，還需要對采集到的能耗數據進行統計、結算、分攤及計費等，并在租戶欠費后可以反向控制現場的切斷設備。借助混合型SCADA軟件，可構建的方式（圖2）包括：

a. 通過邊緣數采網關采集現場水、 電、氣（汽）等各種能耗數據；

b. 通過采集軟件中的插件服務，對攝像頭拍攝計量儀表的讀數進行識別， 實現對第三方總表、無通信接口儀表讀數的識別和采集；

c. 通過采集軟件中的編程腳本功能，實現采集數據的清洗和處理；

d. 部署上層業務管理系統，通過對象建模實現計費管控，并自動生成計費報表；

e. 上層業務管理系統通過數據接口，實現對欠費租戶的限制性控制；

f. 基于HTML5 技術的監控流程圖系統，實現移動端的遠程監控與操作。

圖2 混合型SCADA 在能耗管控領域應用的結構框圖

該種應用充分利用系統的功能分解和分布式部署能力，使得數采網關、采集軟件、業務系統和流程圖系統均可分散部署， 甚至可將業務系統、 流程圖系統等功能單元部署至云服務器，形成企業內網與云端的聯合應用。

4.4 加油站油氣回收監測系統的融合應用

加油站油氣回收監測系統由測量設備、數據采集與處理設備、加油槍關閉設備及上層管理平臺等軟硬件組成。 其中，部署在現場的邊緣計算網關負責單油氣量、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境狀況（環境溫濕度、油罐罐體壓力、油氣排放濃度和油氣回收管道液阻）等數據的采集、計算和存儲，并與部署在站內監控計算機上的軟件功能單元實現無縫對接。

軟件可實時顯示氣液比、罐體壓力及處理裝置狀態等監測數據，具備異常預警報警、故障記錄分析、檢測校準管理、數據上傳導出、日常運行記錄、歷史數據查詢、統計分析及監控卸油油氣回收管連接狀態等功能。 并按數據接口格式，實現與市環保局等上層平臺的聯網和數據對接，從而構成邊緣計算網關、 站內SCADA 軟件與上層管理平臺相融合的混合型SCADA 軟件架構。

該種應用最大的特點是利用數采網關直接對采集獲得的數據進行邊緣計算處理，并將計算后的結果反饋至上層應用，從而也對網關設備的自定義編程能力提出要求。

5 結束語

通過整體分析、 需求剖析及功能對比等方式，將混合型SCADA 軟件架構的輪廓大體呈現，并通過4 個應用案例闡述混合型SCADA 軟件架構在中小型企業數字化應用中特有的適用性。 創新點在于混合型SCADA 軟件架構。 一方面，該架構為各SCADA 軟件廠商提供了一種新的設計方案；另一方面，也為各中小企業在數字化轉型中提供了一種數據采集層的構建方案，并有利于其夯實基礎數據，為上層業務系統的構建、重塑和優化提供更好的支撐。