由于數(shù)據(jù)格式不兼容，傳統(tǒng)上將SCADA系統(tǒng)納入運(yùn)營(yíng)需要直接且專門的連接來(lái)從工廠車間設(shè)備收集數(shù)據(jù)。這可能涉及與數(shù)千臺(tái)設(shè)備例如(PLC和HMI)連接，這是一項(xiàng)復(fù)雜而乏味的任務(wù)。
此外，MES和ERP(企業(yè)資源規(guī)劃)系統(tǒng)等更高級(jí)別的系統(tǒng)并不直接連接到工廠車間設(shè)備，而是通過(guò)SCADA系統(tǒng)進(jìn)行連接。這種集成通常依賴于專有接口或軟件開發(fā)套件(SDK)來(lái)與SCADA連接，因此需要付出巨大的努力來(lái)維護(hù)和更新這些連接，同時(shí)確保兼容性。在一些制造組織中，MES系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)斷開連接，導(dǎo)致需要使用紙張手動(dòng)收集數(shù)據(jù)以獲取運(yùn)營(yíng)效率指標(biāo)，例如OEE(整體設(shè)備效率)，因?yàn)榇祟惤M織缺乏MES和制造流程之間的直接數(shù)字集成。
因此，將SCADA系統(tǒng)集成到傳統(tǒng)工業(yè)環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)充滿手動(dòng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，這些連接成本高昂，且維護(hù)和擴(kuò)展具有挑戰(zhàn)性。這種設(shè)置限制了組織有效管理和響應(yīng)日益增多的數(shù)據(jù)源的能力，使公司擁有數(shù)百或數(shù)千個(gè)需要專業(yè)知識(shí)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。
基于UNS的SCADA架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)
SCADA系統(tǒng)采用統(tǒng)一命名空間，通過(guò)建立開放、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)交換架構(gòu)來(lái)解決這些限制。這種架構(gòu)有助于實(shí)時(shí)訪問運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)并簡(jiǎn)化集成過(guò)程，從而顯著降低連接不同系統(tǒng)和設(shè)備的成本。
MQTT協(xié)議已成為UNS框架內(nèi)通信的首選標(biāo)準(zhǔn)，為開放和可互操作的環(huán)境提供了重大轉(zhuǎn)變。通過(guò)MQTT及其“發(fā)布-訂閱”模型，UNS允許動(dòng)態(tài)且松散耦合的數(shù)據(jù)共享模型。該方法增強(qiáng)了SCADA網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息流，并擴(kuò)展到制造環(huán)境中的不同操作區(qū)域。
UNS方法的核心是實(shí)時(shí)、按語(yǔ)義組織的數(shù)據(jù)層次結(jié)構(gòu)，充當(dāng)所有操作數(shù)據(jù)的中央存儲(chǔ)庫(kù)。這個(gè)單一、可靠的數(shù)據(jù)源反映了制造過(guò)程的實(shí)時(shí)狀態(tài)和活動(dòng)。它確保所有連接的實(shí)體(包括SCADA系統(tǒng))能夠立即、不間斷地訪問重要的運(yùn)營(yíng)信息。這種設(shè)置簡(jiǎn)化了特定于角色的數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)，并促進(jìn)了更加集成和一致的操作環(huán)境。
在UNS生態(tài)系統(tǒng)中，SCADA系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛贛QTT的網(wǎng)絡(luò)中的主動(dòng)參與者，通過(guò)集中式MQTT代理與工廠設(shè)備和MES進(jìn)行交互。這種向UNS框架的演進(jìn)使SCADA系統(tǒng)成為具有自我意識(shí)的實(shí)體，能夠自主集成新數(shù)據(jù)點(diǎn)，而無(wú)需手動(dòng)設(shè)置。
將SCADA系統(tǒng)與UNS集成可帶來(lái)以下幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：
①簡(jiǎn)化集成：設(shè)備和應(yīng)用程序可以輕松加入SCADA(網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)整體數(shù)據(jù)共享框架，無(wú)需復(fù)雜的設(shè)置過(guò)程。
②降低集成成本：無(wú)需昂貴的專業(yè)工程即可將工廠車間和IT數(shù)據(jù)合并到SCADA(網(wǎng)絡(luò)中，從而降低了總體集成成本。
③增強(qiáng)敏捷性：實(shí)時(shí)了解整個(gè)制造運(yùn)營(yíng)過(guò)程，可以增強(qiáng)您進(jìn)行測(cè)試、快速響應(yīng)以及以更高的精度和可預(yù)測(cè)性執(zhí)行計(jì)劃的能力。
④可擴(kuò)展性：通過(guò)中央集線器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的去中心化特性可以無(wú)縫添加無(wú)數(shù)節(jié)點(diǎn)，支持網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。
使用統(tǒng)一命名空間將數(shù)據(jù)收集到SCADA系統(tǒng)中
SCADA(監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)傳統(tǒng)上從設(shè)備獲取數(shù)據(jù)來(lái)控制流程、收集數(shù)據(jù)、管理警報(bào)和維護(hù)歷史記錄。此過(guò)程通常涉及專有設(shè)備連接接口來(lái)訪問必要的數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致SCADA系統(tǒng)與其監(jiān)控的設(shè)備之間緊密耦合。20世紀(jì)90年代初，人們開始努力減少這種依賴性，特別是引入了OPC(OLE for Process Control)，旨在為從PLC等設(shè)備收集數(shù)據(jù)創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化接口。
盡管做出了這些努力，包括開發(fā)OPC UA，但對(duì)數(shù)據(jù)收集輪詢機(jī)制的依賴仍然是一個(gè)重大限制。由于工業(yè)環(huán)境中需要多個(gè)具有開放端口的服務(wù)器，因此這種方法的可擴(kuò)展性較差，并且會(huì)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。
統(tǒng)一命名空間的出現(xiàn)為SCADA提供了新的范例。在此設(shè)置中，SCADA系統(tǒng)仍然履行其核心功能，但采用不同的數(shù)據(jù)采集和控制方法。具體來(lái)說(shuō)，他們利用MQTT中的發(fā)布-訂閱通信模型。該模型允許工廠車間的設(shè)備將其數(shù)據(jù)發(fā)布到MQTT代理，該代理在統(tǒng)一命名空間內(nèi)組織這些信息。然后，SCADA系統(tǒng)訂閱該代理，以便在需要時(shí)訪問所需的數(shù)據(jù)。這種方法消除了SCADA系統(tǒng)直接連接到每個(gè)設(shè)備的需要，從而通過(guò)減少潛在的攻擊面來(lái)增強(qiáng)安全性，并通過(guò)簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)收集過(guò)程來(lái)提高整體系統(tǒng)性能。
將SCADA數(shù)據(jù)集成到統(tǒng)一命名空間中
SCADA系統(tǒng)與UNS的交互不僅僅是收集數(shù)據(jù)；它積極地將豐富的上下文數(shù)據(jù)發(fā)布到UNS中，以供其他應(yīng)用程序和設(shè)備使用。這種方法在設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紿MI/SCADA系統(tǒng)或歷史記錄的現(xiàn)有(棕地)設(shè)置中特別有用。利用UNS的現(xiàn)有數(shù)據(jù)流可能是有利的。從SCADA系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)本質(zhì)上具有豐富的上下文，使其可立即用于集成到UNS中。這種方法還避免了因引入新組件與控制層通信而產(chǎn)生的額外網(wǎng)絡(luò)流量和安全漏洞。
本質(zhì)上，SCADA系統(tǒng)充當(dāng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)中心。它收集并整合來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和可編程邏輯控制器(PLC)等各種來(lái)源的數(shù)據(jù)，監(jiān)督生產(chǎn)的不同方面。通過(guò)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理方法(通常是通過(guò)通用數(shù)據(jù)模型)，SCADA(系統(tǒng)可以輕松識(shí)別數(shù)據(jù)并將其同化到UNS中。
此外，SCADA系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為與制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)和企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)系統(tǒng)交互，使它們能夠很好地集成到組織網(wǎng)絡(luò)中。這種集成簡(jiǎn)化了將數(shù)據(jù)提升到企業(yè)級(jí)別的過(guò)程，從而增強(qiáng)了整體數(shù)據(jù)治理。
SCADA系統(tǒng)的核心是連接到UNS，以訪問高效生產(chǎn)管理所需的所有數(shù)據(jù)。它還通過(guò)發(fā)出工廠層節(jié)點(diǎn)執(zhí)行的命令來(lái)為UNS做出貢獻(xiàn)。
此外，即使SCADA系統(tǒng)與UNS進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，它們也與MES和歷史學(xué)家等系統(tǒng)保持事務(wù)數(shù)據(jù)的直接連接。在歷史學(xué)家和SCADA系統(tǒng)之間建立聯(lián)系通常是謹(jǐn)慎的。
使用MQTT Sparkplug將SCADA集成到UNS中
將SCADA系統(tǒng)集成到基于MQTT Sparkplug的統(tǒng)一命名空間架構(gòu)中，可顯著增強(qiáng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換、系統(tǒng)可靠性以及跨各種設(shè)備和應(yīng)用程序的互操作性。MQTT Sparkplug規(guī)范添加了一種在工業(yè)應(yīng)用中使用MQTT的標(biāo)準(zhǔn)化方法，確保結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和狀態(tài)管理，這對(duì)于有效的SCADA操作至關(guān)重要。一個(gè)有用的按需相關(guān)資源是如何使用UNS和MQTT Sparkplug網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)制造。
以下是SCADA系統(tǒng)如何集成到MQTT Sparkplug統(tǒng)一命名空間中：
1、數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控
SCADA作為訂閱者：在MQTT Sparkplug網(wǎng)絡(luò)中，SCADA系統(tǒng)主要訂閱設(shè)備(傳感器、精算師、PLC)發(fā)布其數(shù)據(jù)的主題。這使得SCADA系統(tǒng)能夠從工業(yè)過(guò)程的各個(gè)部分收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
2、網(wǎng)絡(luò)邊緣(EoN)節(jié)點(diǎn)
從傳感器或其他設(shè)備收集數(shù)據(jù)并按照Sparkplug規(guī)范將其發(fā)布到MQTT代理的設(shè)備或網(wǎng)關(guān)。SCADA系統(tǒng)監(jiān)控這些數(shù)據(jù)點(diǎn)以獲取運(yùn)營(yíng)洞察和異常檢測(cè)。
3、控制命令
SCADA作為發(fā)布者：SCADA系統(tǒng)主要訂閱數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以向網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備發(fā)布控制命令。這些命令通過(guò)MQTT代理發(fā)送，然后將它們分發(fā)到目標(biāo)設(shè)備或網(wǎng)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)流程的實(shí)時(shí)控制。
4、設(shè)備管理和狀態(tài)感知
出生和死亡證明：Sparkplug指定對(duì)設(shè)備和應(yīng)用程序使用“出生”和“死亡”證書。當(dāng)設(shè)備上線時(shí)，它會(huì)發(fā)布“出生”證書，以向網(wǎng)絡(luò)(包括SCADA系統(tǒng))宣布其存在和元數(shù)據(jù)。同樣，當(dāng)設(shè)備離線時(shí)，會(huì)發(fā)布“死亡”證書。這種機(jī)制確保SCADA系統(tǒng)始終了解網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)并可以相應(yīng)地管理設(shè)備。
5、數(shù)據(jù)效率和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化
有效負(fù)載定義：Sparkplug定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)化有效負(fù)載，其中包括指標(biāo)、數(shù)據(jù)類型和時(shí)間戳，確保SCADA系統(tǒng)以一致且高效的格式接收數(shù)據(jù)。這種標(biāo)準(zhǔn)化有助于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬并簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)解析和分析。
6、狀態(tài)管理
SCADA系統(tǒng)受益于Sparkplug的狀態(tài)管理功能，設(shè)備可以保持其最后的已知狀態(tài)。這減少了SCADA系統(tǒng)持續(xù)輪詢的需要，從而降低了網(wǎng)絡(luò)流量并提高了系統(tǒng)響應(yīng)能力。
7、互操作性和可擴(kuò)展性
標(biāo)準(zhǔn)化通信：通過(guò)遵守MQTT Sparkplug規(guī)范，SCADA系統(tǒng)可以輕松與各種設(shè)備和其他系統(tǒng)集成，無(wú)論供應(yīng)商如何。這促進(jìn)了擴(kuò)展或修改工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的互操作性和靈活性。
8、可擴(kuò)展性
MQTT的輕量級(jí)協(xié)議與Sparkplug(的高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使SCADA系統(tǒng)能夠擴(kuò)展和管理不同地理位置的數(shù)千臺(tái)設(shè)備，而不會(huì)顯著增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載或復(fù)雜性。
結(jié)論
將SCADA系統(tǒng)集成到統(tǒng)一命名空間框架中代表著朝著更加敏捷、高效和可擴(kuò)展的工業(yè)運(yùn)營(yíng)邁出的變革性一步。通過(guò)擺脫傳統(tǒng)架構(gòu)的限制，公司可以采用更加互聯(lián)和動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，從而為實(shí)時(shí)決策和運(yùn)營(yíng)靈活性釋放新的可能性。這種集成簡(jiǎn)化了工業(yè)數(shù)據(jù)管理，并為自動(dòng)化和數(shù)據(jù)交換技術(shù)的未來(lái)進(jìn)步鋪平了道路。
作者：熊老師
