活動(dòng)鏈接：2013年控制網(wǎng)行業(yè)專(zhuān)題---物聯(lián)網(wǎng)革命

   北京安控科技股份有限公司 彭國紅

   新疆油田公司陸梁油田作業(yè)區 李新國

   摘要：本文主要描述SCADA系統與物聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)聯(lián)，旨在說(shuō)明當前已有的SCADA系統是實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)的基礎條件，物聯(lián)網(wǎng)是SCADA系統一種更具體、更實(shí)用的一種延伸。

    Abstract: The paper describes the relationship between the SCADA system and the IOT（Internet Of Things）, aims to illustrate that the current SCADA system is the basic conditions for IOT, and the IOT is more specific and more practical than the SCADA system.

    關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) SCADA RTU 網(wǎng)絡(luò ) 通訊 控制

    Key words: IOT SCADA RTU Net work Communication Control 

    1 系統概念

    信息技術(shù)的發(fā)展必將推動(dòng)自動(dòng)化系統的革命。隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域的應用也不斷成熟，工業(yè)自動(dòng)化系統在總體架構、管理模式、應用技術(shù)、綜合挖掘等方面均要發(fā)生重大變化，進(jìn)一步向標準化、可擴展、開(kāi)放化、低成本的總體目標前進(jìn)。尤其物聯(lián)網(wǎng)概念的推出，使得越來(lái)越多的企業(yè)將目標監控、數據應用、開(kāi)放互聯(lián)設計為一套完整的解決方案。

    物聯(lián)網(wǎng)IOT（Internet Of Things）是通過(guò)射頻識別（RFID）等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網(wǎng)絡(luò )。物聯(lián)網(wǎng)的功能特征是全面感知信息、可靠傳遞信息和智能處理信息，以實(shí)現對物體實(shí)施智能化的控制與管理。

    SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統是由計算機與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)作為支撐，實(shí)現對現場(chǎng)數據采集、設備控制、數據測量、參數調節以及信號報警等。SCADA系統的應用已經(jīng)非常成熟，其應用已完全超出了基本數據監視控制的范疇。一套完整的SCADA系統已不僅僅是實(shí)現簡(jiǎn)單的數據收集、遠程控制功能，而是被賦予了更豐富的內涵。

    2 系統特點(diǎn)

    2.1物聯(lián)網(wǎng)系統

   物聯(lián)網(wǎng)系統是利用計算機互聯(lián)網(wǎng)平臺，依賴(lài)射頻自動(dòng)識別（RFID）技術(shù)，實(shí)現終端節點(diǎn)的自動(dòng)識別和信息的互聯(lián)與共享。物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：一是感知層，即物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官識別物體，采集信息；二是網(wǎng)絡(luò )層，即物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞和大腦信息傳遞和處理；三是應用層，即物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)的深度融合，與行業(yè)需求結合，實(shí)現行業(yè)智能化。
 
              
                               圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統結構

    2.2 SCADA系統

   通用SCADA系統可分為3層。第1層為數據采集層，由RTU與一次儀表構成，完成現場(chǎng)原始數據的采集與預處理。根據設計需求還可以實(shí)現現場(chǎng)的數據存儲，以保證通訊中斷后數據的連續性；第2層為數據監控層。在這層將利用各種軟件遠程仿真現場(chǎng)，實(shí)現數據的實(shí)時(shí)監控、實(shí)時(shí)報警。該層可根據對應的管理模式再分為分控中心、總控中心等，還可根據設計需求進(jìn)行大量歷史數據的存儲；第3層為數據應用層。在應用層實(shí)現對已采集數據的分析、整理，并根據需要實(shí)現多種形式的發(fā)布。業(yè)界很多公司分別在數據采集層、數據監控層、數據應用層都擁有極其穩定的產(chǎn)品和豐富的系統集成經(jīng)驗。
 
                  
                             圖2 SCADA系統結構

   2.3其它分層

   對于工業(yè)自動(dòng)化的體系結構，還有一種分層理論也是3層。第一層，以PCS（過(guò)程控制系統）為代表的基礎自動(dòng)化層。主要包括控制軟件、測量技術(shù)、數據庫技術(shù)、數據融合與數據處理技術(shù)、DCS、FCS、傳感技術(shù)、特種執行機構等等；第二層，以MES（生產(chǎn)過(guò)程制造執行系統）為代表的生產(chǎn)過(guò)程運行優(yōu)化層。主要內容包括建模與流程模擬技術(shù)、先進(jìn)計劃與調度技術(shù)、實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù)、動(dòng)態(tài)成本與管理技術(shù)等等；第三層，以ERP（企業(yè)資源管理）為代表的企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)優(yōu)化層。主要內容包括企業(yè)資源管理、供應鏈管理、產(chǎn)品質(zhì)量數據管理、數據倉庫技術(shù)、設備資源管理、企業(yè)電子商務(wù)平臺等等。

   2.4共同特點(diǎn)

   SCADA系統、物聯(lián)網(wǎng)系統以及其它工業(yè)自動(dòng)化系統，都屬于計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。根據物聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展趨勢分析，其將逐步取代部分SCADA系統。通過(guò)分析2類(lèi)系統的架構體系，二者具備如下一些共同的特征：

   （1）體系結構分層。兩類(lèi)系統均具備清晰完整的層次結構，便于設計者、使用者理解。SCADA系統的3層與物聯(lián)網(wǎng)系統的3層都具備明確的定義及層間分界，但3層間功能上也有一些重疊?？拷F場(chǎng)的層由于采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，使得設備檔案及診斷信息更為豐富；中簡(jiǎn)層體現更多的是運行數據監控、設備管理；而最上位的應用層可以涉及數據深度應用、設備維護計劃、備品備件管理、設備資產(chǎn)管理等。

   （2）一次儀表數據采集。兩類(lèi)系統都需要有現場(chǎng)原始數據的采集，其準確性及數據可用性完全取決于該一次表的數據采集。在IOT中，對控制功能的體現更為突出。在SCADA系統中，常規的控制策略主要為單回路控制、串級調節、比率調節、均勻調節、前饋調節、自動(dòng)選擇調節、分程調節、非線(xiàn)性調節等，實(shí)現功能仍以PID調節為基礎，輔以一定的功能塊及控制算法。IOT中的常規控制得以擴展使用，各功能塊之間可多重串接、并聯(lián)連接、選擇性連接、自動(dòng)補償、自動(dòng)跟蹤、無(wú)擾切換等，多配方自動(dòng)改變參數或功能塊連接方式，使得自動(dòng)化應用變得透明、簡(jiǎn)單。

   （3）對通訊網(wǎng)絡(luò )的依賴(lài)。兩類(lèi)系統均需要依賴(lài)網(wǎng)絡(luò )，而物聯(lián)網(wǎng)系統則更加依賴(lài)無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )。由此可見(jiàn)，保證無(wú)線(xiàn)通訊是實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)的必要條件。無(wú)線(xiàn)通訊主要的特點(diǎn)是安裝便捷、應用靈活、低成本、易于擴展等，最主要是適用于多種協(xié)議標準，包括802.11a、802.11b、最新混合標準802.11g。

   （4）數據處理應用。原始數據采集后，兩類(lèi)系統對所得的數據都進(jìn)行了綜合應用處理。通過(guò)結構可以看出，物聯(lián)網(wǎng)系統對數據處理更深入。企業(yè)海量的生產(chǎn)數據是企業(yè)經(jīng)營(yíng)決策的重要依據，對于采購管理、成本控制、提高經(jīng)營(yíng)的經(jīng)濟效益具有重要的參考價(jià)值，對于控制生產(chǎn)成本、擴大利潤，從而保證企業(yè)利潤目標的實(shí)現。由此可見(jiàn)，數據的深度處理后，對指導全企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，具有十分重要的意義。

   3 過(guò)渡方案

    物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)自動(dòng)化必然的發(fā)展趨勢，將使得工業(yè)自動(dòng)化的分布式、開(kāi)放化、信息化、規?；戎T多特點(diǎn)得以最大化體現。物聯(lián)網(wǎng)的分布式結構確保每一個(gè)智能終端能獨立運行，互通信息的同時(shí)也將系統危險分散；開(kāi)放化特點(diǎn)則是網(wǎng)絡(luò )自身具備多種標準接口，便于新的終端節點(diǎn)無(wú)縫接入；信息化使得系統信息能夠及時(shí)對采集數據進(jìn)行綜合處理，借助網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現大閉環(huán)；規?；瘎t是降低終端節點(diǎn)的接入成本、購置成本、使用成本，在最優(yōu)綜合成本的前提下完成規模應用。

   由于物聯(lián)網(wǎng)完全是一個(gè)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )，涉及行業(yè)機密或是國家安全的SCADA系統，將仍然保持現有狀態(tài)。所以，物聯(lián)網(wǎng)取代部分SCADA系統是必然的一個(gè)趨勢。根據兩類(lèi)系統的對比，無(wú)論是新建物聯(lián)網(wǎng)系統，還是基于SCADA系統的改造，可以參考如下方案：

   （1）SCADA系統建設模式非常成熟，現有的案例、方案均具備非常高的參考價(jià)值。物聯(lián)網(wǎng)做架構設計時(shí)，可參考SCADA系統架構。在滿(mǎn)足企業(yè)的生產(chǎn)管理需求后，進(jìn)一步實(shí)現先進(jìn)控制、在線(xiàn)優(yōu)化、在線(xiàn)性能監控、在線(xiàn)設備臺帳管理等信息化技術(shù)的集成。

   （2）網(wǎng)絡(luò )系統選擇時(shí)，感知層（或采集層）均采用無(wú)線(xiàn)設計，數據應用層則可采用光纖通訊等快速網(wǎng)絡(luò )。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )結構設計要充分考慮靈活、高速、多冗余、高性能、高安全等特點(diǎn)，可靈活使用線(xiàn)性結構、環(huán)形結構、星型結構、倒掛樹(shù)結構及各種組合等網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。由于網(wǎng)絡(luò )中任意二個(gè)設備之間提供了多重通訊路徑，從而使得通訊不會(huì )受單節點(diǎn)故障的影響，將會(huì )極大提高通訊的冗余性能和可靠性。

   （3）加設終端狀態(tài)監測點(diǎn)。SCADA系統中，對儀表等設備特征、狀態(tài)關(guān)注較少，但根據物聯(lián)網(wǎng)的要求，對所有的終端監測都是必要的，所以對未設計監測的終端加設監測點(diǎn)。工業(yè)自動(dòng)化一般使用的現場(chǎng)儀表主要包括溫度儀表、壓力儀表、物位儀表、流量?jì)x表、在線(xiàn)過(guò)程分析儀、執行器等?，F場(chǎng)儀表的穩定工作是真實(shí)數據的保證，所以除常規的運行功能外，監測儀表的工作狀態(tài)是非常有必要的。

   （4）加大數據的深度挖掘，提供豐富穩定的數據接口。物聯(lián)網(wǎng)系統是一個(gè)開(kāi)放的系統，為保證所涉及終端信息的互通，與外圍其它網(wǎng)絡(luò )會(huì )有大量數據交換。而SCADA系統是一個(gè)相對獨立的系統，與其它系統接口相對較少。一個(gè)成功的自動(dòng)化系統，應該是一個(gè)具備多種標準接口的系統。操作系統的選擇、現場(chǎng)產(chǎn)品的選擇，都將決定標準接口實(shí)現的可能性。同時(shí)，標準化的程序接口還保證了不同廠(chǎng)家軟硬件產(chǎn)品的數據交換，而不必擔心他們之間的通訊。這也是應用規?；那疤?。

   （5）加強反控功能的穩定性。SCADA系統更多的關(guān)注的監視功能，而相對控制較弱。物聯(lián)網(wǎng)系統要求全網(wǎng)信息互通，但為保證全網(wǎng)的終端監測數據平衡，需要根據實(shí)時(shí)數據進(jìn)行一些反控。在現在控制理論的推動(dòng)下，各種智能化算法應運而生。除業(yè)界熟知的PID控制，多變量預測已完成生產(chǎn)實(shí)踐階段。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)強大數據的集合，并且數據是動(dòng)態(tài)更新的。所以，適當采用多變量預測控制與PID串級控制相結合的方案，可以非常有效地實(shí)現反控功能的穩定性。

   物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及是不可阻擋的。其改變的不僅是生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化，還將是管理模式的重大轉變。物聯(lián)網(wǎng)充分結合先進(jìn)的工藝裝備技術(shù)、現代管理技術(shù)、以先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)為代表的信息技術(shù)，為工業(yè)自動(dòng)化提供整體解決方案，以實(shí)現企業(yè)的優(yōu)化運行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理，從而成為提高企業(yè)競爭力的核心高技術(shù)。

  作者簡(jiǎn)介：

   彭國紅（1976-），男，湖北公安人，畢業(yè)于北京信息工程學(xué)院計算機軟件專(zhuān)業(yè)，高級工程師，現就職于北京安控科技股份有限公司，從事系統集成工作。

   李新國（1970-）男，1992年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院電子系自動(dòng)化儀表專(zhuān)業(yè)，電氣工程師，現任職于新疆油田公司陸梁油田作業(yè)區，長(cháng)期從事工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化工作。