混合型SCADA 软件架构的适用性研究

关浩浩 毛宇红 陈青峰 姚志威

（浙江中控自动化仪表有限公司）

目前， 数据采集与监视控制系统（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）软件已不是单纯的数据采集软件，通过与MES 等业务系统的紧密结合， 形成生产调度和过程控制类软件（如MES+SCADA、WMS+SCADA），并与研发设计类软件（CAD、CAE、PLM 等）、业务管理类软件（ERP、SCM、HRM 等），构成工业软件的三大领域。

SCADA 软件有多种特性，例如：有面向单机版或网络化应用的、 有基于.Net Framework 或基于跨平台的、有通过桌面程序或Web 平台进行组态的、有支持三维监控流程图或常规二维平面监控流程图的、有采用VBA 或C# 脚本进行内部二次开发的……，所有的功能特性均有它所属业务形态的合理性。 从SCADA 软件的发展历程看，可分为经典型SCADA 软件和生态型SCADA 软件，前者基本囊括从20 世纪90 年代发展起来的绝大部分SCADA 软件，是目前SCADA 软件市场的主流应用软件；后者是近些年跟随云服务蓬勃发展的SCADA 软件， 其主要形态是平台化和生态性。 目前，国内外自动化领军企业均在大力发展基于云服务的SCADA 软件生态圈（例如supOS、GE 的Predix、 西门子的MindSphere）， 这也 是SCADA 软件未来角逐的主战场。

1 混合型SCADA 软件

通过调研发现，中小型企业对于“智能制造2025”主要关注两个方面：一是“智能工厂”［1］，二是“智能生产”。 两者均涉及一个共同主题，即网络化分布式生产方式的实现，也就是将分布在不同地点的数字化设备、处理设备、传感设备、执行机构、 机器人及测量设备等生产设施联成网络，实现互联互通，达到数据交互、状态感知、实时分析、精确执行和优化管控的新型生产管理方式。

对于广大的有一定自动化和信息化基础的中小型企业而言，目前亟待解决的是底层大量未联网设备的数据采集问题。 通过近20 年的自动化+信息化的融合建设， 以单机运行为基础构建的经典型SCADA 软件已无法满足中小型企业的业务需求， 但生态型SCADA 短期内又无法被理解和接受，其大规模应用还有一个发展过程。

在“智能制造2025”的大背景下，推进生产制造升级改进是一个持续化的过程，特别是制造业的设备IIoT、MES 系统重塑、管理的数字化转型，都需要现场数据层的接入。 因此， 在原经典型SCADA 软件基础上，通过各种数据接口（OPC 服务、DBI 编程接口及数据库等）进行数据的二次开发利用，成了许多中小型企业无奈的选择。 为此，笔者提出一种混合型SCADA 软件应用架构，其核心特点包括：

a. 对分散部署的设备进行数据采集，设备类型和采集方式将变得丰富多样；

b. 分布式无线数采网关设备将被应用，且网关设备与数采软件之间无缝对接；

c. 分担MES 在底层设备交互上的职责，实现业务逻辑与数据交互之间的分离；

d. 项目整体采取分期、 分阶段实施方案，随着用户决策层对应用的深入理解，上层应用系统的规划和功能将会被调整；

e. 项目整体建设周期较长， 对于数据接口、应用扩展、自主编程及自主维护等，较传统系统均提出了更高的要求。

2 企业需求剖析

笔者以某制造型企业的车间数字化改造为切入点， 对广大中小型企业在新型SCADA 软件中的需求做一次初步的剖析， 以此建立混合型SCADA 软件的初步印象。

为提升整体数字化能力，某企业规划实施了“设备在线监测项目”，其总体规划步骤包括：

a. 一期，选取公司机器人设备、新引进自动化设备和关键造型设备60 台；

b. 二期，选取公司加工中心、数控机床100台，并初步构建上层数据监控中心；

c. 三期，选取公司包装设备、加工攻丝机、抛丸机等设备180 台，并进一步加强监控中心的职能；

d. 四期，根据需求持续扩展设备，且具备分布式部署和便捷化实施的能力，并在全国多个分厂进行推广。

可见，企业在进行智能制造提升时，表现出“需求迫切、投入谨慎、逐步理解、迭代优化”的特点，具体如下：

a. 自下而上的构建方式，通过低耦合软硬件模块，提升项目推进的自由度和灵活度；

b. 采用边缘计算网关和数据采集软件进行分布式数据采集，充分保证基础数据接入的覆盖范围；

c. 由原先的接口开发转向功能组件开发，即驱动、服务等功能插件的开发；

d. 上层应用可选择自身的配套软件，也可选用大型经典型或生态型SCADA 软件， 功能组件可伸缩性强；

e. 满足用户对于“渐进式实施、反馈再投入”的分阶段投资理念， 充分保障前期投资的有效性。

3 对比分析

对经典型、生态型、混合型SCADA 软件架构进行对比，详见表1。

表1 3 种类型SCADA 软件架构的对比

（续表1）

通过以上对比项可以发现，“离散式、 低耦合”是混合型SCADA 软件最大的特点，为此笔者总结混合型SCADA 软件的六大功能特性， 以便对它进行评判，具体如下：

a. 边缘计算网关接入。 搭配具备通信接口、IO 通道、 远传总线及计算编程等功能的网关设备，具备网关数据（含组态、数采）与软件的无缝对接能力，针对采集数据的特殊计算（如傅里叶变换等）将由网关设备负责处理。

b. 软件功能的分解能力。 有别于经典型SCADA 软件在单体性能上的追求， 混合型SCADA 软件关注功能的解耦能力， 也就是将整体软件以功能单元的形式进行分解。

c. 分布式部署应用。 混合型SCADA 软件最大的特点是部署形式的柔性化。 通过软件功能块的灵活部署，实现数据采集覆盖范围的最大化和采集方式的最优化。

d. 应用单元逻辑处理。 混合型SCADA 软件注重各应用单元独立的逻辑处理能力，通过服务插件、编程脚本等形式，便捷地扩展各应用单元独立的逻辑处理能力。

e. 数据交互总线。数据交互总线是对混合型SCADA 软件“离散式、低耦合”特性最有力的支撑， 通过构建数据交互总线机制， 使得采集、控制、服务、接口及UI 展示等各种类型的功能单元均可挂载至该总线上，实现数据交互。

f. 上层应用支撑。 通过插件化的服务模块，实现对各种类型上层应用的支持，为上层系统提供经过清洗的数据，使上层应用可以更好地关注业务本身。

4 适用性研究

以智能制造的需求为切入点，分析并总结混合型SCADA 软件相应的技术特点， 现分若干场景对产品进行适用性探讨。

4.1 制造企业MES 的融合应用

在与MES 融合时，可将对接生产设备、数据采集及逻辑处理等交互功能交由混合型SCADA软件处理，其构建方式（图1）如下：

a. 对接各生产线上运行的数控与工控设备、带标准驱动的设备、 经典SCADA 软件的数据接口、手动/条码、ID 辨识、传感触发设备、各项生产装置、检验设备及环境监控设备等；

b. 通过插件机制编写数采驱动、处理服务和UI 界面，程序可运行在后台服务、前端应用及操作终端等各种节点上；

c. 通过数据交互总线进行数据交互， 并为MES 提供智能制造决策所需的数据。

图1 混合型SCADA+MES 融合应用的结构框图

4.2 WMS 仓储管理系统的融合应用

WMS 仓储管理系统是一套偏向于管理的信息系统，WCS 属于执行层应用，通过混合型SCADA 系统，可为WCS 构建的功能包括：

a. WCS 涉及的生产线将由不同的工位构成，每个工位将拥有独立的设备单元和运行逻辑，可以将软件功能单元部署在工位HMI 操作终端；

b. 通过运行脚本进行数据处理，而部署在后台服务器中的运行服务，通过数据交互总线与软件功能单元进行数据指令交互；

c. 通过插件服务和数据接口，将处理后的数据提供给WMS， 为其业务逻辑的运行提供数据支撑。

4.3 企业能耗计量管理系统的融合

以江浙一带印染企业的能源计量管理系统为例，由于存在车间的分包租赁，因此不仅需要准确地采集数据，还需要对采集到的能耗数据进行统计、结算、分摊及计费等，并在租户欠费后可以反向控制现场的切断设备。借助混合型SCADA软件，可构建的方式（图2）包括：

a. 通过边缘数采网关采集现场水、 电、气（汽）等各种能耗数据；

b. 通过采集软件中的插件服务，对摄像头拍摄计量仪表的读数进行识别， 实现对第三方总表、无通信接口仪表读数的识别和采集；

c. 通过采集软件中的编程脚本功能，实现采集数据的清洗和处理；

d. 部署上层业务管理系统，通过对象建模实现计费管控，并自动生成计费报表；

e. 上层业务管理系统通过数据接口，实现对欠费租户的限制性控制；

f. 基于HTML5 技术的监控流程图系统，实现移动端的远程监控与操作。

图2 混合型SCADA 在能耗管控领域应用的结构框图

该种应用充分利用系统的功能分解和分布式部署能力，使得数采网关、采集软件、业务系统和流程图系统均可分散部署， 甚至可将业务系统、 流程图系统等功能单元部署至云服务器，形成企业内网与云端的联合应用。

4.4 加油站油气回收监测系统的融合应用

加油站油气回收监测系统由测量设备、数据采集与处理设备、加油枪关闭设备及上层管理平台等软硬件组成。 其中，部署在现场的边缘计算网关负责单油气量、单燃油量、油气流速、燃油流速、气液比、三次油气回收装置信息及加油站环境状况（环境温湿度、油罐罐体压力、油气排放浓度和油气回收管道液阻）等数据的采集、计算和存储，并与部署在站内监控计算机上的软件功能单元实现无缝对接。

软件可实时显示气液比、罐体压力及处理装置状态等监测数据，具备异常预警报警、故障记录分析、检测校准管理、数据上传导出、日常运行记录、历史数据查询、统计分析及监控卸油油气回收管连接状态等功能。 并按数据接口格式，实现与市环保局等上层平台的联网和数据对接，从而构成边缘计算网关、 站内SCADA 软件与上层管理平台相融合的混合型SCADA 软件架构。

该种应用最大的特点是利用数采网关直接对采集获得的数据进行边缘计算处理，并将计算后的结果反馈至上层应用，从而也对网关设备的自定义编程能力提出要求。

5 结束语

通过整体分析、 需求剖析及功能对比等方式，将混合型SCADA 软件架构的轮廓大体呈现，并通过4 个应用案例阐述混合型SCADA 软件架构在中小型企业数字化应用中特有的适用性。 创新点在于混合型SCADA 软件架构。 一方面，该架构为各SCADA 软件厂商提供了一种新的设计方案；另一方面，也为各中小企业在数字化转型中提供了一种数据采集层的构建方案，并有利于其夯实基础数据，为上层业务系统的构建、重塑和优化提供更好的支撑。