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

   北京安控科技股份有限公司 彭國(guó)紅

   新疆油田公司陸梁油田作業(yè)區(qū) 李新國(guó)

   摘要：本文主要描述SCADA系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)聯(lián)，旨在說明當(dāng)前已有的SCADA系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)條件，物聯(lián)網(wǎng)是SCADA系統(tǒng)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(tǒng)概念

    信息技術(shù)的發(fā)展必將推動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)的革命。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷成熟，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)在總體架構(gòu)、管理模式、應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展、開放化、低成本的總體目標(biāo)前進(jìn)。尤其物聯(lián)網(wǎng)概念的推出，使得越來越多的企業(yè)將目標(biāo)監(jiān)控、數(shù)據(jù)應(yīng)用、開放互聯(lián)設(shè)計(jì)為一套完整的解決方案。

    物聯(lián)網(wǎng)IOT（Internet Of Things）是通過射頻識(shí)別（RFID）等信息傳感設(shè)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(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)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(xiàn)對(duì)物體實(shí)施智能化的控制與管理。

    SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及信號(hào)報(bào)警等。SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，其應(yīng)用已完全超出了基本數(shù)據(jù)監(jiān)視控制的范疇。一套完整的SCADA系統(tǒng)已不僅僅是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)收集、遠(yuǎn)程控制功能，而是被賦予了更豐富的內(nèi)涵。

    2 系統(tǒng)特點(diǎn)

    2.1物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

   物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，依賴射頻自動(dòng)識(shí)別（RFID）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)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(shí)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(yīng)用層，即物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)專業(yè)技術(shù)的深度融合，與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)行業(yè)智能化。
 
              
                               圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    2.2 SCADA系統(tǒng)

   通用SCADA系統(tǒng)可分為3層。第1層為數(shù)據(jù)采集層，由RTU與一次儀表構(gòu)成，完成現(xiàn)場(chǎng)原始數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理。根據(jù)設(shè)計(jì)需求還可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以保證通訊中斷后數(shù)據(jù)的連續(xù)性；第2層為數(shù)據(jù)監(jiān)控層。在這層將利用各種軟件遠(yuǎn)程仿真現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警。該層可根據(jù)對(duì)應(yīng)的管理模式再分為分控中心、總控中心等，還可根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行大量歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；第3層為數(shù)據(jù)應(yīng)用層。在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)對(duì)已采集數(shù)據(jù)的分析、整理，并根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)多種形式的發(fā)布。業(yè)界很多公司分別在數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)監(jiān)控層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層都擁有極其穩(wěn)定的產(chǎn)品和豐富的系統(tǒng)集成經(jīng)驗(yàn)。
 
                  
                             圖2 SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

   2.3其它分層

   對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化的體系結(jié)構(gòu)，還有一種分層理論也是3層。第一層，以PCS（過程控制系統(tǒng)）為代表的基礎(chǔ)自動(dòng)化層。主要包括控制軟件、測(cè)量技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)處理技術(shù)、DCS、FCS、傳感技術(shù)、特種執(zhí)行機(jī)構(gòu)等等；第二層，以MES（生產(chǎn)過程制造執(zhí)行系統(tǒng)）為代表的生產(chǎn)過程運(yùn)行優(yōu)化層。主要內(nèi)容包括建模與流程模擬技術(shù)、先進(jìn)計(jì)劃與調(diào)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(nèi)容包括企業(yè)資源管理、供應(yīng)鏈管理、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、設(shè)備資源管理、企業(yè)電子商務(wù)平臺(tái)等等。

   2.4共同特點(diǎn)

   SCADA系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以及其它工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，都屬于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展趨勢(shì)分析，其將逐步取代部分SCADA系統(tǒng)。通過分析2類系統(tǒng)的架構(gòu)體系，二者具備如下一些共同的特征：

   （1）體系結(jié)構(gòu)分層。兩類系統(tǒng)均具備清晰完整的層次結(jié)構(gòu)，便于設(shè)計(jì)者、使用者理解。SCADA系統(tǒng)的3層與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)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。靠近現(xiàn)場(chǎng)的層由于采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，使得設(shè)備檔案及診斷信息更為豐富；中簡(jiǎn)層體現(xiàn)更多的是運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控、設(shè)備管理；而最上位的應(yīng)用層可以涉及數(shù)據(jù)深度應(yīng)用、設(shè)備維護(hù)計(jì)劃、備品備件管理、設(shè)備資產(chǎn)管理等。

   （2）一次儀表數(shù)據(jù)采集。兩類系統(tǒng)都需要有現(xiàn)場(chǎng)原始數(shù)據(jù)的采集，其準(zhǔn)確性及數(shù)據(jù)可用性完全取決于該一次表的數(shù)據(jù)采集。在IOT中，對(duì)控制功能的體現(xiàn)更為突出。在SCADA系統(tǒng)中，常規(guī)的控制策略主要為單回路控制、串級(jí)調(diào)節(jié)、比率調(diào)節(jié)、均勻調(diào)節(jié)、前饋調(diào)節(jié)、自動(dòng)選擇調(diào)節(jié)、分程調(diào)節(jié)、非線性調(diào)節(jié)等，實(shí)現(xiàn)功能仍以PID調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)，輔以一定的功能塊及控制算法。IOT中的常規(guī)控制得以擴(kuò)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(bǔ)償、自動(dòng)跟蹤、無擾切換等，多配方自動(dòng)改變參數(shù)或功能塊連接方式，使得自動(dòng)化應(yīng)用變得透明、簡(jiǎn)單。

   （3）對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)的依賴。兩類系統(tǒng)均需要依賴網(wǎng)絡(luò)，而物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)則更加依賴無線通訊網(wǎng)絡(luò)。由此可見，保證無線通訊是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的必要條件。無線通訊主要的特點(diǎn)是安裝便捷、應(yīng)用靈活、低成本、易于擴(kuò)展等，最主要是適用于多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，包括802.11a、802.11b、最新混合標(biāo)準(zhǔn)802.11g。

   （4）數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。原始數(shù)據(jù)采集后，兩類系統(tǒng)對(duì)所得的數(shù)據(jù)都進(jìn)行了綜合應(yīng)用處理。通過結(jié)構(gòu)可以看出，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理更深入。企業(yè)海量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)是企業(yè)經(jīng)營(yíng)決策的重要依據(jù)，對(duì)于采購管理、成本控制、提高經(jīng)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的參考價(jià)值，對(duì)于控制生產(chǎn)成本、擴(kuò)大利潤(rùn)，從而保證企業(yè)利潤(rùn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。由此可見，數(shù)據(jù)的深度處理后，對(duì)指導(dǎo)全企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，具有十分重要的意義。

   3 過渡方案

    物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)自動(dòng)化必然的發(fā)展趨勢(shì)，將使得工業(yè)自動(dòng)化的分布式、開放化、信息化、規(guī)模化等諸多特點(diǎn)得以最大化體現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)的分布式結(jié)構(gòu)確保每一個(gè)智能終端能獨(dú)立運(yùn)行，互通信息的同時(shí)也將系統(tǒng)危險(xiǎn)分散；開放化特點(diǎn)則是網(wǎng)絡(luò)自身具備多種標(biāo)準(zhǔn)接口，便于新的終端節(jié)點(diǎn)無縫接入；信息化使得系統(tǒng)信息能夠及時(shí)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大閉環(huán)；規(guī)模化則是降低終端節(jié)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(guī)模應(yīng)用。

   由于物聯(lián)網(wǎng)完全是一個(gè)開放的網(wǎng)絡(luò)，涉及行業(yè)機(jī)密或是國(guó)家安全的SCADA系統(tǒng)，將仍然保持現(xiàn)有狀態(tài)。所以，物聯(lián)網(wǎng)取代部分SCADA系統(tǒng)是必然的一個(gè)趨勢(shì)。根據(jù)兩類系統(tǒng)的對(duì)比，無論是新建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，還是基于SCADA系統(tǒng)的改造，可以參考如下方案：

   （1）SCADA系統(tǒng)建設(shè)模式非常成熟，現(xiàn)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(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可參考SCADA系統(tǒng)架構(gòu)。在滿足企業(yè)的生產(chǎn)管理需求后，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制、在線優(yōu)化、在線性能監(jiān)控、在線設(shè)備臺(tái)帳管理等信息化技術(shù)的集成。

   （2）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)選擇時(shí)，感知層（或采集層）均采用無線設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮靈活、高速、多冗余、高性能、高安全等特點(diǎn)，可靈活使用線性結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)、倒掛樹結(jié)構(gòu)及各種組合等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于網(wǎng)絡(luò)中任意二個(gè)設(shè)備之間提供了多重通訊路徑，從而使得通訊不會(huì)受單節(jié)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(shè)終端狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。SCADA系統(tǒng)中，對(duì)儀表等設(shè)備特征、狀態(tài)關(guān)注較少，但根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的要求，對(duì)所有的終端監(jiān)測(cè)都是必要的，所以對(duì)未設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)的終端加設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。工業(yè)自動(dòng)化一般使用的現(xiàn)場(chǎng)儀表主要包括溫度儀表、壓力儀表、物位儀表、流量?jī)x表、在線過程分析儀、執(zhí)行器等。現(xiàn)場(chǎng)儀表的穩(wěn)定工作是真實(shí)數(shù)據(jù)的保證，所以除常規(guī)的運(yùn)行功能外，監(jiān)測(cè)儀表的工作狀態(tài)是非常有必要的。

   （4）加大數(shù)據(jù)的深度挖掘，提供豐富穩(wěn)定的數(shù)據(jù)接口。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)開放的系統(tǒng)，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(shù)據(jù)交換。而SCADA系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，與其它系統(tǒng)接口相對(duì)較少。一個(gè)成功的自動(dòng)化系統(tǒng)，應(yīng)該是一個(gè)具備多種標(biāo)準(zhǔn)接口的系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的選擇、現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品的選擇，都將決定標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)的可能性。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化的程序接口還保證了不同廠家軟硬件產(chǎn)品的數(shù)據(jù)交換，而不必?fù)?dān)心他們之間的通訊。這也是應(yīng)用規(guī)模化的前提。

   （5）加強(qiáng)反控功能的穩(wěn)定性。SCADA系統(tǒng)更多的關(guān)注的監(jiān)視功能，而相對(duì)控制較弱。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)要求全網(wǎng)信息互通，但為保證全網(wǎng)的終端監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平衡，需要根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些反控。在現(xiàn)在控制理論的推動(dòng)下，各種智能化算法應(yīng)運(yùn)而生。除業(yè)界熟知的PID控制，多變量預(yù)測(cè)已完成生產(chǎn)實(shí)踐階段。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)強(qiáng)大數(shù)據(jù)的集合，并且數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)更新的。所以，適當(dāng)采用多變量預(yù)測(cè)控制與PID串級(jí)控制相結(jié)合的方案，可以非常有效地實(shí)現(xiàn)反控功能的穩(wěn)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)過程的優(yōu)化，還將是管理模式的重大轉(zhuǎn)變。物聯(lián)網(wǎng)充分結(jié)合先進(jìn)的工藝裝備技術(shù)、現(xiàn)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(xiàn)企業(yè)的優(yōu)化運(yùn)行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理，從而成為提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的核心高技術(shù)。

  作者簡(jiǎn)介：

   彭國(guó)紅（1976-），男，湖北公安人，畢業(yè)于北京信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)軟件專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于北京安控科技股份有限公司，從事系統(tǒng)集成工作。

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