一、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(kāi)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(lái)越多的企業(yè)將目標(biāo)監(jiān)控、數(shù)據(jù)應(yīng)用、開(kāi)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(guò)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。
二、系統(tǒng)特點(diǎn)
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。
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)。
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(guò)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(kù)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(guò)程制造執(zhí)行系統(tǒng)）為代表的生產(chǎn)過(guò)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(cāng)庫(kù)技術(shù)、設(shè)備資源管理、企業(yè)電子商務(wù)平臺(tái)等等。
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(guò)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?？拷F(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(wú)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(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)。由此可見(jiàn)，保證無(wú)線通訊是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的必要條件。無(wú)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(guò)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(gòu)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(jiàn)，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。
三、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(shì)，將使得工業(yè)自動(dòng)化的分布式、開(kāi)放化、信息化、規(guī)?；戎T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(kāi)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(wú)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(gòu)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(kāi)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(wú)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(wú)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(guò)程分析儀、執(zhí)行器等?，F(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(kāi)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(guò)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)。
