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活動鏈接：2013年控制網行業專題---物聯網革命

   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區 李新國

   摘要：本文主要描述SCADA系統與物聯網之間的關聯，旨在說明當前已有的SCADA系統是實現物聯網的基礎條件，物聯網是SCADA系統一種更具體、更實用的一種延伸。

    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.

    關鍵詞：物聯網 SCADA RTU 網絡 通訊 控制

    Key words: IOT SCADA RTU Net work Communication Control 

    1 系統概念

    信息技術的發展必將推動自動化系統的革命。隨著信息技術的發展，各個領域的應用也不斷成熟，工業自動化系統在總體架構、管理模式、應用技術、綜合挖掘等方面均要發生重大變化，進一步向標準化、可擴展、開放化、低成本的總體目標前進。尤其物聯網概念的推出，使得越來越多的企業將目標監控、數據應用、開放互聯設計為一套完整的解決方案。

    物聯網IOT（Internet Of Things）是通過射頻識別（RFID）等信息傳感設備，按約定的協議，利用互聯網進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網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，以實現對物體實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絡技術作為支撐，實現對現場數據采集、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系統已不僅僅是實現簡單的數據收集、遠程控制功能，而是被賦予了更豐富的內涵。

    2 系統特點

    2.1物聯網系統

   物聯網系統是利用計算機互聯網平臺，依賴射頻自動識別（RFID）技術，實現終端節點的自動識別和信息的互聯與共享。物聯網可分為三層：一是感知層，即物聯網的皮膚和五官識別物體，采集信息；二是網絡層，即物聯網的神經中樞和大腦信息傳遞和處理；三是應用層，即物聯網與行業專業技術的深度融合，與行業需求結合，實現行業智能化。
 
              
                               圖1 物聯網系統結構

    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，完成現場原始數據的采集與預處理。根據設計需求還可以實現現場的數據存儲，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，實現數據的實時監控、實時報警。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行大量歷史數據的存儲；第3層為數據應用層。在應用層實現對已采集數據的分析、整理，并根據需要實現多種形式的發布。業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品和豐富的系統集成經驗。
 
                  
                             圖2 SCADA系統結構

   2.3其它分層

   對于工業自動化的體系結構，還有一種分層理論也是3層。第一層，以PCS（過程控制系統）為代表的基礎自動化層。主要包括控制軟件、測量技術、數據庫技術、數據融合與數據處理技術、DCS、FCS、傳感技術、特種執行機構等等；第二層，以MES（生產過程制造執行系統）為代表的生產過程運行優化層。主要內容包括建模與流程模擬技術、先進計劃與調度技術、實時優化技術、動態成本與管理技術等等；第三層，以ERP（企業資源管理）為代表的企業生產經營優化層。主要內容包括企業資源管理、供應鏈管理、產品質量數據管理、數據倉庫技術、設備資源管理、企業電子商務平臺等等。

   2.4共同特點

   SCADA系統、物聯網系統以及其它工業自動化系統，都屬于計算機網絡技術發展的產物。根據物聯網迅猛發展趨勢分析，其將逐步取代部分SCADA系統。通過分析2類系統的架構體系，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層與物聯網系統的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。靠近現場的層由于采用現場總線技術，使得設備檔案及診斷信息更為豐富；中簡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、設備資產管理等。

   （2）一次儀表數據采集。兩類系統都需要有現場原始數據的采集，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、自動選擇調節、分程調節、非線性調節等，實現功能仍以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、并聯連接、選擇性連接、自動補償、自動跟蹤、無擾切換等，多配方自動改變參數或功能塊連接方式，使得自動化應用變得透明、簡單。

   （3）對通訊網絡的依賴。兩類系統均需要依賴網絡，而物聯網系統則更加依賴無線通訊網絡。由此可見，保證無線通訊是實現物聯網的必要條件。無線通訊主要的特點是安裝便捷、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，兩類系統對所得的數據都進行了綜合應用處理。通過結構可以看出，物聯網系統對數據處理更深入。企業海量的生產數據是企業經營決策的重要依據，對于采購管理、成本控制、提高經營的經濟效益具有重要的參考價值，對于控制生產成本、擴大利潤，從而保證企業利潤目標的實現。由此可見，數據的深度處理后，對指導全企業生產經營，具有十分重要的意義。

   3 過渡方案

    物聯網是工業自動化必然的發展趨勢，將使得工業自動化的分布式、開放化、信息化、規模化等諸多特點得以最大化體現。物聯網的分布式結構確保每一個智能終端能獨立運行，互通信息的同時也將系統危險分散；開放化特點則是網絡自身具備多種標準接口，便于新的終端節點無縫接入；信息化使得系統信息能夠及時對采集數據進行綜合處理，借助網絡技術實現大閉環；規模化則是降低終端節點的接入成本、購置成本、使用成本，在最優綜合成本的前提下完成規模應用。

   由于物聯網完全是一個開放的網絡，涉及行業機密或是國家安全的SCADA系統，將仍然保持現有狀態。所以，物聯網取代部分SCADA系統是必然的一個趨勢。根據兩類系統的對比，無論是新建物聯網系統，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值。物聯網做架構設計時，可參考SCADA系統架構。在滿足企業的生產管理需求后，進一步實現先進控制、在線優化、在線性能監控、在線設備臺帳管理等信息化技術的集成。

   （2）網絡系統選擇時，感知層（或采集層）均采用無線設計，數據應用層則可采用光纖通訊等快速網絡。整個網絡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，可靈活使用線性結構、環形結構、星型結構、倒掛樹結構及各種組合等網絡拓撲結構。由于網絡中任意二個設備之間提供了多重通訊路徑，從而使得通訊不會受單節點故障的影響，將會極大提高通訊的冗余性能和可靠性。

   （3）加設終端狀態監測點。SCADA系統中，對儀表等設備特征、狀態關注較少，但根據物聯網的要求，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。工業自動化一般使用的現場儀表主要包括溫度儀表、壓力儀表、物位儀表、流量儀表、在線過程分析儀、執行器等。現場儀表的穩定工作是真實數據的保證，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。物聯網系統是一個開放的系統，為保證所涉及終端信息的互通，與外圍其它網絡會有大量數據交換。而SCADA系統是一個相對獨立的系統，與其它系統接口相對較少。一個成功的自動化系統，應該是一個具備多種標準接口的系統。操作系統的選擇、現場產品的選擇，都將決定標準接口實現的可能性。同時，標準化的程序接口還保證了不同廠家軟硬件產品的數據交換，而不必擔心他們之間的通訊。這也是應用規模化的前提。

   （5）加強反控功能的穩定性。SCADA系統更多的關注的監視功能，而相對控制較弱。物聯網系統要求全網信息互通，但為保證全網的終端監測數據平衡，需要根據實時數據進行一些反控。在現在控制理論的推動下，各種智能化算法應運而生。除業界熟知的PID控制，多變量預測已完成生產實踐階段。物聯網是一個強大數據的集合，并且數據是動態更新的。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，可以非常有效地實現反控功能的穩定性。

   物聯網技術的普及是不可阻擋的。其改變的不僅是生產過程的優化，還將是管理模式的重大轉變。物聯網充分結合先進的工藝裝備技術、現代管理技術、以先進控制與優化技術為代表的信息技術，為工業自動化提供整體解決方案，以實現企業的優化運行、優化控制與優化管理，從而成為提高企業競爭力的核心高技術。

  作者簡介：

   彭國紅（1976-），男，湖北公安人，畢業于北京信息工程學院計算機軟件專業，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年畢業于江漢石油學院電子系自動化儀表專業，電氣工程師，現任職于新疆油田公司陸梁油田作業區，長期從事工業生產過程自動化工作。