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前沿观察|SCADA“进化论”

   日期:2021-01-23     来源:工控之家网    作者:工控之家    评论:0    
核心提示:在地球漫长的历史长河中,环境的不断变化,推动了生命的不断进化。在“诞生、演化、消亡”的轮回中,从无机物到有机物,从原始菌类到低级海洋生命...一直到恐龙...人类,在优胜劣汰的自然法则面前,优势性状不断积累叠加,使得新生命的环境适应能力更加

在地球漫长的历史长河中,环境的不断变化,推动了生命的不断进化。在“诞生、演化、消亡”的轮回中,从无机物到有机物,从原始菌类到低级海洋生命...一直到恐龙...人类,在优胜劣汰的自然法则面前,优势性状不断积累叠加,使得新生命的环境适应能力更加顽强,智慧力更加强大。

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相比漫长的地球生命进化史,人类文明就是长河中的一滴浪花,现代技术就是浪花跳跃瞬间的夺目光芒。然而这一瞬间建立起的工业与科技优势,足以让人类笑傲所有地球上存在过的“生命”。如今智能工业时代的到来,数字化、网络化和智能化技术的发展,为工业深化发展带来了无限可能,同时也形成了新的挑战,而克服挑战的唯一方法,就是科技力的再进化。

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智能工业时代,SCADA“再进化”

随着智能制造的持续深入,物联网、大数据、云计算以及边缘计算等新一代数字化技术快速融入到工业,传统工业迎来了无限可能。新的制造模式和商业模式的出现,在推动工业制造转型的同时,也给企业带来巨大的挑战。

在智能工厂构建过程中,企业车间设备需要互联互通,生产过程状态数据需要及时的采集与分析,各个自动化控制系统要实现一体化集成,这都需要“更高阶“的SCADA系统予以支撑。传统SCADA虽然能让企业方便地监控散布在各地的生产过程和设备仪表,然而随着工业智能化落地场景的不断增多,面对日趋增长的数字化和智能化互联协作需求,传统SCADA系统却力有不逮。在此背景趋势下,SCADA系统也开始不断创新和优化。

从当下SCADA系统应用趋势看,其发展可概括为5个方向,即大数据、大集成、虚拟化、智能化和云平台。

大数据就是为未来企业的物联网和智能工厂建设搭建控制数据平台;大集成指的是根据发展的需要扩展系统或者将多个系统集而为一,能够将大量的生产数据和设备仪表信息无缝集成,方便控制和监测;虚拟化能够让用户减少硬件和维护;智能化有助于生产操作的高效化和管理决策的科学化;云平台支持SCADA的远程运行。

例如,霍尼韦尔就与微软合作,为企业的物联网和智能工厂建设搭建了开放的控制数据平台,使得SCADA系统能够在云端运行。罗克韦尔与Stratus合作,在ftServer平台部署SCADA虚拟化解决方案,通过灵活的连接和从车间到企业的可靠信息共享,提供很好的延展性。

通过将SCADA部署到云端,不仅能提供更低的入门成本,省去大额资本支出。从人力维护角度来看,IT设备减少了,需要投入的IT运维人员也减少了。通常情况下,IT运维人员只有少量的与VPN网关设备相关的现场工作,比如处理云与企业网络或现场设备之间的私有网络。这减少了雇佣稀有IT人才所带来的麻烦。

此外,利用虚拟化技术部署,一方面可以让用户减少主机的数量和维护量,另一方面可以使SCADA功能完全为云技术开放,可以基于云平台进行操作,充分满足智能工厂对数字化、互联、协同和智能的要求。

打造“永远在线”SCADA

SCADA作为一种行业需求覆盖广泛,技术应用十分成熟的工业系统,在工业发展中扮演着十分重要的角色。特别在远动系统中占重要地位,既可以对现场的运行设备进行监视和控制,以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能,即我们所知的"四遥"功能。如今也能通过物联网、云计算以及边缘计算,将数据采集和监视控制能力从远端延伸到边缘端,实现对远程分布式系统的“超远程”监控。

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这一过程现在是如何实现的?SCADA系统组成包括监控计算机、远程终端单元(RTU)、可编程逻辑控制器(PLC)、通信基础设施、人机界面(HMI)。其中,监控计算机是SCADA系统的核心,负责收集过程数据并向现场连接的设备发送控制命令,这些现场连接控制器就是RTU和PLC,包括运行在操作员工作站上的HMI软件。

随着工业智能化转型升级的持续深入,SCADA将不再只是一个仅仅用于数据采集和监视控制的系统,而是正在成为工业大数据的“汇聚地”,它即可以作为工业互联网平台的底层,肩负起现场数据采集和设备监控的重任,也能为平台的数据分析提供坚实的支撑。日趋重要的能力,让其牢牢的占据智能互联时代的“C”位,不容任何闪失。

但根据领先工业自动化厂商的经验,随着时间的推移和数据持续增长,SCADA系统会变得不太稳定,从而引发操作、安全性和维护等方面的问题。目前传统SCADA系统所采用的双机热备和集群方案,只能保证故障发生不蔓延、扩散,属于灾难恢复方案,只能部分解决连续工作的问题。因此,如何提升SCADA系统的可用性、可操作性和安全性,成为企业推进工业智能化转型升级过程中必须解决的问题。

为应对挑战,近年包括罗克韦尔、西门子、通用电气、艾默生以及ABB等在内的全球工业自动化领导厂商,都致力于通过与Stratus公司合作,将其ftServer容错服务器和ztC Edge工业边缘计算系统用于SCADA系统部署,主要用来替代传统服务器,提升工业环境下服务器平台的可靠性和可用性。

通常SCADA系统分为两个层面,即客户机/服务器体系结构。服务器与硬件设备通信,进行数据处理和运算。而客户机用于人机交互,如用文字、动画显示现场的状态,并可以对现场的开关、阀门进行操作。目前,ztC Edge和ftServer两大产品可分别用于替换客户机和服务器,以其高冗余节点架构提供高达99.9999%的可用性,能确保SCADA系统每年的非计划停机时间在几秒钟,基本能杜绝任何形式的宕机。

Stratus公司的目标是,故障预防的专家,而不是故障恢复专家,将任何形式的故障完全“扼杀在摇篮”之中,即便是硬件故障,也不影响业务连续性。那么,Stratus是如何做到的?

实际上,为保证系统的高容错能力,ftServer和ztC Edge均采用的是单一系统的两个紧凑坚固的冗余节点组成,如果其中一个节点出现故障,则可自动实现系统切换。

ftServer

例如,ftServer服务器是由两台刀片服务器组成的一体机,在这种情况下,企业只需要购买一个操作系统和数据库license,所有应用系统由两台服务器自动运行。其中,有一台服务器出现故障,例如掉电时另一台服务器可以继续运行,不会造成任何损失,更换设备可以直接热插拔。通过在单一操作系统内实现CPU、内存、芯片组、磁盘、I/O部件的冗余设计,加上独家DMR Lockstep(锁步)技术、故障自动切换机制、故障部件热插拔替换等,可以做到零切换时间,防止宕机发生。

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如果只考虑单机硬件成本,单台容错服务器可能会比单台配置相当的传统服务器要贵。但保证业务的连续和可用性,传统服务器就必须做复杂的双机热备,不仅部署实施复杂,而且成本远高于单台ftServer容错服务器,这样一来,Stratus产品的优势就显现出来了。不仅如此,再从TCO看,容错成本与双机差不多却拥有更高的可靠性,出现问题时比双机更短的转换时间。对于管理员来说,ftServer容错服务器的安装、部署、等操作更容易,步骤更少,维护起来更简便。

ztC Edge

同样,ztC Edge也是由两个节点组成,它们自动镜像内存中的所有数据和写入磁盘的所有数据,以提供更好的保护。即便节点发生故障,系统会自动使该故障节点上运行的任何VM在其他节点上重新启动,以确保服务的连续性,即使是在另一层楼或另一建筑的节点,它也会自动完成这一切,无需任何用户干预。

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由于Stratus通过产品的架构创新,极大地提高了平台的可用性。目前,全球各大工业自动化领导厂商都在强化与Stratus的合作,将其作为重要的产业合作伙伴融入到各自的平台生态建设,而基于ftServer服务器打造的SCADA解决方案也不负众望,常年保持在99.9999%的超高可用性,并被推广应用到制药、能源、水管理、餐饮、石油和天然气、化学品、消费品、汽车等行业,为这些行业打造“永远在线”SCADA。

 
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