前沿观察｜SCADA“进化论”

显示全部楼层 · 2024-3-2 00:56:11

在生存竞争的压力下，适者生存，不适者被淘汰；物种所保留的有利性状在世代传递过程中逐渐变异，经过性状分异和中间类型消失便形成新种。

——达尔文

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。

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。

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。
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。

1ftServer
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。

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。

2ztC 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。

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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