由于數據格式不兼容，傳統上將SCADA系統納入運營需要直接且專門的連接來從工廠車間設備收集數據。這可能涉及與數千臺設備例如(PLC和HMI)連接，這是一項復雜而乏味的任務。
此外，MES和ERP(企業資源規劃)系統等更高級別的系統并不直接連接到工廠車間設備，而是通過SCADA系統進行連接。這種集成通常依賴于專有接口或軟件開發套件(SDK)來與SCADA連接，因此需要付出巨大的努力來維護和更新這些連接，同時確保兼容性。在一些制造組織中，MES系統與SCADA系統斷開連接，導致需要使用紙張手動收集數據以獲取運營效率指標，例如OEE(整體設備效率)，因為此類組織缺乏MES和制造流程之間的直接數字集成。
因此，將SCADA系統集成到傳統工業環境中會導致網絡架構充滿手動點對點連接，這些連接成本高昂，且維護和擴展具有挑戰性。這種設置限制了組織有效管理和響應日益增多的數據源的能力，使公司擁有數百或數千個需要專業知識的點對點連接。
基于UNS的SCADA架構的優點
SCADA系統采用統一命名空間，通過建立開放、標準化的數據交換架構來解決這些限制。這種架構有助于實時訪問運營數據并簡化集成過程，從而顯著降低連接不同系統和設備的成本。
MQTT協議已成為UNS框架內通信的首選標準，為開放和可互操作的環境提供了重大轉變。通過MQTT及其“發布-訂閱”模型，UNS允許動態且松散耦合的數據共享模型。該方法增強了SCADA網絡內的信息流，并擴展到制造環境中的不同操作區域。
UNS方法的核心是實時、按語義組織的數據層次結構，充當所有操作數據的中央存儲庫。這個單一、可靠的數據源反映了制造過程的實時狀態和活動。它確保所有連接的實體(包括SCADA系統)能夠立即、不間斷地訪問重要的運營信息。這種設置簡化了特定于角色的數據的發現，并促進了更加集成和一致的操作環境。
在UNS生態系統中，SCADA系統轉變為基于MQTT的網絡中的主動參與者，通過集中式MQTT代理與工廠設備和MES進行交互。這種向UNS框架的演進使SCADA系統成為具有自我意識的實體，能夠自主集成新數據點，而無需手動設置。
將SCADA系統與UNS集成可帶來以下幾個關鍵優勢：
①簡化集成：設備和應用程序可以輕松加入SCADA(網絡，增強整體數據共享框架，無需復雜的設置過程。
②降低集成成本：無需昂貴的專業工程即可將工廠車間和IT數據合并到SCADA(網絡中，從而降低了總體集成成本。
③增強敏捷性：實時了解整個制造運營過程，可以增強您進行測試、快速響應以及以更高的精度和可預測性執行計劃的能力。
④可擴展性：通過中央集線器進行數據交換的去中心化特性可以無縫添加無數節點，支持網絡的擴展。
使用統一命名空間將數據收集到SCADA系統中
SCADA(監控和數據采集)系統傳統上從設備獲取數據來控制流程、收集數據、管理警報和維護歷史記錄。此過程通常涉及專有設備連接接口來訪問必要的數據，從而導致SCADA系統與其監控的設備之間緊密耦合。20世紀90年代初，人們開始努力減少這種依賴性，特別是引入了OPC(OLE for Process Control)，旨在為從PLC等設備收集數據創建標準化接口。
盡管做出了這些努力，包括開發OPC UA，但對數據收集輪詢機制的依賴仍然是一個重大限制。由于工業環境中需要多個具有開放端口的服務器，因此這種方法的可擴展性較差，并且會帶來安全風險。
統一命名空間的出現為SCADA提供了新的范例。在此設置中，SCADA系統仍然履行其核心功能，但采用不同的數據采集和控制方法。具體來說，他們利用MQTT中的發布-訂閱通信模型。該模型允許工廠車間的設備將其數據發布到MQTT代理，該代理在統一命名空間內組織這些信息。然后，SCADA系統訂閱該代理，以便在需要時訪問所需的數據。這種方法消除了SCADA系統直接連接到每個設備的需要，從而通過減少潛在的攻擊面來增強安全性，并通過簡化數據收集過程來提高整體系統性能。
將SCADA數據集成到統一命名空間中
SCADA系統與UNS的交互不僅僅是收集數據；它積極地將豐富的上下文數據發布到UNS中，以供其他應用程序和設備使用。這種方法在設備將數據傳輸到HMI/SCADA系統或歷史記錄的現有(棕地)設置中特別有用。利用UNS的現有數據流可能是有利的。從SCADA系統獲得的數據本質上具有豐富的上下文，使其可立即用于集成到UNS中。這種方法還避免了因引入新組件與控制層通信而產生的額外網絡流量和安全漏洞。
本質上，SCADA系統充當復雜的數據中心。它收集并整合來自現場設備和可編程邏輯控制器(PLC)等各種來源的數據，監督生產的不同方面。通過采用統一的數據管理方法(通常是通過通用數據模型)，SCADA(系統可以輕松識別數據并將其同化到UNS中。
此外，SCADA系統通常設計為與制造執行系統(MES)和企業資源規劃(ERP)系統交互，使它們能夠很好地集成到組織網絡中。這種集成簡化了將數據提升到企業級別的過程，從而增強了整體數據治理。
SCADA系統的核心是連接到UNS，以訪問高效生產管理所需的所有數據。它還通過發出工廠層節點執行的命令來為UNS做出貢獻。
此外，即使SCADA系統與UNS進行數據交換，它們也與MES和歷史學家等系統保持事務數據的直接連接。在歷史學家和SCADA系統之間建立聯系通常是謹慎的。
使用MQTT Sparkplug將SCADA集成到UNS中
將SCADA系統集成到基于MQTT Sparkplug的統一命名空間架構中，可顯著增強實時數據交換、系統可靠性以及跨各種設備和應用程序的互操作性。MQTT Sparkplug規范添加了一種在工業應用中使用MQTT的標準化方法，確保結構化數據和狀態管理，這對于有效的SCADA操作至關重要。一個有用的按需相關資源是如何使用UNS和MQTT Sparkplug網絡研討會實現數據驅動制造。
以下是SCADA系統如何集成到MQTT Sparkplug統一命名空間中：
1、數據收集和監控
SCADA作為訂閱者：在MQTT Sparkplug網絡中，SCADA系統主要訂閱設備(傳感器、精算師、PLC)發布其數據的主題。這使得SCADA系統能夠從工業過程的各個部分收集實時數據。
2、網絡邊緣(EoN)節點
從傳感器或其他設備收集數據并按照Sparkplug規范將其發布到MQTT代理的設備或網關。SCADA系統監控這些數據點以獲取運營洞察和異常檢測。
3、控制命令
SCADA作為發布者：SCADA系統主要訂閱數據，同時也可以向網絡上的設備發布控制命令。這些命令通過MQTT代理發送，然后將它們分發到目標設備或網關，從而實現流程的實時控制。
4、設備管理和狀態感知
出生和死亡證明：Sparkplug指定對設備和應用程序使用“出生”和“死亡”證書。當設備上線時，它會發布“出生”證書，以向網絡(包括SCADA系統)宣布其存在和元數據。同樣，當設備離線時，會發布“死亡”證書。這種機制確保SCADA系統始終了解網絡的當前狀態并可以相應地管理設備。
5、數據效率和網絡優化
有效負載定義：Sparkplug定義了一個結構化有效負載，其中包括指標、數據類型和時間戳，確保SCADA系統以一致且高效的格式接收數據。這種標準化有助于優化網絡帶寬并簡化數據解析和分析。
6、狀態管理
SCADA系統受益于Sparkplug的狀態管理功能，設備可以保持其最后的已知狀態。這減少了SCADA系統持續輪詢的需要，從而降低了網絡流量并提高了系統響應能力。
7、互操作性和可擴展性
標準化通信：通過遵守MQTT Sparkplug規范，SCADA系統可以輕松與各種設備和其他系統集成，無論供應商如何。這促進了擴展或修改工業網絡的互操作性和靈活性。
8、可擴展性
MQTT的輕量級協議與Sparkplug(的高效數據結構相結合，使SCADA系統能夠擴展和管理不同地理位置的數千臺設備，而不會顯著增加網絡負載或復雜性。
結論
將SCADA系統集成到統一命名空間框架中代表著朝著更加敏捷、高效和可擴展的工業運營邁出的變革性一步。通過擺脫傳統架構的限制，公司可以采用更加互聯和動態的數據基礎設施，從而為實時決策和運營靈活性釋放新的可能性。這種集成簡化了工業數據管理，并為自動化和數據交換技術的未來進步鋪平了道路。
作者：熊老師
