我们的目标是解决多厂商环境下的监控与数据采集（SCADA）问题，因为我们意识到，在处理异构系统时，目前缺乏有效的支持，只有具备丰富经验的集成商或专业技术人员才能承担此类项目。因此，我们希望将工业自动化视为一个循序渐进的过程，包含不同的时间节点，并将系统的可扩展性和互操作性作为设计新工厂或自动化系统的基本要素。.
作为一般工作场景，我们希望从一个逐步扩展的工业自动化系统入手，并在出现通信问题时逐步解决。这导致了通信孤岛的形成，互操作性也存在区域性差异。这种隔离现象在CIM通信金字塔中越往上层（García等人，2007），就越明显。例如，考虑一台机床，其设计初衷是使用来自某一制造商的材料和设备自主运行，后来又扩展了功能，接入了另一制造商的设备。在这种情况下，数据通信的解决方案通常由第三方公司提供的信息网关来实现，从而能够与领先品牌的设备进行交互。.

 


如今，在多个应用领域，包括采矿、水处理、石油和天然气管道、泵站和交通控制系统，以及风能、光伏和区域供热领域的分布式发电和配电，都需要对工业自动化系统进行远程监控（远程服务），其中还包括“智能”广告牌、气象站、灯塔、售票机或自动取款机。.


系统1本文结构如下。首先，简要概述工业通信网络，作为监控系统的基础。随后，对用于监控和采集过程数据的软件包的功能进行了明确的分类。文章的核心部分描述了可用于与监控系统进行数据通信的各种元件和系统。文章回顾了不同的SCADA软件包，包括它们在多厂商环境下的配置和使用选项，并重点讨论了专为系统互操作性而设计的OPC协议。最后，文章总结了各个分析方面的内容。.


工业通信网络
旨在解决自动化系统不同组件之间的信息传输问题（Mackay et al., 2004）。图1展示了工业通信金字塔，该金字塔基于元件的位置/数量及其功能（数据或控制）。值得注意的是，金字塔底部包含众多能够发送少量信息的工业自动化元件。随着金字塔向上延伸，元件数量减少，但需要传输的数据量却不断增加。


CIM金字塔各层级通信子系统所需的响应时间差异很大，从过程或现场层的几微秒到工厂层的几秒不等，这决定了实现该通信所需的通信网络类型。
控制网络与CIM金字塔的较低层级相连，因为它们必须能够实时支持信息流量，而信息流量是由来自较少站点的大量小数据包组成的，这与数据网络的情况不同。这两个网络之间的界限并不像最初看起来那么清晰，因为数据网络往往具有控制网络的典型特征，例如ProfiNet（Pigan等人，2008）。
以下软件应用程序（以及其他一些软件）运行在数据网络上：

用于规划和管理公司所有资源的程序（ERP - 企业资源计划）。
用于管理制造执行系统的程序，通常称为 MES（制造执行系统）。
计算机辅助设计、仿真、工程和制造程序，称为 CAD
/CAM/CAE（计算机辅助设计/制造/工程）。
支持公司所有部门协作的通用应用工具。

 

蜂窝网络满足工业环境特有的某些要求，其中以下几点尤为突出：

可在恶劣环境下运行（例如强电磁干扰、极端温度、灰尘和污垢等）。
在精确设定的时限内，数据交换具有高度安全性，并表现出确定性行为。
通过使用冗余电子设备和/或物理介质，以及具有先进通信错误检测和纠正机制的通信协议等，实现通信网络的高可靠性和可用性。

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目前，单元级工业通信采用工业以太网（II）网络，其数据链路层基于标准化的以太网介质访问技术和办公网络使用的基本通信协议（TCP/IP）。
这极大地简化了CIM金字塔中高层数据网络与底层控制网络之间电子互联通信系统的实现。未来的发展趋势是采用单一标准来满足两种类型网络的需求。工业以太网的主要目标是重新设计以太网标准定义的底层硬件和软件，使其适应工业工厂环境。
至于与底层协议结合使用的OSI模型（Gordon等人，2004）应用层协议，目前尚无统一的解决方案。可供选择的方案多种多样，例如Modbus/TCP、EtherCAT、Profinet等。

SCADA系统

SCADA是监控与数据采集系统的缩写。SCADA系统允许用户从一个或多个远程设备采集数据，并/或从控制室向这些设备发送控制指令。人机界面（HMI）系统负责促进人机通信，在监控系统中至关重要。.


SCADA系统分类
SCADA系统可以根据其是否仅用于可视化工业过程或能够对其进行修改进行分类，其分类方式与前面讨论的控制和数据网络类似：
影响过程的系统：这类系统允许操作员干预和控制过程，并对其进行监控。
不影响过程的系统：这类系统仅获取有关过程的数据，而不能修改过程。


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另一种可能的分类方法可以基于监控系统的位置，区分本地监控和远程监控，以及基于屏幕的人机界面（HMI）系统和功能更强大的基于工业PC的系统。SCADA
系统分析：
监控系统种类繁多，因为每个主要的自动化设备制造商都提供其专有的SCADA系统，此外，第三方公司也提供功能各异、针对特定行业、符合特定法规等的SCADA软件。


本文测试了不同的代表性SCADA系统，因为它们被主流工业自动化系统品牌所采用：

WinCC（西门子）、
CX-Supervisor（欧姆龙）、
Vijeo Citect（施耐德电气）、
Visu+（菲尼克斯电气）、
KepWare Server - 具有多厂商 OPC 驱动程序的 SCADA 系统

以下概述了SCADA系统的特性，如需更深入的技术信息，请参阅制造商手册。SCADA
系统的一般特性：
尽管SCADA系统在操作方式和某些特定功能上有所不同，但它们都具有一些共同的功能。由于许可、代码所有权以及与各种现有系统的兼容性等原因，它们都使用Windows操作系统。以下列表概述了SCADA系统的一般特性：

趋势图、报警管理等
。报告生成。
常用功能和例程的脚本。
集成 ActiveX、COM/DCOM、OLE 和其他控件。
跨屏幕/计算机的统一监控。PLC
编程软件与 SCADA 应用程序的集成。
用于屏幕创建的符号和图形库。
支持 ADO/ODBC，用于读写数据库数据。
通过 OPC 与其他应用程序通信。

 

对于异构环境，应重点审查以下问题：

包含与其他PLC厂商的通信驱动程序。
支持从本地计算机（单用户）或多台远程计算机（多用户）进行监控。可
通过Web浏览器进行可视化和控制。支持将监控和控制屏幕发布到Web。OPC
：数据交换的标准协议。


OPC（OLE for Process Control，用于过程控制的 OLE）标准是一种用于过程控制和监控的通信标准。该标准允许不同的数据源将数据发送到同一个 OPC 服务器，然后各种兼容该标准的程序可以连接到该服务器。这样就无需每个程序都拥有自己的驱动程序来与多个数据源通信；一个 OPC 驱动程序就足够了。.

OPC 是一套协议，其中以下几个协议尤为突出：
OPC-DA（数据访问）——最初的 OPC 协议，用于服务器和客户端之间的实时数据交换。OPC
-AE（报警和事件）——提供报警和事件通知功能。OPC
B（批处理）——适用于非连续性流程。OPC
DX（数据交换）——提供多个服务器之间的互操作性。OPC
HDA（历史数据访问）——用于访问 OPC 数据的历史数据。OPC
S（安全）——用于控制客户端对服务器的访问。OPC
XML-DA（XML 数据访问）——与 OPC-DA 类似，也用于服务器和客户端之间的数据交换，但它不使用 COM/DCOM 技术，而是使用 SOAP 消息（通过 HTTP）和 XML 文档。OPC
CD（复杂数据）——允许服务器以二进制结构和 XML 文档的形式公开和描述更复杂的数据类型。


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OPC接口的设计支持分布式网络架构。OPC服务器由多个符合COM标准的对象组成：

服务器对象：包含 OPC 服务器配置信息，并作为组对象的容器（图 2）。
组对象：用于组织客户端读取和写入的数据（例如，MMI 屏幕上的值或生产报告中的值）。客户端与组元素之间可以通过例外建立连接。组可以是公共的，这意味着它可以被多个 OPC 客户端共享。
项对象：表示与服务器上数据源的连接（它本身不是数据源）。它具有值、质量和时间戳属性。

通过 OPC 组访问 OPC 项，客户端可以定义服务器通知其数据更改的频率。.


多品牌 OPC：KepWare 服务器
。KepWare 服务器软件包将作为 OPC 服务器领域的标杆。该软件包提供工业级 OPC 连接，可通过各种驱动程序、插件及其组件快速配置控制系统之间的通信。该软件包
包含 100 多个驱动程序，支持数百种型号，可轻松将数据传输到客户端系统。大多数情况下，OPC 服务器被开发成简单的程序，一次只能处理一种类型的设备或协议。因此，需要多个 OPC 服务器来处理不同类型的设备或协议。KEPServer 由两个独立的组件实现。服务器组件包含完整的用户界面和 OPC 技术。特定的设备驱动程序将安装在该服务器组件上。因此，KEPServerEX 允许同时使用多个通信驱动程序。
要从 PLC 或设备获取数据，必须在 KepWare 服务器上配置通道和设备，客户端应用程序请求这些数据。几乎所有参数都可以在服务器运行时进行修改。无需关闭客户端应用程序即可向服务器添加新标签。新标签添加到服务器后，任何 OPC 客户端都会立即可以使用该标签。


系统11所有读写操作都可以在诊断窗口中查看，也可以使用提供的诊断标签通过 OPC 客户端应用程序进行监控。这有助于更好地排查通信错误。诊断窗口还提供协议活动的实时视图。
下文将展示不同 PLC 和 SCADA 系统之间的几个通信示例。用于通信测试的 PLC 为 OMRON CJ1M 和 SIEMENS S7-300。选定的 SCADA 系统包括 OMRON 的 Cx-Supervisor、SIEMENS 的 WinCC 和 SCHNEIDER 的 Vijeo Citect。本研究还包含一个 OPC 服务器，具体来说是 KEPWARE 公司的 KEPServerEX。本研究按 SCADA 系统进行组织，因此首先描述了使用不同通信通道连接的两个 PLC 的配置，并将所有内容整合到一个 SCADA 软件包中。


配置西门子 S7-300 PLC 的通信
关于 SCADA 系统与 PLC 之间的连接，将使用 PLC 硬件提供的三种选项（参见图 3）。
这些选项包括串行（MPI 协议）、以太网（TCP/IP 协议）和 PROFIBUS。使用 SIMATIC STEP 7 软件配置和编程 PLC。首先，必须创建项目（参见图 4）。
每个网络（MPI/Profibus/以太网）在自动化项目中必须具有唯一的名称。PLC 必须在特定协议定义的地址范围内具有有效的地址。为此，请打开硬件配置应用程序，并双击要连接到各个网络的每个元素。图 5 显示了 S7-300 PLC 上每个可用通信网络的基本配置。NetPro
软件提供了已编程连接的概览（图 6）。


配置欧姆龙 CJ1M PLC 的连接
对于 SCADA 系统与 CJ1M PLC 之间的连接（图 7），我们将分析 PLC 硬件配置提供的两种可能性：串行通信（Toolbus/Sysmac 协议）和以太网通信（FINS/TCP 协议）。
串行通信：Toolbus 和 SysmacWay 协议。Toolbus
串行协议因其配置简便而被欧姆龙工具广泛使用，并且是与欧姆龙 PLC 的默认连接方式。图 8 显示了欧姆龙 CX-One 套件程序中的典型配置界面。Toolbus
/SysmacWay 的配置非常相似；但是，安装人员必须修改一个硬件开关，以便 PLC 使用其中一种协议进行串行通信。SysmacWay 协议是一种更开放的协议，可在欧姆龙专有工具之外使用。对于使用 Sysmac Way 协议的串行连接，CJ1M PLC CPU 上标有 5 的微动开关必须处于关闭位置。


以太网通信：
使用CJ1M PLC机架中提供的以太网通信卡。要正确配置ETN21以太网通信硬件模块，必须先将其直接连接到PLC（通过串口）。欧姆龙的本地工具和驱动程序使用名为FINS的专有数据通信协议。如果通过以太网建立连接，则该连接将是基于TCP的FINS通信。
设计人员必须配置I/O表和ETN21单元，提供节点所属的FINS网络地址和用于以太网通信的IP地址。图9显示了如何通过CX-Programmer访问配置并为ETN21通信模块分配IP地址。

作者：Alfredo Gardel、Ignacio Bravo、José Luis Lázaro - 阿尔卡拉大学 - 理工学院大楼电子系。大学校园。阿尔卡拉·德·埃纳雷斯。 28871。（马德里）