SCADA不是中间件

工业物联网(IIoT)和监控和数据采集(SCADA)可以改善运营。学习如何。

通过阿伦尼珀 2016年12月19日

术语“监控和数据采集”(SCADA)指的是一组工业软件应用程序，可以配置为支持几乎任何类型的离散或过程生产的管理。SCADA可以在任何需要汇总受控过程数据或协调与该生产过程相关的操作的地方找到。

在工业物联网(IIoT)日益颠覆的工业自动化世界中，SCADA的角色会改变还是减少?

答案是否定的。事实上，在SCADA连接到互联网或云之前，工业物联网就已经对SCADA进行了改进。使用消息队列遥测传输(MQTT)消息传输协议，结合面向消息的中间件(MOM)数据代理，使SCADA基础设施“现代化”。考虑到工业物联网连接解决方案的可用性，与其将资源投入到基于35年历史的协议的重新设计、重新集成和重新设计SCADA上，不如将时间花在开发利用云计算和分析等优势的应用程序上。

换句话说，工业物联网技术可以“跨越”传统基础设施和当前安装的设备基础，并采用与之相结合的解决方案和迁移策略。目前，现场安装的“边缘”设备可以连接现有的plc、发射机和其他节点，并使用MQTT发布实时过程变量。

MQTT是一种双向的、轻量级的、事件驱动的、面向消息的传输，它允许设备跨受限网络与后端系统进行有效的通信。MQTT消除了所谓的轮询/响应协议，并且通过利用成熟的MOM技术，支持iiot的SCADA使更广泛的信息消费者可以访问设备数据。设备不再直接连接到SCADA应用程序，并有效地与SCADA应用程序解耦。基于MOM原理的SCADA减少了关键控制和测量数据的延迟。

以前轮询/响应所需的带宽减少到85%。这使得经常滞留在设备中的信息可以访问。此外，它为现场设备和应用程序提供了单点安全管理，简化了冗余、可用性和可伸缩性的基础设施拓扑，并消除了从一个SCADA版本到另一个SCADA版本的可怕“切换”。最后，它提供了额外IIoT支持所需的器件解耦。

遗留SCADA实现

硬件方面，SCADA安装通常包括计算机工作站、可编程逻辑控制器(plc)和用于系统输入和输出(IO)的仪表。SCADA安装的另一个元素是分布式数据库和标记或点数据元素。每个标签表示一个系统输入或输出值。

过程反馈回路通过PLC，而SCADA监控回路性能。也就是说，plc承担参数控制，而操作员监控结果，例如改变设定点。控制器之间可能缺乏点对点通信。

在过去的40年里，SCADA基本保持不变。硬件和操作系统根据摩尔定律得到了改进，但它的基础设施以及从设备和传感器输入信息的方式基本保持不变。

大多数SCADA系统仍然将主机系统与使用轮询/响应协议的任何现场设备直接串联起来。这些轮询/响应协议驱动程序规定设备直接连接到SCADA主机应用程序。

从“操作”的角度来看，这些系统已经证明是可行的。另一方面，每当业务功能需要访问智能设备和传感器提供的数据时，就会出现挑战。要访问它，必须在SCADA主机表中放置额外的轮询。需要其他应用程序来访问数据。安全性和访问控制参数需要到位。操作必须管理额外的轮询，并避免对更新速率产生任何负面影响。

即便如此，SCADA现在也在收集它不需要的数据，只是为了将其传递给其他应用程序。随着时间的推移，SCADA主要作为操作协调的手段，其功能越来越像面向消息的中间件，尽管它从未打算这样做。随着SCADA主机应用程序的发展，它变得脆弱且难以管理。从现场设备收集的额外信息中获益的努力戛然而止。

过去使用轮询/响应协议直接连接到SCADA的做法也阻碍了技术的采用。一旦部署了协议，当新技术可用时，用户就会面临两难境地。创新设备可能具有SCADA不支持的协议。备选SCADA主机不能与实时系统上的当前SCADA主机并行评估。使用轮询/响应协议将设备连接到应用程序使得时间点解决方案难以随时间更新。

我们能做些什么?

使用本地实现MQTT的现场网络设备，可以实现基于mom的SCADA，如图3所示。维护遗留轮询/响应基础设施的组件。对拓扑的主要更改是包含了MQTT Server。

现场的遗留设备可以使用可用的“网络边缘”网关设备启用MQTT，这些设备应用本机轮询/响应协议，然后将寄存器/进程变量信息转换为基于异常报告实时发布的MQTT消息。

目前可用的SCADA设备已经本地实现了MQTT，并且可以立即添加到基础设施中。使用MOM意味着终端设备实时发布所有操作数据，供SCADA和其他业务功能使用。同样，无论是元数据、资产信息、诊断、配置还是其他指标，都是实时可用的。

SCADA主机现在与远程现场设备解耦。该系统不受指定的轮询/响应协议实现或SCADA主机应用程序的限制。现在，在发布的现场设备数据和有兴趣订阅该信息的应用程序之间存在一对多的关系。SCADA主机可以100%专注于作为SCADA主机，而不是充当脆弱的中间件组件——这是它从未想过的。从远程站点到MQTT代理的所有连接都是客户端发起的，并且所有远程站点(给定正常操作)都是并发连接的。

在过去的十年里，现场设备变得更加智能，但大部分额外的智能都被搁置了!图4所示的拓扑结构显示了一个带宽压力较低且允许更大数据集的现代SCADA。

开始

MQTT于1999年首次发布，作为一种以scada为中心的消息传输，但在更广泛的市场上仍然不为人所知。但在过去的4年里，它在以物联网为重点的解决方案中的应用已经获得了相当大的认可。目前市场上几乎所有面向消息的中间件产品都支持MQTT原生。MQTT可以使用开源工具，以及教程和技术信息。在过去的18个月中，SCADA设备制造商、开发平台提供商和终端解决方案提供商已经宣布对MQTT提供一定程度的支持。

为了提供关于以mom为中心的SCADA和大多数现有遗留实现所需迁移策略的指导和最佳实践，Cirrus Link Solutions创建了一个名为“Sparkplug”的开放规范，该规范定义了一个高效的基于mqtt的SCADA系统。Sparkplug定义了设备和应用程序在主题名称空间、有效负载定义和会话状态管理方面有效地在实时SCADA中使用MQTT所需的标准化组件。

该规范可以在Github网站上公开获得，同时还提供了C、Java、JavaScript和Python的简单参考实现代码。提供了使用流行的Node-RED可视化连接工具的示例。使用Sparkplug进行高效的MQTT消息传递和状态管理，使SCADA主机解决方案提供商和终端设备制造商能够在实时SCADA解决方案中无缝交互。应用程序可以“加入”基础设施以快速访问可用的实时信息。

Sparkplug参考实现应用程序可以在连接到任何开源MQTT服务器的树莓派硬件平台上执行。生产质量的基础设施可以使用已经实现Sparkplug规范的解决方案来构建，包括来自电感自动化、Node-RED、Advantech、Elecsys、Hilscher、Magnetrol、Moxa、Opto 22和Tyrion的解决方案。

有了这个新兴的生态系统，设备制造商、SCADA开发人员、集成商和最终用户现在可以构建支持mqtt的基础设施，作为摆脱依赖遗留轮询/响应的系统的基础。MOM是当今IT世界中经过良好测试、部署和接受的技术。将它应用到使用MQTT的SCADA系统中，可以得到一个现代的、最先进的实现，使用更多标准的现成组件，并且需要更少的定制和围绕SCADA主机应用程序的应用程序集成。在不影响或修改SCADA主机应用程序的情况下，可以访问额外的现场设备智能并将其引入业务线应用程序。

为什么是面向消息的中间件?

面向消息的中间件(MOM)在信息技术领域已经使用了十多年，它对应用程序进行了解耦。传统信息技术系统的工作方式与今天的SCADA轮询/响应协议非常相似。应用程序是紧密耦合的，使用协议定义来确定应用程序A如何与应用程序b通信。作为一个时间点解决方案，这些都工作得很好。但是随着时间的推移，紧耦合和严格的定义使得更新遗留it应用程序变得困难，甚至不可能。

另一方面，使用MOM，应用程序发布数据而不必关心谁订阅了它。开发人员专注于创建在MOM基础设施中发布和订阅的增值应用程序。

此外，对于MOM，发布的信息的有效负载是由消息主题定义的，而不是由协议定义的，也就是说，MOM消息的有效负载是不可知的。它可以是二进制JPEG文件，也可以是XML文档。消息传输允许开发人员以对解决方案最有意义的格式发布消息，而不受任何协议定义的约束。

支持iiot的SCADA需要使用相同的基础设施。以MOM为中心的SCADA架构允许设备将实时数据发布到中央MOM服务器。SCADA主机应用程序作为实时过程变量的订阅者和设备命令的发布者参与其中。它还打破了协议开发和支持的恶性循环，因为可以根据不断发展的解决方案需求创建额外的消息主题。

关于MQTT的一些说明

上世纪90年代，MQTT首次用于石油和天然气行业的关键任务实时SCADA。对于这些系统中的大多数，甚小卫星技术是主要的通信网络，因此带宽是最小的。MQTT证明在SCADA中使用很有吸引力，因为它是: