[訊息論壇] ICE Messaging Forum 翁穎晰
<應用篇> 全面即時化的 SCADA：以 iPush®
Embedded 為核心
只要是在自動控制業界，應該都有聽說過 SCADA 這個名詞，SCADA 是監控調度數據採集 (Supervisory
Control And Data Acquisition) 系統的簡稱，顧名思義，它不僅是一個控制系統，而是一個完整的監控系統，負責將各現場設備
(如 PLC、RTU) 所採集到的 I/O 點數據匯整傳送到主控人員面前，並提供足夠的輔助工具讓主控人員可以全面了解現場狀況，適切地下達指令。
經過長期的發展，SCADA 的應用範圍，早已跨越製造業廠房內部控制藩籬之外；舉凡製程控制、電廠操控、物業自動化、核生化實驗室、環境監控，都可以發現
SCADA 系統的蹤跡。
而就所監控的範圍大小而言，以往講的是能掌控 1,000 至 10,000 個 I/O 點，但是隨著應用不斷的拓展，目前至少已經突破了
100,000 個 I/O 點的大關，朝百萬點前進。監控距離方面，以往只適用於車間或廠區，但是現在已經擴及到了工業區、市、省、國家、甚至跨國。以大陸的西氣東輸工程來說，全長
4,000公里，由新疆塔里木盆地的天然氣田輸送天然氣至上海，SCADA 總控制中心就設在河北的廊坊。以中國大陸瘋狂建設的腳步來看，這絕對不會是最大的
SCADA 系統。
由於 SCADA 是因應鋼鐵、水電等工業需求而誕生的產物，歷史已經相當悠久，歐美日廠商在此市場具有優勢，比較大的廠商有：Rockwell、GE
Fanuc、Siemens、Wanderware、Intellution 等等。
從功能面來看，SCADA 可以分成基本功能和加值功能兩大群，同時具有開發環境與運行環境的區別：
SCADA 的基本功能必須包括資料收集、傳輸、Log 歷史記錄、報表產生、與自動警報產生；加值功能則包括針對警報的自動處置、連接相關系統
(如 MIS、MES 或 MRP) 的介面，以及各種與產業領域相關的分析工具模組。
此外，SCADA系統必須接取來自多種 RTU、PLC 的數據，所以各 RTU、PLC 必須有適合該 SCADA
系統使用的驅動程式，即使沒有，也必須能利用該 SCADA 的開發環境來開發。
現在，我們來觀察一下傳統 SCADA 的架構 (參考圖一)：
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圖一、一般
SCADA 產品的軟硬體架構 (資料來源：CERN) |
(1) 硬體架構
在邏輯上可大致分成 Client 端和 Server 端，Client 端負責人機間的互動，一般會有圖控介面軟體或
HMI 在此，控制人員藉由 Client 端了解整個系統的狀況，並依照警報、報表或其他決策支援工具，透過 Client
端遂行處置。
Server 端則又可分成數據採集伺服器 (Data Server) 和數據處理伺服器 (Dedicated
Server) 兩者。數據採集伺服器為 SCADA 系統的心臟，扮演連接 Client 端、數據處理伺服器和現場各
RTU、PLC 等控制器溝通的橋樑，定時掃描各控制器，取得最新數據後送給數據處理伺服器和 Client 端。數據處理伺服器則依據預設的邏輯規則，將數據進行加值處理，再送到
Client 端。
(2) 軟體架構
一般是以即時資料庫 (Real-time database) 為資料交換核心，數據採集伺服器會將各控制器的數據寫入即時資料庫中，再由各功能模組向即時資料庫取得資料進行演算處理。由於數據採集伺服器安裝在工業伺服器上，具備多工能力可同時進行多重任務，大致可滿足效能上的及時要求。
至於伺服器之間以及伺服器對 Client 端的通訊，多已採用 Publish/Subscribe 和事件驅動方式，在區域網路內可以達到不錯的效能。
自從 1990 年迄今，SCADA 系統大致上都具備以上的能力，足以滿足一個區域網路可以涵蓋的區域監控調度所需。不過，我們仍然可以發現幾項有待改進的地方：
2.1 Client 端必須集中在控制室
這類傳統 SCADA 系統是 Client/Server 架構，Client 端是一個應用程式，必須安裝才能執行。如果採用此類
SCADA 系統，所有的監控工作都必須在主控室裡進行，監控人員不能離開控制室。這對於廠務監控來說，便利性打了折扣。同時，從風險分散的角度來看，這樣的集中配置會讓風險增加，前幾年娜莉風災造成台北捷運行車監控中心淹沒，就是一個明顯的例子。
2.2 數據採集伺服器必須以定時掃描的方式與控制器溝通
這表示數據採集伺服器必須在一定時間內對連接的所有控制器進行掃描，所以能夠連接到一台數據採集伺服器的控制器數目必定有所限制。也就是說，如果要連結的控制器越多，所需要的數據採集伺服器就要越多，這對於設備維護是一個很大的壓力。
針對以上的缺點，目前有一些努力正在進行，首先我們先來看看其中一種：Web-based SCADA 系統。
Web-based SCADA 系統的誕生，和 90 年代網際網路的興起脫離不了關係。由於 IP 網路已經是產業的趨勢，以往
SCADA 系統所採用的 Client/Server 架構自然有人設法將其改為 Web-based 架構，透過良好的存取權限機制，控制人員可以在連上網路的任何一台電腦上操作
SCADA 系統，監控調度工作不必限制在主控室或現場，同時還可以將視訊監控也納入 SCADA 系統中，與其他系統的初步整合能力較強，這些都是它的優點。
當然，Web-based SCADA 仍有一些缺點存在：
(1) IP 網路的安全性問題
IP 網路本身並不安全，必須外加多重的安全機制以防資料被竊或被竄改。
(2) 對於行動監控仍未能妥善支援
以行動監控的角度來看，即使 SCADA 系統發布警報通知到處理人員，處理人員仍需找到能連上網路的電腦才能完全了解狀況，這對於分秒必爭的監控調度工作來說，是非常不恰當的，最好是能夠讓其直接透過行動載具就能完全獲悉狀況。但是目前對於行動監控的支援情況，由於載具本身的限制，只能說未臻完善。
(3) 數據採集伺服器仍必須以定時掃描的方式與控制器溝通
這個問題並未獲得較好的解決。接著，我們會針對這個議題進行討論，並提出艾揚的觀點。
如前面所描述的，數據採集伺服器必須以定時掃描的方式與控制器溝通，所以所傳達的資訊其實是「及時」而非「即時」的。兩者間的關係，有個不成體統
但卻真實的繞口令可以形容：「即時」一定是「及時」，「及時」不見得「即時」；如果能「即時」，幹嘛要「及時」？
針對「數據採集伺服器必須以定時掃描的方式與控制器溝通」這項議題，我們有一個看法：如果控制器也能主動向數據採集伺服器發送即時數據，狀況會變得如何？
首先，數據伺服器就不必逐一掃描所連接的控制器，而是隨時保持在傾聽 (Listening) 的狀態，等著控制器主動對其發送各
I/O 點的即時數據資料，如此一部數據採集伺服器所能服務的控制器數量可以具備更大的彈性，避免因為點數過多而造成「不及時」的風險。
其次，傳統的 SCADA 系統要求較高階的硬體，如果控制器的系統容量夠大，某些 SCADA 的功能大可以移植到控制器上，以較低階的硬體重新組合成功能更強、更易擴充的分散式
SCADA 系統。
所以，問題來了，要如何讓控制器變成能夠主動發布數據的「主動資訊節點」？很明顯的，即使把 HTTP Server
和 E-Mail Server 都植入伺服器仍然無法滿足需求，必須尋求其他的解決方法。
以目前 IT 業界的各種技術來看，訊息中介軟體的特性功能最適合這樣的需求。一般訊息中介軟體多採用 Publish/Subscribe
傳輸模式，有 Peer-to-Peer 和 Central Hub 的構型。前者必須在每個節點上植入應用程式與
Daemon，所需系統容量較大，比較適合在區域網路內使用，而且對於連線數量的限制較大；後者雖然需要一個中 介伺服器，但是連線數量限制小，可以提供較高的網路通透性，不必侷限在區域網路內，而且對於收發端的系統容量需求較小。所以，如果能把
Central Hub 構型的訊息中介軟體植入控制器中，就可以讓控制器搖身一變，成為「主動資訊節點」了。
iPush® Embedded 正是這樣的一個產品。iPush®
Embedded 係針對嵌入式系統所發展出來的，目前有 Windows CE .NET 版本，除了包含輕量化的即時訊息傳輸引擎之外，還包含有
I/O Manager 以及 Remote Administrator 兩大模組，前者負責將連接到控制器的 I/O
點數據送入即時訊息傳輸引擎，後者則是提供遠端診斷與維護的能力。
植有 iPush® Embedded 的控制器，可以將各 I/O 點的數據即時透過
TCP/IP 網路主動傳送給各數據處理伺服器、資料庫和 Client 端，等同於一個輕量化的數據採集伺服器。此外，iPush®
Embedded 已經內建有存取權限機制和資料加密，所以對於令人困擾的IP網路安全問題也能獲得解決。
另外，由於 iPush® Embedded 支援各種 API，無論 Client
端是 Browser、Windows 桌面、或是 PocketPC 等行動載具，都有適合的 API，可以利用最流行的開發工具來發展操作介面。如此一來，不管是有線或無線方式，只要能連上網路，就可以進入
SCADA 系統，達到隨時監控、隨地監控的目標，提供比傳統 Web-based SCADA 更大的使用彈性。
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圖四、iPush®
Embedded 讓嵌入式控制器變成主動的資訊節點 |
以上的解決方式，適合已經有現成 SCADA 系統的案子來加以採用，至於全新的案子，我們建議採用更進一步的解決方案
── 全面即時化的 SCADA 系統 (請參閱圖五)：
(1) 在現場廣佈植入 iPush® Embedded 的控制器，讓現場各 I/O
點數據可以即時主動上傳，提供現場網路通透性和最大的現場系統擴充彈性。
(2) 在數據處理層採用 iPush® Server 訊息中介伺服器，連接各個植入
iPush® Embedded 的控制器，接收到各 I/O 點數據之後主動即時配送給各個數據處理伺服器或程式進行處理，處理完畢再透過
iPush® Server 即時送給各個 Client 端。各 I/O 點資料可以同時寫入資料庫或
NAS 系統，以便歷史統計分析之用。
(3) 由於 iPush® Server 也同樣支援各種 API，無論 Client
端是 Browser、Windows 桌面、或是 PocketPC 等行動載具，都有適合的 API，可以利用最流行的開發工具來發展操作介面。如此一來，不管是有線或無線方式，只要能連上網路，就可以進入
SCADA 系統，達到隨時監控、隨地監控的目標。
以上的解決方案，至少可以提供以下幾項優點：
1. 更便宜
這樣的架構提供了最大的系統軟硬體彈性，可以用較經濟的預算達成原先複雜昂貴的 SCADA系統所應具備的功能。
2. 更具使用彈性
如前面所述，這樣的 SCADA 架構可以輕鬆達到隨時監控、隨地監控的目標，使用彈性自然是最好的。
3. 整合彈性更大
採用這樣的 SCADA 架構，讓使用者可以自行增加額外的功能，不虞因為新增功能模組而干擾原系統的運作。
以上的描述，一方面試圖為各位讀者簡單介紹 SCADA 系統，另一方面也嘗試釐清 iPush®
Embedded 的應用時機與優點。
我們相信，這樣的介紹應該可以解開不少人心中的疑惑，也希望能夠激盪出各位的創意想法，當然更歡迎各位與我們分享。
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