由于数据格式不兼容，传统上将SCADA系统纳入运营需要直接且专门的连接来从工厂车间设备收集数据。这可能涉及与数千台设备例如(PLC和HMI)连接，这是一项复杂而乏味的任务。
此外，MES和ERP(企业资源规划)系统等更高级别的系统并不直接连接到工厂车间设备，而是通过SCADA系统进行连接。这种集成通常依赖于专有接口或软件开发套件(SDK)来与SCADA连接，因此需要付出巨大的努力来维护和更新这些连接，同时确保兼容性。在一些制造组织中，MES系统与SCADA系统断开连接，导致需要使用纸张手动收集数据以获取运营效率指标，例如OEE(整体设备效率)，因为此类组织缺乏MES和制造流程之间的直接数字集成。
因此，将SCADA系统集成到传统工业环境中会导致网络架构充满手动点对点连接，这些连接成本高昂，且维护和扩展具有挑战性。这种设置限制了组织有效管理和响应日益增多的数据源的能力，使公司拥有数百或数千个需要专业知识的点对点连接。
基于UNS的SCADA架构的优点
SCADA系统采用统一命名空间，通过建立开放、标准化的数据交换架构来解决这些限制。这种架构有助于实时访问运营数据并简化集成过程，从而显着降低连接不同系统和设备的成本。
MQTT协议已成为UNS框架内通信的首选标准，为开放和可互操作的环境提供了重大转变。通过MQTT及其“发布-订阅”模型，UNS允许动态且松散耦合的数据共享模型。该方法增强了SCADA网络内的信息流，并扩展到制造环境中的不同操作区域。
UNS方法的核心是实时、按语义组织的数据层次结构，充当所有操作数据的中央存储库。这个单一、可靠的数据源反映了制造过程的实时状态和活动。它确保所有连接的实体(包括SCADA系统)能够立即、不间断地访问重要的运营信息。这种设置简化了特定于角色的数据的发现，并促进了更加集成和一致的操作环境。
在UNS生态系统中，SCADA系统转变为基于MQTT的网络中的主动参与者，通过集中式MQTT代理与工厂设备和MES进行交互。这种向UNS框架的演进使SCADA系统成为具有自我意识的实体，能够自主集成新数据点，而无需手动设置。
将SCADA系统与UNS集成可带来以下几个关键优势：
①简化集成：设备和应用程序可以轻松加入SCADA(网络，增强整体数据共享框架，无需复杂的设置过程。
②降低集成成本：无需昂贵的专业工程即可将工厂车间和IT数据合并到SCADA(网络中，从而降低了总体集成成本。
③增强敏捷性：实时了解整个制造运营过程，可以增强您进行测试、快速响应以及以更高的精度和可预测性执行计划的能力。
④可扩展性：通过中央集线器进行数据交换的去中心化特性可以无缝添加无数节点，支持网络的扩展。
使用统一命名空间将数据收集到SCADA系统中
SCADA(监控和数据采集)系统传统上从设备获取数据来控制流程、收集数据、管理警报和维护历史记录。此过程通常涉及专有设备连接接口来访问必要的数据，从而导致SCADA系统与其监控的设备之间紧密耦合。20世纪90年代初，人们开始努力减少这种依赖性，特别是引入了OPC(OLE for Process Control)，旨在为从PLC等设备收集数据创建标准化接口。
尽管做出了这些努力，包括开发OPC UA，但对数据收集轮询机制的依赖仍然是一个重大限制。由于工业环境中需要多个具有开放端口的服务器，因此这种方法的可扩展性较差，并且会带来安全风险。
统一命名空间的出现为SCADA提供了新的范例。在此设置中，SCADA系统仍然履行其核心功能，但采用不同的数据采集和控制方法。具体来说，他们利用MQTT中的发布-订阅通信模型。该模型允许工厂车间的设备将其数据发布到MQTT代理，该代理在统一命名空间内组织这些信息。然后，SCADA系统订阅该代理，以便在需要时访问所需的数据。这种方法消除了SCADA系统直接连接到每个设备的需要，从而通过减少潜在的攻击面来增强安全性，并通过简化数据收集过程来提高整体系统性能。
将SCADA数据集成到统一命名空间中
SCADA系统与UNS的交互不仅仅是收集数据；它积极地将丰富的上下文数据发布到UNS中，以供其他应用程序和设备使用。这种方法在设备将数据传输到HMI/SCADA系统或历史记录的现有(棕地)设置中特别有用。利用UNS的现有数据流可能是有利的。从SCADA系统获得的数据本质上具有丰富的上下文，使其可立即用于集成到UNS中。这种方法还避免了因引入新组件与控制层通信而产生的额外网络流量和安全漏洞。
本质上，SCADA系统充当复杂的数据中心。它收集并整合来自现场设备和可编程逻辑控制器(PLC)等各种来源的数据，监督生产的不同方面。通过采用统一的数据管理方法(通常是通过通用数据模型)，SCADA(系统可以轻松识别数据并将其同化到UNS中。
此外，SCADA系统通常设计为与制造执行系统(MES)和企业资源规划(ERP)系统交互，使它们能够很好地集成到组织网络中。这种集成简化了将数据提升到企业级别的过程，从而增强了整体数据治理。
SCADA系统的核心是连接到UNS，以访问高效生产管理所需的所有数据。它还通过发出工厂层节点执行的命令来为UNS做出贡献。
此外，即使SCADA系统与UNS进行数据交换，它们也与MES和历史学家等系统保持事务数据的直接连接。在历史学家和SCADA系统之间建立联系通常是谨慎的。
使用MQTT Sparkplug将SCADA集成到UNS中
将SCADA系统集成到基于MQTT Sparkplug的统一命名空间架构中，可显着增强实时数据交换、系统可靠性以及跨各种设备和应用程序的互操作性。MQTT Sparkplug规范添加了一种在工业应用中使用MQTT的标准化方法，确保结构化数据和状态管理，这对于有效的SCADA操作至关重要。一个有用的按需相关资源是如何使用UNS和MQTT Sparkplug网络研讨会实现数据驱动制造。
以下是SCADA系统如何集成到MQTT Sparkplug统一命名空间中：
1、数据收集和监控
SCADA作为订阅者：在MQTT Sparkplug网络中，SCADA系统主要订阅设备(传感器、精算师、PLC)发布其数据的主题。这使得SCADA系统能够从工业过程的各个部分收集实时数据。
2、网络边缘(EoN)节点
从传感器或其他设备收集数据并按照Sparkplug规范将其发布到MQTT代理的设备或网关。SCADA系统监控这些数据点以获取运营洞察和异常检测。
3、控制命令
SCADA作为发布者：SCADA系统主要订阅数据，同时也可以向网络上的设备发布控制命令。这些命令通过MQTT代理发送，然后将它们分发到目标设备或网关，从而实现流程的实时控制。
4、设备管理和状态感知
出生和死亡证明：Sparkplug指定对设备和应用程序使用“出生”和“死亡”证书。当设备上线时，它会发布“出生”证书，以向网络(包括SCADA系统)宣布其存在和元数据。同样，当设备离线时，会发布“死亡”证书。这种机制确保SCADA系统始终了解网络的当前状态并可以相应地管理设备。
5、数据效率和网络优化
有效负载定义：Sparkplug定义了一个结构化有效负载，其中包括指标、数据类型和时间戳，确保SCADA系统以一致且高效的格式接收数据。这种标准化有助于优化网络带宽并简化数据解析和分析。
6、状态管理
SCADA系统受益于Sparkplug的状态管理功能，设备可以保持其最后的已知状态。这减少了SCADA系统持续轮询的需要，从而降低了网络流量并提高了系统响应能力。
7、互操作性和可扩展性
标准化通信：通过遵守MQTT Sparkplug规范，SCADA系统可以轻松与各种设备和其他系统集成，无论供应商如何。这促进了扩展或修改工业网络的互操作性和灵活性。
8、可扩展性
MQTT的轻量级协议与Sparkplug(的高效数据结构相结合，使SCADA系统能够扩展和管理不同地理位置的数千台设备，而不会显着增加网络负载或复杂性。
结论
将SCADA系统集成到统一命名空间框架中代表着朝着更加敏捷、高效和可扩展的工业运营迈出的变革性一步。通过摆脱传统架构的限制，公司可以采用更加互联和动态的数据基础设施，从而为实时决策和运营灵活性释放新的可能性。这种集成简化了工业数据管理，并为自动化和数据交换技术的未来进步铺平了道路。
作者：熊老师
