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泛用型可配置式雲端視覺化監控系統

106-12-27

工研院資通所 黃慕凱、黃柏錡、陳蘊彥、吳金能

GCC-SCADA系統並不局限於工業領域應用上,具有雲端運算、泛用性、可配置性三項特性。

GCC-SCADA系統並不局限於工業領域應用上,具有雲端運算、泛用性、可配置性三項特性。

工業領域致力於尋求降低成本及避免損失的機會。GCC-SCADA基於雲端服務,提供穩定低成本,並免除硬體及維護支出;泛用特性減少跨系統整合成本;可配置性則盡可能免除系統調整所產生的非預期額外成本。本系統已被應用於工業、花卉、檢疫、公共、雲端等領域。

SCADA介紹

現今的工業領域致力於尋求降低成本的機會及避免損失的發生,因此,如何改善系統穩定、偵測錯誤、提升系統彈性以及降低成本支出等議題日益重要。然而在現實面,添購設備來滿足需求的硬體成本卻往往令人怯步。近年,一個有效率地滿足上述需求的方法是利用IoT導入物聯網概念、系統監控和資料擷取(SCADA)以及雲端服務,這便是「智能工廠」概念 [1, 3]。

SCADA軟體的應用範圍甚廣,由電力系統、工業生產、石油化工、至汽車業皆為其應用領域。近年來由於物聯網與全球工業智慧化的發展,原本以工廠自動化、油水電廠控制、建築自動化為主要市場的SCADA應用,進一步往各製造業及無人應用領域成長。

儘管許多大型公共建設與製造業者普遍建置SCADA系統,對於成本攤提、效益、投資報酬率具有一定的評估準則,然而對於多數尚未導入SCADA且資源有限的中小企業而言,建置成本、缺乏e化基礎建設與IT人員卻成為影響效益的主要因子。因而強調低IT管理負荷、低投資成本、快速佈建與易於擴充的Cloud-based SCADA 成為工業物聯網於中小製造業之市場利基 [6]。例如ABB就結合Globalogix提供雲端SCADA服務給石化業者使用;施耐德則結合Indusoft提供SCADA給電力業;Honeywell則以雲端SCADA系統切入市場,強調雲端服務可將原本需要八個月的系統建置時程縮短為幾週;Experion加入了使用者最擔心的資安解決方案。

然而在跨領域的應用,SCADA SaaS仍需配合應用領域的特性與使用習慣客製化方能於中小企業端成功導入。為減少在跨領域應用與客製化服務的負擔,本文提出一泛用型可配置式雲端視覺化監控系統(GCC-SCADA),基於雲端服務的SCADA監控系統。其具備雲端運算架構、泛用性 (Generality)、可配置性(Configurability)三項特性,提供快速佈建且易擴充的系統架構。

GCC-SCADA的雲端運算特性以可延展式多用戶租貸服務提供穩定,高可用性及具低成本,並免除了硬體及維護支出;泛用性則整合了工業領域多種常用的通訊協定,大幅減少跨系統的整合成本;而可配置性支援動態配置的彈性,盡可能的免除因系統調整所產生的非預期額外成本。

GCC-SCADA並不局限於工業領域應用上。除了工業常見的OPC UA通訊協定,亦支援資料庫直接存取以及通訊與家庭網路的通訊協定 (TR-069)。此外,GCC-SCADA具備視覺化的畫面編輯工具,提供了網頁瀏覽器畫面以及行動裝置應用程式畫面的編輯彈性,使得應用領域得以延伸至各式各樣的應用。目前GCC-SCADA除了被實裝於工業生產製造監控外,亦目前已成功地應用於電子機械、自動化控制、新興綠色能源、活體動物檢疫、農產花卉、智慧城市管控等領域。

與一般SCADA差異

區域型監控系統 (Local SCADA)屬於近場型的監控系統,多建置於監控目標現場或附近區域。網路型監控系統(Web SCADA)屬於網頁型的監控系統[2,4,5],不受限於區域限制,藉由網路傳輸可對大範圍場域進行資料收集與交換。然而一般SCADA在建置上常面臨龐大的建置成本、耗時的跨系統的整合以及客製化問題。

為減少此問題,GCC-SCADA採雲端租貸方式,並整合目前常見的通訊協定,在不停止運作條件下,動態配置多樣的系統配置,以減少非預期的損失。 

GCC-SCADA

下圖1為GCC-SCADA架構圖。GCC-SCADA具備了雲端運算、泛用以及可配置特性。在雲端特性中,基於可延展式多用戶租貸服務,設計具備可擴充及高可用性的雲端架構。在泛用特性中,其搭載的通訊協定模組支援了在工業以及網路應用中常見的通訊協定。在可配置特性中,藉由UI界面操作的方式讓使用者在無需停機的情況下,有最大的自由度與彈性來配置與更改監控環境,減少因為停機作業造成的非預期的損失。

GCC-SCADA架構

GCC-SCADA架構

1) 雲端架構

GCC-SCADA雲端架構採用可延展式多租用戶型,並在各層採負載平衡與備援架構,使用服同時具備擴充性及高可用性:

  • 軟體服務層

提供多用戶租用機制,隔離不同用戶間資料,並依不同用戶級別提供不用的資源。

  • Web層

在Web服務部份,採用Proxy機制達到使用者分流以及確保服務不中斷。

  • 監控與警報層

內部監控與警報核心以軟體實作負載平衡機制,將運算任務依負載狀況及用戶等級計算權重,決定分配之運算主機以及運算執行緒數量。

  • 通訊協定層

在通訊協定層建立區域型子雲端,此子雲端亦搭載Proxy機制與負載平衡以確保資料收集部份的擴充性與高可用性。並採用網路通訊協定與GCC-SCADA主雲端進行資料交換,達到資料虛擬流與機台實體流的交互溝通之目的。

  • DB層

採用集群架構特性的資料庫,藉由分散式存取,提供穩定的存取效能及資料備份與恢復機制。

 

2) 泛用的通訊協定支援

為了應用於不同的領域,而不因通訊協定而受到限制,我們開發了支援多通訊協定模組整合諸多通用的通訊協定,收集設備資料並傳送至雲端,包含OPC UA、TR-069、Modbus/TCP、以及直接資料庫存取。

而為解決同時間多種不同資料流通訊協定辨識問題,在通訊協定層之上我們開發一註冊與連接轉換機制,由GCC-SCADA定義的唯一識別碼來區分資料來源伺服端及其採用的通訊協定,並依照各自的通訊協定的特性來獨立進行資料收集與交換,藉此達到同時支援多種協定的功能與未來的擴充性。

 

3)可配置之點位設定

在GCC-SCADA的資料傳遞的流程架構上,主要是由硬體設備擷取感應器點位,再透過通訊協定將資料傳送至GCC-SCADA進行後續使用與分析。GCC-SCADA又將點位細分為「實際點位」-資料通過通訊協定傳遞;與「虛擬點位」-資料由軟體即時計算來自實體點位的數據而得。

 

4) 可配置之警報規則

以往警報規則的設定修改需要一定的技術門檻方能進行設定與修改,更可能需要設備停機才得以進行。為了降低設定門檻,避免設備停機,我們設計了可配置的警報規則設定UI,提供使用者簡單且易操作的設定方式。

 

5) 監控畫面編輯工具

為了讓使用者能夠輕易的將監控案場可視化,我們開發了可視化案場設計編輯工具(Authoring Tool)及APP編輯工具(APP Tool),使用者可以藉由擺放UI元件,並設定與其連結的感測點位及顯示的樣式與動畫特效以及元件反應警報的顯示樣式等效果。

 

可配置式 Web SCADA實施例

1) 多領域實施例

GCC-SCADA作為雲端服務同時支援不同領域之通訊協定與配置需求,在實際案例中已成功應用於許多領域類型,包含電子機械及工廠自動化控制4例、新興能源及農業花卉2例、活體動物檢疫1例、以及智慧城市管控1例。

 

2) 實體點位編輯與虛擬點位編輯實施例

GCC-SCADA提供自動化點位管理的功能,當使用者執行偵測實體點位時,GCC-SCADA會自動依據設定的資料流協定來掃描Gateways端的設定檔,並提供使用者藉由勾選點位方式,驅動系統自動化進行佈屬以及點位收集。

虛擬點位則由使用者界面進行公式設定,將運算公式編碼為後序運算式儲存至雲端資料庫,由GCC-SCADA進行即時運算。

 

3) 警報分析與推播實施例

GCC-SCADA在點位資料傳送至雲端時,警報分析模組同時根據使用者自訂的警報規則分析警報狀況。警報規則設定界面以直覺性的畫面呈現供使用者設定。當警報規則被新增,將動態加入,無需重啟動作。當條件成立時,警報則立即地被推播至用戶端,如圖2所示。

圖 2 接收警報畫面

圖 2 接收警報畫面

改善效益

傳統工廠在導入SCADA系統過程中,往往需要將機台停機建置,停機時間就意謂著生產稼動率損失。而GCC-SCADA則能避免部份停機狀況。
以下引用2016年於某電子廠實際建置案例。此案共進行數十次的點位修改,其中兩次新增偵測點位;三次新增故障點位。作業需停機8小時配合進行。透過虛擬點位與警報規則功能,成功地在不停機的狀況進行建置作業,避免稼動率損失的發生,迴避40小時的稼動率損失。
在建置時間成本中,GCC-SCADA自動完成底層的建置與設定作業。相較工程人員實際建置時間,GCC-SCADA僅需25%的時間成本便能自動完成設置。同時我們比較使用Authoring Tool工作進行修改作業,則大幅地減少70%的工作時間。

圖 3 時間成本比較

圖 3 時間成本比較

GCC-SCADA是具有雲端運算、泛用性、可配置性三項特性的SCADA系統,以雲端租賃服務方式提供穩定、高可用性且具低成本服務,並大幅減少跨系統的整合成本、免除非預期額外成本、降低使用門檻。
此系統並不局限於工業領域應用上,目前已成功地應用於電子機械、自動化控制、新興綠色能源、農產花卉、智慧城市管控等領域。其亦提供APP應用,達到即時監控、接獲狀況並立即處理。

參考文獻

[1] T. Lojka and I. Zolotová, Improvement of human-plant interactivity via industrial cloud-based supervisory control and data acquisition system, Advances in Production Management Systems. Innovative and Knowledge-Based Production Management in a Global-Local World (IFIP Advances in Information and Communication Technology). Berlin, Germany: Springer, 2014, pp. 83–90.
[2] Y. Maccarana, A. Cologni and Fabio Previdi, Design of a HTML5 SCADA System, IEEE 2nd International Forum on Research and Technologies for Society and Industry Leveraging a better tomorrow, 2016.
[3] A. Sajid, H. Abbas, and K. Saleem, Cloud-Assisted IoT-Based SCADA Systems Security: A Review of the State of the Art and Future Challenges, Special Section on the Plethora of Research in Internet of Things (IoT) 2016, pp 1375-1384.
[4] A. Soetedjo, Y. I. Nakhoda, A. Lomi and Farhan, Web-SCADA for Monitoring and Controlling Hybrid Wind-PV Power System, TELKOMNIKA, Vol. 12, No. 2, June 2014, pp. 305-314.
[5] J. A. R. Carmona, J. C. M. Benítez and J. L. García-Gervacio, SCADA system design: a proposal for optimizing a production line, International Conference on Electronics, Communications and Computers, 2016, pp 192-197.
[6] S. S. Sk, G. Thatiparthi and R. S Gunturi, Cloud and Intelligent Based SCADA Technology, International Journal of Advanced Research in Computer Science and Electronics Engineering, Vol. 2, Issue 3, March 2013, pp 293-296.