TWI885571B

TWI885571B - Scada web hmi系統

Info

Publication number: TWI885571B
Application number: TW112143278A
Authority: TW
Inventors: 清水亮; 野島章; 清水伸夫
Original assignee: 日商Ｔｍｅｉｃ股份有限公司
Priority date: 2023-03-14
Filing date: 2023-11-09
Publication date: 2025-06-01
Also published as: WO2024189793A1; CN118974668A; JP7729491B2; US20250258472A1; JPWO2024189793A1; TW202437034A

Abstract

本發明之SCADA WEB HMI系統，係具備：經由電腦網路而連接的PLC、HMI客戶機、及SCADA伺服機。PLC係依既定週期將與構成產業工廠的廠區機器群有關的塊資料傳送給SCADA伺服機。SCADA伺服機係具備：通信驅動器，係接收塊資料；以及客戶端管理部，係以一對一方式與複數個HMI客戶機連接，且對各HMI客戶機進行WebSocket通信。HMI客戶機係分別執行配置接收顯示產業工廠之狀態的部件的HMI畫面的網頁瀏覽器，且依據從客戶端管理部接收到的信號資料來更新部件的狀態，藉此監視前述產業工廠。HMI客戶機係具備客戶端安裝器，該客戶端安裝器係用以於網頁瀏覽器啟動時，安裝要載入的SCADA WEB程式。

Description

SCADA WEB HMI系統

本發明係關於一種SCADA WEB HMI系統，尤其關於一種減低大規模系統的處理負荷的技術。

監控與資料擷取(Supervisory Control And Data Acquisition；SCADA)係作為監控社會基礎設施系統的機制而為人所知。社會基礎設施系統可舉例如鋼鐵壓延系統、電力輸送變電系統、上下水道處理系統、大樓管理系統、道路系統等。SCADA係一種產業控制系統，藉由電腦進行系統監視、程序控制及資料收集。對SCADA而言，配合系統的處理性能的快速回應性(即時性)為必要事項。

SCADA一般是由如下的子系統所構成。

(1)HMI(Human Machine Interface；人機介面)

HMI係構成為向操作員提示監視對象裝置的資料，且使操作員可監控監視對象裝置的機構。

(2)監控系統

監控系統係藉由PLC(Programmable Logic Controller；可程式邏輯控制器)等構成。監控系統係收集監視對象裝置的資料，且對監視對象裝置傳送控制指令。

(3)遠端輸入輸出裝置(Remote Input Output：RIO)

遠端輸入輸出裝置係與設置於監視對象裝置的感測器連接，將感測器的訊號變換成數位化資料，且將其數位化資料送至監控系統。

(4)通信基礎設施

通信基礎設施係連接監控系統與遠端輸入輸出裝置。

就SCADA HMI子系統的一例而言，專利文獻1揭示一種具備HMI客戶機(client)與SCADA伺服機(server)的系統。如專利文獻1的習知SCADA中，SCADA伺服機係將從PLC接收到的資料(輸入輸出信號、警報信號)傳送到HMI客戶機。輸入輸出信號係與監視對象裝置(構成產業工廠的廠區機器群)有關的信號，包含致動器控制信號及感測器檢測信號。

(先前技術文獻)

(專利文獻)

專利文獻1：日本專利公開公報特開2017-27211號

茲針對上述之屬於子系統之一的HMI子系統的開發的課題進行說明。

就大規模系統而言，有的情況在HMI子系統與PLC之間授受的訊號會多達20萬個以上。同時擔負監視控制及資料收集工作之以往的SCADA伺服機為了即時地處理這麼多訊號，必須要有高性能的處理器及大容量的記憶體。因此，產生了希望能夠低成本地實現可適用於大規模系統的HMI子系統之需求。

為了實現SCADA的HMI子系統的低成本化，本案的發明人進行了以瀏覽器為基礎的(browser-based)SCADA的HMI子系統的開發。藉此，能夠以在網頁瀏覽器(web browser)上動作的網路應用程式(web application)來實現HMI畫面。

在網頁瀏覽器上實現HMI畫面的一個優點，可列舉能夠藉由切換URL(包含通訊埠編號(port number))而容易地從不同的WEB伺服器取得資料之點。亦即，歷史畫面的資料可從收集、儲存所有PLC資料之線上資料收集機(ODG：Online Data Gathering)取得，而要求即時性之監視畫面的資料可從SCADA伺服機取得。將屬於SCADA功能的一部分之與歷史有關的功能分離出來，由線上資料收集機負責，藉此SCADA伺服機可專門負責即時監視功能。為了用低成本的SCADA伺服機來處理大量的訊號，希望能夠減輕輸出入訊號(包含致動器控制訊號及感測器檢測訊號)、警報信號的處理負荷。

在大規模的SCADA WEB HMI系統中，係以對於一台伺服機連接複數個(例如128台)客戶機的方式設計。此外，即使在設置兩台SCADA伺服機來使負荷分散的冗餘設計中，大量的HMI客戶機仍各自連接到各SCADA伺服機。當在各HMI客戶機的監視器顯示相同的HMI畫面時，則SCADA伺服機必須接收HMI畫面中所含的信號資料，且傳送至所有的HMI客戶機。以瀏覽器為基礎的SCADA的HMI子系統中，HMI客戶機上的HMI畫面係藉由網頁瀏覽器來顯示，例如，使用WebSocket等點對點連接，且從SCADA伺服機傳送信號資料至HMI客戶機。亦即，無法在從SCADA伺服機對於HMI客戶機的傳送上利用群播(multicast)傳送。因此，當128台的客戶機與SCADA伺服機連接時，SCADA伺服機必須將所接收的資料量之128倍的信號資料傳送至HMI客戶機。如此一來，會造成系統操作中(產業工廠監視中)有大量的資料在SCADA伺服機與各HMI客戶機之間流動。

此處，一般而言在網路應用程式中，係從SCADA伺服機下載並執行在網頁瀏覽器上動作的程式。換句話說，在各HMI客戶機上的網頁瀏覽器必須存在有SCADA WEB程式，該SCADA WEB程式係經由WebSocket而從SCADA伺服機下載。如圖12所示，如果網頁瀏覽器係於系統的操作開始前在各HMI客戶機上啟動的情形，即使SCADA WEB程式經由WebSocket被載入至全部的HMI客戶機的網頁瀏覽器，HMI客戶機與SCADA伺服機之間的通信量仍低於通信容量限制(通信能力)，不會造成系統操作上的問題。另一面，如果網頁瀏覽器係於系統操作中啟動的情形，則會發生通信量超過網路的通信容量的通訊錯誤、或耗費時間來載入網頁內容。該情形，會產生一段無法監視產業工廠的時間，而造成系統操作上的問題。

本發明係為了解決如上述的課題而開發完成者，其目的在於提供一種SCADA WEB HMI系統，即使網頁瀏覽器於系統操作中啟動的情形，仍可防止HMI客戶機與SCADA伺服機之間的通信量超過通信能力。

本揭示的第一觀點之發明係有關於一種SCADA WEB HMI系統。SCADA WEB HMI系統係具備：經由電腦網路而連接的可程式邏輯控制器(以下稱為PLC)、HMI客戶機及SCADA伺服機。前述PLC係依既定週期將與構成產業工廠的廠區機器群有關的塊資料傳送給前述SCADA伺服機。前述SCADA伺服機係具備：通信驅動器，係接收前述塊資料；以及客戶端管理部，係以一對一方式與複數個前述HMI客戶機連接，且對各HMI客戶機進行WebSocket通信。前述HMI客戶機係分別執行配置有顯示前述產業工廠之狀態的部件的HMI畫面的網頁瀏覽器，且依據從前述客戶端管理部接收到的信號資料來更新前述部件的狀態，藉此監視前述產業工廠。前述HMI客戶機係具備客戶端安裝器，該客戶端安裝器係用以於前述網頁瀏覽器啟動時，安裝要載入的SCADA WEB程式。

第二觀點之發明係第一觀點之發明中更具有以下特徵。前述SCADA伺服機係具備與前述客戶端安裝器相同的客戶端安裝器。在監視前述產業工廠之前，使用前述網頁瀏覽器而經由前述客戶端管理部將前述客戶端安裝器從前述SCADA伺服機下載至前述HMI客戶機。

第三觀點之發明係第一觀點或第二觀點之發明中更具有以下特徵。前述SCADA伺服機係具備通信模組，該通信模組係包含由前述SCADA WEB程式進行動作的內容。前述HMI客戶機係從前述SCADA伺服機載入前述通信模組。前述網頁瀏覽器係在前述HMI客戶機的網域中進行動作的前述SCADA WEB程式、和在前述SCADA伺服機的網域中進行動作的前述通信模組之間使用網域間通信而作資料交換。

第四觀點之發明係第一觀點或第二觀點之發明中更具有以下特徵。前述SCADA伺服機係下載應用程式相依資料，且將經下載的前述應用程式相依資料傳送至前述HMI客戶機，該應用程式相依資料係與藉由前述SCADA WEB程式進行動作之應用程式相依的資料。前述SCADA伺服機係於與前述 HMI客戶機連接時，判別前述SCADA WEB程式是否更新，且僅於更新的情形，將前述應用程式相依資料傳送至前述HMI客戶機。

第五觀點之發明係第四觀點之發明中更具有以下特徵。前述HMI客戶機係於前述SCADA WEB程式與前述SCADA伺服機連接時，將前述SCADA WEB程式所具有的前述應用程式相依資料的版本傳送到前述SCADA伺服機。前述SCADA伺服機係將從前述HMI客戶機接收到的前述版本、與經下載的前述應用程式相依資料的版本作比較，以執行前述判別。

根據本揭示，於HMI客戶機設置客戶端安裝器，因此於網頁瀏覽器的啟動時，SCADA WEB程式並非經由WebSocket從SCADA伺服機載入，而是從HMI客戶機本身載入。因此，即使網頁瀏覽器於系統操作中啟動時，仍可防止HMI客戶機與SCADA伺服機之間的通信量超出通信能力。

1:SCADA WEB HMI系統

2:可程式邏輯控制器(PLC)

3:SCADA伺服機

31:通信驅動器

32:客戶端管理部

34:伺服器安裝器

35:伺服器程式

36:通信模組

37:應用程式發送程式

38:應用程式相依資料

4:HMI客戶機

40:網頁瀏覽器

40a,40b:網域

41:HMI畫面

42:部件

43:客戶端安裝器

44:SCADA WEB程式

45:本機WEB伺服器

46:程式啟動指令碼

5:電腦網路

301,401:處理器

302,402:記憶體

403:監視器

303,404:網路介面

405:輸入介面

圖1係用以說明本發明的實施型態的SCADA WEB HMI系統的構成例之圖。

圖2(a)係用以說明信號資料的資料型態之圖，圖2(b)係用以說明識別符之圖。

圖3(a)係用以說明信號資料的格式之圖，圖3(b)係用以說明說明畫面更新資料的格式之圖。

圖4係用以說明在SCADA伺服機的客戶端管理部的處理之圖。

圖5係用以說明SCADA WEB程式的載入方式之圖。

圖6係用以說明客戶端安裝器事前發送至HMI客戶機之圖。

圖7係用以說明通信模組的載入方式之圖。

圖8係用以說明通信模組的另一載入方式之圖。

圖9係用以說明應用程式相依資料的載入方式之圖。

圖10係用以說明應用程式相依資料的載入方法的流程圖。

圖11係顯示SCADA伺服機及HMI客戶機的硬體構成例的方塊圖。

圖12係用以說明習知課題之圖。

以下，參照圖式詳細說明本發明的實施型態。在此，對於各圖中共通的要素係附記相同符號並省略重複的說明。

1-1.SCADA WEB HMI系統

圖1係用以說明實施型態1的SCADA WEB HMI系統的構成例之圖。圖1所示的SCADA WEB HMI系統1係具備：經由電腦網路5而彼此連接的PLC 2、SCADA伺服機3及HMI客戶機4。電腦網路5為例如乙太網路(Ethernet)(註冊商標)。SCADA WEB HMI系統1亦可具備圖示省略的線上資料收集機(ODG：Online Data Gathering)。

PLC 2係經由圖示省略的控制網路而與構成產業工廠之廠區機器群(包含致動器及感測器)連接。PLC 2係按既定週期以群播或廣播方式傳送包含塊資料之封包(packet)到電腦網路5。塊資料(block data)係PLC信號的集合。一個塊資料包含有數十到數百個PLC訊號。PLC訊號的種類有輸入輸出訊號(包含致動器控制訊號及感測器檢測訊號)、警告訊號。塊資料係包含輸入輸出信號的集合及警報信號的集合的至少一方。警報信號的總數係少於輸入輸出信號的總數。

塊資料係不論PLC訊號的值與前次值相比是否有變化都週期地傳送。因此，即使是包含傳送的塊資料的封包丟失了的情況，也會在下一個傳送週期再傳送，使最新狀態反映至SCADA伺服機3及線上資料收集機。

SCADA伺服機3係具備：通信驅動器31、及客戶端管理部32。通信驅動器31係構成為：按既定週期從PLC 2接收塊資料，並執行解封包(unpack)而將接收到的塊資料分解為按照資料型態的信號資料。就資料型態而言，除了圖2(a)所示位元型態之外，還可使用short(簡短)型態或float(浮點)型態等。再者，通信驅動器31係構成為執行封包處理，該封包處理係對各信號資料附加上對應的信號資料識別符(參照圖2(b))而產生按照資料型態的封包(packet)，且將所產生的封包傳送至客戶端管理部32。亦即，從通信驅動器31傳送至客戶端管理部32的信號資料係信號資料識別符與信號資料之值(value)的配對(參照圖3(a))。

在此，信號資料識別符係對應於應用程式設計者所記述的文字列。信號資料識別符的資料大小(data size)係例如為23bit。藉此，信號資料識別符即可表示約800萬個的信號資料，且可充分地對應於大規模的SCADA WEB HMI系統1。若為bit型態的資料，由於信號資料識別符為23bit，資料值為1bit，因此每一信號的資料大小為24bit(=3byte)。若為float型態的資料，由於信號資料識別符為23bit，資料值為4byte，因此係附加1bit的填充，每一信號的資料大小為7byte。另外，亦可設為在生成封包時，僅抽出關於目前顯示於網頁瀏覽器40之HMI畫面41的信號資料識別符的信號資料。

客戶端管理部32係具有：信號資料接收執行緒(thread)、至少一個信號資料緩衝器、及信號資料傳送執行緒。信號資料接收執行緒係接收從通信驅動器31接收到的封包(按照資料型態的信號資料)，並將信號資料儲存於信號資料緩衝器。信號資料緩衝器係具有按照資料型態儲存信號資料的區域(陣列)。假設即使存在800萬個的信號資料，若排除text型態，則約為24Mbyte左右的記憶體使用量，因此若考慮目前之計算機的規格，可以說是不會造成問題的記憶體使用量。而且，藉由索引(index)的使用，可減少儲存於信號資料緩衝器的資料量。信號資料傳送執行緒係當接收到來自信號資料接收執行緒的指示時，即讀取儲存於信號資料緩衝器的信號資料，且將所讀取的信號資料按照資料型態傳送至HMI客戶機4。此時，藉由將顯示於圖3(b)之顯示HMI畫面41和用品(部件)42的畫面識別符及用品識別符、及被更新的信號資料作為畫面更新資料傳送至HMI客戶機4(參照圖4)。如圖2至圖4所示，藉由將信號資料二進位化，藉此可減少傳送給HMI客戶機4的資料量。

如後述圖11所示，SCADA伺服機3係具備：處理器301，係執行各種處理；記憶體302，係儲存各種資料；以及網路介面303。由處理器301執行記憶體302中所記憶的程式，藉此構成上述及後述的各種處理。

HMI客戶機4係具備後述圖11所示的處理器401、記憶體402、監視器403、網路介面404、及輸入介面405。由處理器401執行記憶體402中所記憶的程式，藉此處理器401係構成為執行網頁瀏覽器40，該網頁瀏覽器40係顯示配置有顯示部件的HMI畫面(畫面)41。監視器403係顯示網頁瀏覽器40。

網頁瀏覽器40係依據URL切換連接目的地(SCADA伺服機3、線上資料收集機)，就可從URL所指定之WEB伺服器取得與HMI畫面41有關的HTML文件的各種資訊。HMI畫面41係包含被要求即時性的監視畫面、和顯示歷史資料的歷史畫面。

網頁瀏覽器40係當目前顯示於網頁瀏覽器40的畫面41為監視畫面時，依據從SCADA伺服機3接收到的輸入輸出入信號而使顯示部件42的顯示狀態變化。顯示狀態的變化係指例如數值、文字、顏色、形狀的變化。此外，網頁瀏覽器40係依據從SCADA伺服機3接收到的警報信號而使配置於HMI畫面41之警報部件42的顯示狀態變化。

網頁瀏覽器40係當目前顯示於網頁瀏覽器40的畫面41為歷史畫面時，向線上資料收集機請求歷史資料。網頁瀏覽器40係將從線上資料收集機接收到的歷史資料顯示於歷史畫面。

雖然省略圖示，線上資料收集機係具備有處理器、記憶體。由處理器執行記憶體中所記憶的程式，藉此處理器係構成為執行Web伺服處理及歷史資料管理處理。線上資料收集機係從PLC 2週期性地接收塊資料。線上資料收集機的歷史資料管理處理係將接收到的塊資料所包含的所有的信號的歷史資料儲存於記憶體(包含資料庫)。線上資料收集機的Web伺服處理係依據來自網頁瀏覽器40的請求而傳送歷史資料。而且，線上資料收集機係從SCADA伺服機3接收警報封包並將之儲存。

1-2.SCADA WEB程式的載入方式

圖5係用以說明SCADA WEB程式的載入方式之圖。如圖5所示，HMI客戶機4係具備客戶端安裝器43。客戶端安裝器43係在更新SCADA WEB程式的時間點下進行動作，將本機WEB伺服器45、及SCADA WEB程式44配置於客戶機4。網頁瀏覽器40係可於啟動時經由本機WEB伺服器45而載入SCADA WEB程式。藉此，與習知從SCADA伺服機3載入SCADA WEB程式44的情形不同，HMI客戶機4與SCADA伺服機3之間的通訊頻帶係完全分配給系統操作時的通訊流量。

客戶端安裝器43對於HMI客戶機4的安裝方法亦可採用CD-ROM，惟如圖6所示，若構成為從SCADA伺服機3事前發送(HTTP載入)至HMI客戶機4，就會省去客戶端安裝器43的安裝的時間精力，藉此可抑制操作成本。亦即，SCADA伺服機3係具備客戶端安裝器43。該客戶端安裝器43係包含：在客戶機4上動作的本機WEB伺服器45、SCADA WEB程式44、及SCADA WEB程式啟動指令碼(script)46。藉此，系統操作管理者僅使用網頁瀏覽器40，就可從SCADA伺服機3下載客戶端安裝器43。並且，當在HMI客戶機4執行客戶端安裝器43時，本機WEB伺服器45就會在HMI客戶機4啟動，且將SCADA WEB程式44、及SCADA WEB程式啟動指令碼46配置於客戶機4。此時，監視器403中的Windows(註冊商標)桌面上，會配置與SCADA WEB程式啟動指令碼46連結的捷徑(short cut)，因此操作員僅需快按兩次(double click)此捷徑，SCADA WEB程式44就會被載入至網頁瀏覽器40上。SCADA WEB程式啟動指令碼46亦包含SCADA伺服機3的通信位址，SCADA WEB程式44會自動地與SCADA伺服機3連接，操作員就可立即開始系統的監視。

1-3.通信模組的載入方式

圖7係用以說明通信模組的載入方式之圖。圖8係用以說明通信模組的另一載入方式之圖。

通信模組36係提供SCADA WEB程式44與伺服器通信所需的功能。此種的通信模組36並不是自本機WEB伺服器45載入，而是必須自SCADA伺服機3載入。SCADA伺服機3係具備伺服器安裝器34。當啟動伺服器安裝器34時，會於SCADA伺服機3配置伺服器程式35及通信模組36。通信模組36需要與SCADA伺服機3上的客戶端管理部32進行WebSocket通信，但是由於因所謂相同來源政策(same-origin policy)的安全(security)上的理由，必須動作在SCADA伺服機3的網域(domain)40b。換言之，通信模組36必須從SCADA伺服機3上的客戶端管理部32來載入。因此，如圖7所示，在網頁瀏覽器40上的HMI客戶機4的網域40a中進行動作的SCADA WEB程式44、和在SCADA伺服機3的網域40b中進行動作的通信模組36之間，係使用網域間通信作資料交換。另一方法係如圖8所示，對SCADA伺服機3進行CORS(Cross Domain Resource Sharing：跨來源資源共用)的設定，藉此可接受來自其他的網域的通信連接，因此可使通信模組36亦事先安裝至HMI客戶機4。藉此，可實現HMI客戶機4與SCADA伺服機3之間的通信負荷更進一步的降低。

1-4.應用程式相依資料的載入方式

圖9係用以說明應用程式相依資料的載入方式之圖。圖10係用以說明應用程式相依資料的載入方法的流程圖。

為了使SCADA WEB程式44動作，與應用程式相依的應用程式相依資料38亦必須載入至網頁瀏覽器40上。應用程式相依資料38係藉由應用程式發送程式37被下載到SCADA伺服機3。應用程式相依資料38係包含應用程式版本(revision)，而如後述，僅在有更新的情形被傳送至HMI客戶機4。在HMI客戶機4上SCADA WEB程式44與客戶端管理部32連接的時間點，圖10 所示的常式(routine)係啟動。依據本常式，SCADA WEB程式44係將目前保有的應用程式相依資料38的應用程式版本傳送到SCADA伺服機3(步驟S1)。SCADA伺服機3係將所下載的應用程式相依資料38的應用程式版本、與在步驟S1被傳送的應用程式版本予以比較(步驟S2)。經比較的結果，若應用程式版本為相同時，SCADA伺服機3係將應用程式相依資料38未有更新的主旨傳送到SCADA WEB程式44(步驟S3)。之後，SCADA WEB程式44係使用保有的應用程式相依資料38(步驟S4)，且結束本常式。

另一方面，當應用程式版本不同的情形，亦即應用程式相依資料38被更新的情形，SCADA伺服機3係將新的應用程式相依資料38傳送到SCADA WEB程式44(步驟S5)。之後，SCADA WEB程式44係保有且使用被傳送的應用程式相依資料38(步驟S6)，且結束本常式。

如果應用程式未被更新則應用程式相依資料38不會變更，因此一度被傳送到HMI客戶機4的應用程式相依資料38係先保存在HMI客戶機4側，且僅當應用程式被更新時，應用程式相依資料38才傳送到HMI客戶機4，藉此可減少HMI客戶機4與SCADA伺服機3之間的通信負荷。

1-5.效果

如以上說明，根據本實施型態，係於HMI客戶機4設置客戶端安裝器43，因此於網頁瀏覽器40的啟動時，SCADA WEB程式44並非經由HTTP從SCADA伺服機3載入，而是從HMI客戶機4本身載入。因此，即使網頁瀏覽器40於系統操作中啟動時，仍可防止HMI客戶機4與SCADA伺服機3之間的通信量超出通信能力。藉此，可防止於系統操作中發生通信錯誤、或耗費時間於網頁內容(content)的載入，可消除產業工廠無法監視的時間。

2.硬體構成例

圖11係顯示SCADA伺服機3及HMI客戶機4的硬體構成例的方塊圖。

上述SCADA伺服機3的各個處理係藉由處理電路而實現。處理電路係由處理器301、記憶體302、及網路介面303連接而構成。處理器301係藉由執行記憶體302中所記憶的各種程式來實現SCADA伺服機3的各個功能。記憶體302係包含主記憶裝置及輔助記憶裝置。

上述HMI客戶機4的各個處理係藉由處理電路而實現。處理電路係由處理器401、記憶體402、至少一個監視器403、網路介面404、及輸入介面405連接而構成。處理器401係藉由執行記憶體402中所記憶的各種程式來實現HMI客戶機4的各個功能。記憶體402係包含主記憶裝置及輔助記憶裝置。輸入介面405係鍵盤、滑鼠、觸控面板等的輸入裝置。監視器403亦可設置複數台。

以上已說明了本發明的實施型態，但本發明不限於上述實施型態，而可在未脫離本發明的要旨的範圍內進行各種變化來實施。在上述的實施型態中述及各個構成要件的個數、數量、量、範圍等之數的情況，除了特別明示的情況、原理上明顯限定於其數的情況等之外，本發明不限於其述及的數。又，上述實施型態中說明的構造等，除了特別明示的情況、原理上明顯限定於其構造的情況等之外，並非本發明的必要構造。