您的通信网络是否支持自动化升级?

考虑升级工艺设备的公司知道，他们必须在现有设备的物理限制下工作。管道、泵和阀门所能处理的液体量是有限的。电气开关设备和配线具有最大的载流能力。如果有必要超越这些限制，那么就有必要升级或替换造成瓶颈的物品。

这同样适用于自动化系统。PLC或其他控制器有最大I/O连接数，这很容易看到，但其他限制不那么明显。管道中的压降可能是过程中容量过剩的信号，但是控制网络过载的迹象是什么呢?早期的迹象更加微妙。

当设计一个新工厂时，工程师们通常会在所有系统中建立一定程度的过剩产能，以覆盖自己，并确保业主不会因为一些意想不到的瓶颈而失望。这适用于整个设施，通常包括促进现场设备、控制器、hmi和其他与过程相关的计算系统之间通信的数字网络。

这些网络，如工艺管道和电线，被设计来处理预期的容量和一些额外的。问题是，20年、10年甚至5年前的设计师没有预料到用户已经添加到他们的植物网络中的所有东西。早在2009年，谁会想到他们可能会使用iPad远程访问处理单元呢?

渐渐地，最初额外的网络容量就会被耗尽，尽管您可能没有意识到这一点。如果您的网络可以处理现有的流量，您可能不知道它已经接近极限，直到又有一个新事情开始使系统陷入困境。这可能是一个重大的升级，如新的HMI，但即使是软件实用程序等小的增加也会产生不同的效果。大多数公司的问题是，他们不知道在网络容量方面他们离自己的优势有多近。

植物是如何陷入困境的

虽然有图表可以准确地告诉你可以通过管道输送多少液体，或者给定尺寸的电线的容量，但网络负载并不明确。衡量您的网络性能并不容易，而且几乎没有指导方针来建议多少流量是实际的。

我们经常谈论自动化系统控制器“过载”，但这通常与控制器之间的数据移动有关，而不是与不充分的蛮力计算能力有关。在进行循环计算时，很少会超过处理器的能力，但当控制器被要求连续通信大量数据时，它们的速度会变慢。

因此，一些没有现有网络问题的客户简单地启动自动化系统升级，假设他们不会有问题。更明智的人可能会意识到在项目之前需要某种网络流量分析，但这通常是事后的想法。

作为自动化解决方案提供商，我们经常看到客户发现几乎没有可用的工具来测量现有的和预计的新网络流量。控制系统供应商包括现有系统的诊断软件，但他们没有能力预测修改后系统的网络负载将是什么样子。“我们的网络能承受这种新的负载吗?”这个问题似乎很难得到一个简单的答案。

有问题的项目

随着遗留系统寿命的结束，更换HMI和前端组件通常成为可行的替代方案，但保留控制器。当供应商争夺额外的安装基础时，供应商A说服用户，其HMI可以在供应商b的自动化系统上无缝工作。也许它可以，或者至少在供应商A的测试台上是这样。甚至可能有一些成功的项目已经使用了这种组合，销售人员会引用这些理由来解释为什么没有必要担心。

销售人员可能是绝对正确的，因为一些跨平台组合工作得非常好，但最有意义的问题是，这种组合是否适用于这种特定的情况，有许多可能的变量在起作用，这些变量是特定于站点的。

如果负责项目的销售人员真正理解所涉及的内容，并给予客户适当的指导，那么成功的可能性就很大。然而，作为独立的自动化解决方案提供商，我们看到了更多在没有充分研究的情况下做出选择和批准的情况。当发出采购订单并开始出现问题时，就需要我们的服务来解决兼容性问题。

幸运的是，这样的跨平台DCS升级在第一次启动时没有导致整个系统崩溃的臭名昭著的历史案例，但是有很多处于后期阶段的项目突然不得不推迟几个星期来解决一些网络负载问题。与任何项目问题一样，尽早解决这些类型的问题比后期修复更节省成本和时间。

工具和指南

虽然在办公室和商业IT系统中有许多用于评估网络健康状况的工具，但用于查看过程自动化系统网络的工具要少得多，但还是有一些选择。在某些情况下，可以使用普通的IT工具，但需要判断来解释评估结果。

研究经常显示移动的包的数量和它们移动的容易程度，并对碰撞的数量进行具体检查。大多数自动化系统都有某种内部诊断工具，用于监控查询得到回答的速度，这与网络负载有关。当HMI需要信息来刷新操作员屏幕时，它是在第一次尝试时就通过，还是会延迟?HMI是否需要经常重试?

大多数系统都可以计算信息被占用的情况。知道这一点很好，但在试图计算还有多少可用带宽时，它可能没有多大帮助。大多数系统还可以让你了解控制器加载情况，如前所述，这通常与信息的移动有关，而不是计算的数量。当您试图确定如何在系统中分配任务时，这非常有用。您可能会发现某些控制器承担了不成比例的负载，并且可以通过将一些任务重新分配到自动化系统中负载较低的部分来改善通信。

就目前而言，这些工具当然是有用的，但当你考虑向你的网络添加新东西时，它们并不能很好地预测成功。当然，如果您发现您的网络有带宽需要消耗，您不必担心，但这种情况并不常见。

带宽是要花钱的，而且在大多数工厂建成的时候，成本可能更高。这些年来，很少有技术的发展导致带宽需求下降，而且许多技术的发展产生了相反的影响，所以更多的公司比他们意识到的更接近带宽的边缘。

这次升级能行吗?

让我们回到前面讨论的假想的跨平台迁移项目。为了方便讨论，供应商A的客户经理是知识渊博的，他或她在类似于您的应用程序中的类似项目中工作过。你有充分的理由相信这个项目会成功，但是仍然有一个困扰你的问题:“在我们的情况下，这个项目会成功吗?”这是一个有效的问题，您确实应该在项目开始之前提出这个问题并确定答案。永远不要以为一切都会好起来，因为有很多变量在起作用，可能比你意识到的还要多。

大量的变量使得供应商无法保证自动化系统的性能。每个公司和情况都是不同的，所以一定要明白自己买的是什么。你能获得的最有用的信息通常是通过与在类似公司从事类似项目的人交谈而获得的，但比较情况可能很难。即使您的植物是彼此的镜像，您也可能决定使用需要更多信息的更精细的HMI图形，或者您可能会使刷新率更高。这两者都增加了您的网络需求，并使植物难以直接比较。

最终，这个决定是关于你能承受的风险水平。如果您确定您的网络正在以80%的容量运行，那么添加一个将流量增加17%的新HMI是否安全?你的数字有多精确，你愿意去多接近极限?知道没有硬性的规则，这就变成了一个需要完成的风险评估练习。

解决网络问题

不久前，我们公司参与了一个项目，客户试图回答我们一直在讨论的网络加载问题。我们的客户委托自动化系统供应商在预期迁移项目中进行主要的网络研究。这种情况非常罕见，所以我们对结果很感兴趣。

该研究提出了一系列建议，包括观察到告警管理平台消耗了整个网络带宽的20%。它还发现，特定的HMI图形功能通过不必要的高频率轮询大量的点，造成了过多的流量。

这样的研究并不便宜，因此也不经常进行，但在这种特殊情况下，这项研究很容易收回成本，因为它发现了可以在升级到更昂贵的解决方案之前迅速解决的问题。当然，并不是每一种情况都有这样的机会，供应商有时不愿意进行这样的网络研究，因为结果可能不像客户期望的那样具有结束性，而且可能没有明确和简单的解决方案。

没有一个工厂将每个设备都配置为只消耗尽可能少的网络资源所需的最佳性能水平。如果一切正常，玩家就没有动力去挖掘所有设备设置。

一些调整总是可能的，但您可能无法找到足够多的调整来产生足够大的效果来解决新出现的问题。如果你处于边缘状态，调整可能会帮助你，但如果控制器或hmi可能因升级而严重超载，那么改善网络使用的主要步骤可能是不可避免的。

拉动需求，增加产能

通过增加容量来处理新需求来解决网络问题通常涉及重定向流量、增加控制器数量，并可能通过添加交换机、路由器和/或电缆来增强网络。根据现有自动化系统的使用年限，添加控制器可能是一个相当简单的步骤，现代系统更适合这些类型的添加。

项目在实际实施过程中会改变方向，因此保留一些灵活性很重要。常见的情况是，“最初的计划是购买3个新控制器，并保留现有的10个旧控制器，但现在我们意识到我们将不得不购买5个新控制器，并将旧控制器上的一些内容转移到新控制器上。因此，除了增加新设备和新的I/O外，我们还需要扩展现有的一些设备。”这种情况经常发生在升级项目中，如果在实施之前没有很好的计划，可能会导致许多延迟。

带宽的猪

一些设备或软件会消耗大量带宽。在某些情况下，这是合理的，而在另一些情况下则可能不是。高带宽用户的一个共同特征是需要频繁地从大量来源获取大量信息。

之前引用的客户研究发现，警报管理程序导致网络负载过重。我们经常看到的另一个问题是循环诊断实用程序，因为它们需要大量的数据才能正常工作，这会占用网络资源。但在许多情况下，这些诊断程序不需要连续运行，因此它们的使用可能受到限制。

如果您正在试图确定系统中可能潜伏着一些带宽占用者，那么可以从以下几个地方开始:

控制器负载过重——这是一个常见的问题，需要工厂卸载控制器作为升级的一部分。这通常意味着添加额外的控制器来缓解问题，这可能是正常迁移之上的一项重要任务。

跨控制器或跨网络通信—如果有大量的跨控制器通信使网络陷入困境，那么在控制器之间转换控制策略来缓解问题可能是可行的。需要大量的工程工作来评估控制策略如何增加控制网络的负载，以及如何重新定位它们以改善这种情况。

hmis -你的操作员屏幕多久需要更新一次?你的流程的性质和事物变化的速度会告诉你这一点，但大多数公司都把刷新率设置得太高了。如果HMI最初配置为非常快的刷新率，那么可能会降低刷新率，特别是对于描述符和单元等静态信息。

移动设备——管理层喜欢远程访问工厂的性能数据，但是这些数据必须每10秒更新一次吗?难道1- 2分钟的更新还不够吗?降低移动设备更新速率是一个简单的解决方案，可以大大减少网络流量。

第三方程序(资产管理、循环调优、历史记录、警报管理、APC和其他软件程序)通常需要大量的自动化系统数据来执行其功能。研究每一个，并考虑更改配置设置以减少通信需求的可能性。例如，APC程序可以每分钟检查一次运行参数，而不是每秒钟检查一次。

硬件/软件问题—不正确的固件、软件修订或其他配置问题可能导致通信错误并大大降低网络性能。这些类型的问题通常很容易识别和修复。

快速环路——将控制功能移动到更接近实际设备和远离中央控制器的地方，总体上减少了流量，这对于需要快速控制的环路尤为重要。分布式控制可以更快地响应需要的流量和压力回路，可能需要安装智能仪表和能够在本地运行回路的阀门。

表:自动化系统网络带宽占用
重载的控制器
交叉核对流量
具有复杂图形的hmi
更新频率过高的hmi
移动设备
第三方程序不断地请求大量数据
硬件和软件的错误和问题
需要快速响应和控制的循环

大多数长期解决方案包括通过解决带宽占用问题来减少网络流量、更有效地引导流量和增加容量。构建和维护无问题的自动化系统网络首先要了解哪些项需要相互通信，需要在这些项之间移动多少数据，以及必须以多频繁的频率刷新数据。当这些信息掌握得很好时，当需要升级自动化系统时，决定如何进行将会容易得多。

Chad Harper, CAP, PMP, MAVERICK Technologies的高级技术总监。

关键概念

• 网络带宽，像任何工厂资产一样，有容量限制。
• 了解您当前的网络使用情况将有助于确定是否可以添加新功能。
• 当网络流量开始变慢时，可以重新配置设备以帮助释放带宽。

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