集中式和分布式控制系统设计之间的选择
工程师必须在集中式/分布式控制系统的设计范围中取得正确的平衡。
从自动化系统诞生之日起，控制工程师就一直在努力解决系统的集中化和分散化问题。要得到正确的答案可能比你想象的要复杂得多，即使是最有经验的工程师也会受到挑战。本文介绍了设计系统和处理过程中可能遇到的问题的工程最佳实践。
核心问题
集中化或分布式的程度实际上有两个方面需要解决:控制本身和I/O子系统。当建立你的设计时，从整体控制系统开始，然后向下到I/O。在讨论细节之前，让我们先了解一些基本情况。
集中式或分布式控制是系统的一个核心设计方面，它在非常基本的水平上定义了被控制对象和操作与控制系统本身交织在一起的程度。这种混合程度反映在系统的所有物理和逻辑组件中。它不应与控制系统平台的选择相混淆。这些设计标准应该驱动选择，而不是相反。
在高度集中的设计中，系统的所有方面都集中在一个实体中。单个流程控制器操作流程的所有方面(参见图1)。高度分布式设计正好相反。系统的物理和逻辑组件分布在各种操作和物理领域。
有了集中式和分布式控制的基本工作定义，我们可以研究应用于I/O系统的相同概念。高度集中的I/O系统的特点是将I/O硬件集中在单个实体中，并从该位置扩展网络或硬连线连接。高度分布式的I/O系统将I/O硬件分布在许多操作和物理区域，并从这些远程位置扩展本地网络或硬连线连接。
重要的是要注意，与控制一样，集中式或分布式I/O是独立于I/O平台类型的设计概念。您可以有一些本质上分布的东西，例如一组点I/O设备，它们连接回一个公共I/O适配器或网络交换机。在这种情况下，公共连接在分布式系统中创建了一些集中的特征。类似的例子有很多，比如带有一些分布式方面的集中式I/O系统。
当仔细检查时，就控制或I/O而言，任何物质的大多数系统通常都不是完全集中或分布的。虽然控制设计对集中式或分布式I/O系统的程度施加了一些限制，但这些限制可能很窄，也可能很宽。作为系统设计师，我们需要在这方面取得适当的平衡。让我们来看看一些可以影响我们如何把这些放在一起的因素。
让你的过程来说话
设计过程的第一步是从检查所控制的工艺设备开始的。您必须同时考虑设备的操作方面以及被控制对象和传感器的物理位置。
从操作的角度来看，合理地独立于其他过程运行的设备组是分布式控制的良好候选者。操作高度交织的设备或过程通常是集中控制的良好候选者。在这两种情况下，I/O子系统可以根据系统中设备的物理布局在不同程度上集中或分布。
在设计系统时，应将控制和I/O集中或分散到工艺设备允许的程度。强制使用一个不属于它的方案可能会给您的系统带来额外的复杂性和风险。
让我们用一个简化的流程示例来研究集中式控制的候选方案。你可能有一个液体原料接收区，通过阀门集群将原料输送到存储区。您的系统必须控制三个主要过程区域:接收区域(参见图2，阀门矩阵和存储区域(参见图3)。您需要所有这三个区域来执行任何一个接收/存储单元操作。您可以将控制分散到每个区域，或者集中到所有三个区域。分布式系统有三个故障点，因为三个控制器中的任何一个故障都会导致整个系统的故障。相比之下，集中式系统只有一个故障点。
分布式系统中的每个区域都需要与其他区域交换状态数据，以确保安全操作。这需要在系统和相关硬件之间连接介质。与集中式系统相比，这增加了系统的复杂性，并引入了额外的故障点。
分布式控制的候选方案可能会在更下游的地方找到。你可以找到三条产品加工生产线，每一条都完全独立于其他生产线。在集中式系统中，控制器故障将导致所有三条处理线故障，因为每条控制都是交织在一起的。在分布式系统中，一个控制器的故障不会影响其他两条线路。与设备操作紧密耦合的接收/存储示例不同，操作独立的区域可以受益于分布式控制。
在前面提到的例子中，每个区域可能在物理上很近，也可能在设施的不同部分。无论是集中式控制还是分布式控制，根据过程设备物理分离的程度来分配I/O通常是有意义的。
安装因素
除了设备本身，您的现场安装计划也会影响控制系统的要求。如果所有设备都是一次性安装的，这将是最简单的处理情况。在开发控制系统设计时，处于最终运行状态的工艺设备是您需要考虑的全部问题。如果安装是分阶段完成的，事情就会变得有点复杂。您需要在每个阶段中以及每个阶段之间对需求进行分类。
对于I/O系统，处理设备的物理位置不再是I/O集中或分布程度的唯一决定因素。您还必须考虑如何将设备逐步投入运行。即使设备被安装在一个公共的物理区域，如果它在一段时间内被分多个阶段安装，那么每个阶段分配I/O可能是有意义的。这一决定在一定程度上取决于新阶段的设备对前一阶段设备运行的影响程度。分配I/O对现有设备的干扰最小。
从控制的角度来看，这一切都取决于操作预期。让我们回到接收和存储示例。分阶段地安装这三个过程域中的每一个过程域不会增加任何分配控制的需要。这三个领域都需要做一个单一的单元操作。每个区域的电气和机械测试可以在每个阶段进行，但操作测试必须等到所有三个区域安装完成之后。
当您分阶段安装一个固有的集中式进程，并期望它以某种临时方式运行时，它会变得更有趣。为了说明这一点，假设接收和存储区域安装在初始阶段，临时机械传输板在阀门矩阵的地方。稍后将安装阀门矩阵，但您需要在第一阶段结束时运行。
接收区和存储区紧密耦合;任何单个单元操作都需要这两者。它们仍然是集中控制系统的良好候选者。安装完成后，该阀矩阵既可以并入集中控制系统，也可以与自己的控制器一起分布。集中式系统在启动和运行后将有更少的故障点和更简单的结构，但分布式设计可能会更快地安装。如果您的停机安装窗口非常紧，这可能是一个值得考虑的权衡。
在集中式方法中，必须编写或修改每个单元操作的控制系统软件，以正确地操作阀门矩阵。在阀门矩阵安装后，每个单元操作必须彻底重新测试，以确保现有设备和新设备的安全运行。
在分布式设计中，大部分测试都可以提前完成。阀门矩阵可以在供应商的工厂进行组装、编程和测试，根据预定义的路由消息进行操作，在工厂很容易模拟。同样，运行中的工厂系统中相应的路由消息信号可以在正常运行中进行测试，而不会对生产造成风险。在这种情况下，这种方法可以显著减少总体安装时间，如果安装窗口很紧，应该考虑使用这种方法。
最后一个需要考虑的问题是，你的设备会随着时间的推移而发生怎样的变化。在生产线示例中，系统最初可能安装在一条生产线上。如果业务可以证明，以后可能会考虑增加生产线，但目前还没有确定的计划。虽然您可以以较低的前期成本集中控制整个系统，但如果溢价不是太高，那么分散对处理生产线的控制可能更有意义。如果您在未来添加更多的代码行，那么预先紧密耦合控件可能会带来更多的挑战和成本。了解这些问题可以帮助您确定设备整个生命周期的最佳设计。
钱包的力量
集中式或分布式设计都需要考虑前期和长期成本。从控制的角度来看，有控制器的硬件成本和控制系统的启动成本。从I/O的角度来看，有I/O平台的硬件成本和将硬件物理连接到现场设备的安装成本。对于控制网络和现场总线网络的安装，可能会有额外的第三方网络认证费用。
与分布式系统相比，集中式控制系统往往具有较低的控制硬件成本。这仅仅是因为集中式系统的控制器更少。集中控制系统启动费用的确定较为复杂。如前所述，安装阶段和操作预期会影响这些成本。首先确定这种情况的程度是很重要的，因为它会对系统的总生命周期成本产生很大的影响。
从I/O的角度来看，集中式系统倾向于在硬件组件上实现规模经济。为了说明这一点，请考虑传统硬连线I/O系统中的I/O模块。假设一个模块控制16个设备，而您需要控制200个设备。在集中式系统中，您将需要13个I/O模块。如果同样的200个点均匀分布在10个流程区域，那么您将需要20个I/O模块来满足相同的需求。相同的原则在不同程度上适用于I/O系统中的所有物理硬件。系统中I/O区域越远，系统需要的I/O硬件就越多。
与之相平衡的是人工和材料安装成本。受控制的设备和传感器从I/O硬件中物理分布得越广，这些安装成本就越高。集中式I/O系统放大了这些成本;分布式I/O系统减轻了这些问题。
I/O平台的选择可能对安装成本有很大影响。传统的硬连线I/O平台需要在每个现场设备和一些I/O模块之间单独布线。网络平台可能允许您在设备之间进行连接，而不需要单独运行回I/O系统。您将倾向于为I/O硬件和布线介质支付更多的费用，但您的总体安装成本可能会大大降低。
在现场总线方面，最近的趋势已经远离了一些开放平台，例如ControlNet，一种用于工业自动化应用的开放式工业网络协议。在这种情况下，趋势是向工业以太网解决方案发展。另外，as接口在接受和安装方面也在不断增长，并且可以很好地作为高级现场总线平台(包括使用工业以太网的平台)的合作伙伴网络。
集成方面的考虑
从系统集成的角度来看，有几件事需要考虑——物理和功能。系统中的控制器通常必须与其他流程、可视化和业务系统通信。如果您的预算允许，这些项目之间的公共宽带工业网络平台将简化系统生命周期内的配置和维护，并允许所有系统之间最有效的通信。
系统的控制、I/O和组件可能会或多或少地使用一些网络特性。你的网络只会和你的布线、连接和交换机一样好。工业网络通常是有电噪声的地方。它们会受到电磁干扰、温度范围、灰尘和办公环境中没有的湿度的影响。确保您有适合这项工作的电缆，并正确安装和配置了所有网络硬件。
旧的遗留系统通常包含低速和/或专有网络。如果你的控制系统是由这些元素组成的，或者必须与这样的系统集成，那么就需要考虑更多的问题。由于这种环境中的网络和通信协议速度较慢，必须对如何与其他系统交换信息进行特殊处理。
如果存在需要与其他流程系统交换的流程关键型实时状态，那么在这种情况下，老式的硬连线信号交换可能仍然是合适的。对于其他数据，可以找到在这些专有平台和更现代的网络协议之间转换的专用网络适配器。
如果需要与主机系统交换大量数据，则可以考虑将数据集中在单个位置。在这种情况下，这往往是最有效的沟通方式。在通信性能与单点故障之间进行权衡。在集中式系统中，集中数据相对容易。在分布式系统中，您需要选择一个控制器来承载，并手动将来自系统中其他控制器的数据发送消息。
从过去，走向未来
控制系统应该集中还是分散的问题已经存在很长时间了。它涉及到系统的控制和I/O方面。虽然某些硬件平台可能倾向于一个方向或另一个方向，但它是独立于这些平台的设计概念。任何实体的系统都很少是完全集中或分布式的。这个范围内的最佳解决方案是由多种因素驱动的。
设备的正常运行对集中或分布系统的程度有很大的影响。您必须检查设备的操作方面和物理布局。随着时间的推移，这些设备是如何安装的，以及它有多大可能发生变化也是需要考虑的因素。
集中式系统往往比分布式解决方案具有更低的硬件成本，但通常具有更高的安装成本。对于分布式解决方案则相反。当把它们放在一起时，请记住考虑您的系统和其他系统之间的系统集成问题。
在可预见的将来，我们将继续面临这个问题。随着设备变得越来越智能，现场总线和工业网络安装变得越来越普遍，控制平台也在不断发展，如何对这些项目进行分组或分配的问题仍然存在。理解所涉及的核心原则将有助于您现在和将来为控制系统开发正确的设计。
大卫·麦卡锡是TriCore Inc .)该公司是一家位于威斯康星州拉辛的全国性系统集成公司。该公司在加利福尼亚州的格伦代尔和亚利桑那州的梅萨设有办事处。在1991年创立TriCore之前，McCarthy曾在Alfa Laval/利乐公司担任多个职位，包括该公司美国食品工程公司的工程经理。麦卡锡是罗切斯特理工学院的计算机科学家，在自动化领域有30多年的经验。
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