分散控制
在制造业和类似环境中集中控制的历史，与大多数技术发展一样，是一把双刃剑。这种情况让人想起杜立特博士儿童故事中的双头动物——“推我拉你”。在这种情况下，是设计塑造过程，还是过程决定设计?中心化通常意味着访问…
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在制造业和类似环境中集中控制的历史，与大多数技术发展一样，是一把双刃剑。这种情况让人想起杜立特博士儿童故事中的双头动物——“推我拉你”。在这种情况下，是设计塑造过程，还是过程决定设计?
集中化通常意味着由一个人或一小群人从一个点访问整个操作(或生产线)。这种对一件或几件硬件的完全投降可以被认为是把所有的鸡蛋放在一个篮子里。如果这是你的选择，你最好看好那个篮子!(马克·吐温总结了这一智慧。)在没有冗余的纯集中式设计中，如果服务器由于断电、系统故障或任何其他原因而停机，卫星进程也会停机。此外，集中化可能不允许对不断变化的条件或一个地理位置与另一个地理位置之间的设备差异作出快速反应。因此，许多制造商转向了另一个方向——将控制权“分散到各省”。
由于微处理器近年来变得越来越强大，价格也越来越便宜，公司将它们嵌入远程I/O设备、按钮、传感器和其他组件中。这些“智能部件”可以在靠近它们所控制的进程的通信网络上执行控制功能。最近的进步——比如改进的人机界面(HMIs)——允许工程师们把控制室类型的显示器直接带进现场，伪装成手持设备，比如个人数字助理(pda)。
看看应用程序
但问题仍然存在:有多少决策能力属于中心点，有多少决策能力直接属于生产车间的生产线?何时何地还需要集中控制?分布式智能能从任何必须保持集中的功能中受益吗?在由此产生的连续的解决方案中，每种方法都有优点和缺点，每种方法都在某些情况下提供了最佳答案。你怎么画这些线?
英维思Foxboro自动化平台经理Sam Herb表示，制造商必须考虑所需控制回路的数量、工艺复杂性、对高级工艺控制和优化的需求、停机成本和由此产生的冗余需求，以及对安全性的需求。他认为，涉及复杂的故障安全设计、容错或高级控制策略的大型复杂应用程序受益于集中控制。此外，集中式系统有助于流程验证和文档记录，以响应监管要求，非常适合制药和污染控制等应用。
同时，集中控制需要巨大的通信带宽来将工艺参数和其他数据传输到控制点，并且在数据点的生成和系统对数据点的响应之间存在不可避免的滞后时间。Wago公司的高级产品支持工程师Tracy Lenz指出，工程师必须仔细计算预期的数据流量，并设计现场总线以适应它。分散式分布允许在本地监视输入和编码器。分散式控制器对高速输入的反应要比集中式控制器快得多，它只在报告程序完成时才与主处理器通信。
例如，考虑一个典型控制系统的上电自检。如果中央设备直接运行测试，那么测试指令、测量和响应必须通过网络传递，这可能会使测试陷入困境，并可能引入总线争用和其他错误。内置的自检可以更快更容易地完成同样的任务。来自中心位置的单位指令触发它(或者可以由某些边界条件在本地触发)，惟一必要的响应是单位的pass-fail。当然，为了更有用，自检可以在故障时返回大量错误代码中的一个，以便对控制系统进行故障排除，但即使这些代码也只代表集中式情况所需的数据密度的一小部分。
中断不宽容
Lenz认为，去中心化还允许对主处理器故障或网络通信故障进行程序化响应。有些过程，例如制药，不能容忍中断。根据不同的情况，分散的体系结构可以不加减弱地继续一个过程，启动一个连续的关闭，或者执行一个完全但有控制的关闭。
制造商也可以将去中心化应用于旧系统。不需要更换现有的硬件和软件可以大大降低成本。Lenz描述了一种多批处理安排，其中主HMI将指令下载到分散控制器，该控制器在向网络报告数据的同时控制本地产品批次。在这种情况下，主控制器仅作为全局网络接口。本地节点通过网络与主控制器通信，节省了更换现有基础设施的成本。
早期的控制系统主要表现为主从关系，Lantronix公司的现场应用工程师Gary Marrs回忆道。主机、可编程逻辑控制器(PLC)或其他控制器执行程序并管理所有I/O点和与远程节点的通信。Marrs指出了这种方法的三个主要缺点:
远程通信效率非常低。主机向每个远程节点发送命令并轮询其响应。如果一个从节点需要与另一个从节点通信，它将以“星型”配置通过主节点。缓慢的命令和响应时间限制了实时操作的适用性。尽管现在的网络速度要快得多，但在这些网络中传输的数据密度至少也以同样的速度增长。
集中式系统存在不可容错的问题。维护和计划外停机时间消耗时间和金钱资源。
一些中心设计的维护成本很高。工程师们设计了集中式系统，以容纳尽可能多的控制和I/O功能。他们将每个传感器、电机、开关和执行器都连接到一个控制室，导致安装成本很高。排除故障的困难出现了，因为巨大的“老鼠窝”的电线和间歇性的电磁干扰问题。
分布式控制解决了这些问题。点对点(多主)架构允许在被控制的设备附近定位控制器及其I/O点。系统可以在本地处理实时控制循环，而不会给数据集线器带来负担，直接与其他控制器(点对点)通信以发送或接收数据。如果一个控制器出现故障，系统的其他部分仍然可以正常工作。
根据马尔斯的说法，PC革命帮助扩展了分布式控制。在pc出现之前，大多数PLC和分布式控制系统(DCS)供应商选择专有协议将用户与他们的产品联系起来。PC开放架构有助于促进标准化和易用性，同时降低成本。
阻碍真正分布式控制扩散的一个限制是缺乏单一的网络标准。幸运的是，情况正在改善。OLE等标准提供了强大的工具来鼓励互操作性。Web服务器允许通过Internet访问任何带有浏览器的计算机的信息和数据。XML和简单对象访问协议(SOAP)允许在分布式环境中共享数据。
“到以太网还是不到以太网”
带着对“吟游诗人”的歉意，许多人会在某个时刻问:“使用以太网还是不使用以太网?”
为了解决非标准工业协议的问题，许多制造商正在转向围绕以太网构建的体系结构，特别是当新版本的标准允许更高的通信速度时。Wago的Lenz指出，大多数工业建筑已经具备了以太网功能。通过基于以太网的通信连接分散的控制器消除了定制的现场总线接线。连接可以在单个建筑物内或其他建筑物内大规模扩展，但仍然允许与主控制器通信。如果以太网负载过重而陷入停滞，分散的控制器仍能正常工作。
以太网还为等式增加了其他维度。大功率无线电系统可以将通信从主控制器传输到本地设备，就像市政泵站或自来水厂一样。IEEE标准802.11的实现允许快速和简单的无线接口，pda允许工程师直接连接到系统，甚至在现场。HMI软件可以加载到PDA上进行控制系统访问。例如，当对建筑物进行自动化控制时，管理员可以通过这些手掌大小的常见工具检查任何楼层的灯的状态，或者改变温度和其他环境条件。
以太网是一个热门话题，在以前的文章中已经讨论过，但不应该被认为是工业网络的最佳或唯一解决方案。罗克韦尔自动化公司Netlinx部门的经理道格·麦克尔唐尼说，为工厂车间“调整”以太网通信可能不会带来最好的结果。
工业网络的体系结构，例如DeviceNet、Interbus、Profibus和其他专门针对工厂应用程序的体系结构，因此可能是更好的选择。McEldowney还指出，管理者认为以太网比其他解决方案更便宜的看法可能源于对使系统工作所需条件的误解。以太网需要主动组件(交换机)。尽管设置起来并不困难，但基于交换机的架构与大多数管理人员在办公环境中实现以太网时遇到的情况有些不同。另一方面，许多专门为工厂车间设计的网络体系结构允许更简单的安装，具有很大的灵活性。此外，大多数以太网使用树/星型拓扑进行点对点通信。同样，尽管这种方法适用于办公室应用程序，但可能会减慢工厂车间的操作速度。其他解决方案的总线(干线/下线)拓扑可能更高效。
他指出，以太网和工业网络一样，在协议上有所不同。出于同样的原因，他相信以太网的进步将扩大其能力，以适应更多的应用程序。例如，IEEE 1588时间同步协议标准将允许以太网精确地同步遥远的节点。这样的同步，反过来，将允许应用程序更广泛地分布，同时在中心位置和现场之间保持紧密的网络集成。
接下来是什么?
许多人认为，去中心化的趋势将持续下去，直到小型自治和智能节点无缝协作。它们将共同构成“控制系统”，只有一个监督单位监督整个过程。如果这就是未来，我们还没到那一步。你可以推我，我可以拉你，而技术继续鼓励更有效的工艺设计。
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| 作者信息 |
| Steve Scheiber, ConsuLogic咨询服务公司，sscheiber@aol.com他是《控制工程》的顾问编辑。 |
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