分散过程控制和信息管理

DCS中的“D”一直代表分布式。虽然这种网络战略背后的技术驱动因素可能已经改变，但分布式智能的基本概念仍然适用吗?

通过Peter Welander，控制工程 2012年12月9日

在现场总线基金会的一个新的培训视频中，教练Chuck Carter解释了现场控制是如何操作的，使用阀门和流量计运行一个流动回路。一旦他把系统设置好并开始运行，他就高兴地宣布:“我再演示一项，这是它的优点之一;只是为了好玩，我要杀死你的宿主系统。”

卡特承认，对操作员来说，失去主机将是一个巨大的问题，但这充分说明了分布式智能的一个关键优势:整个过程依赖于单个中心故障点的部分更少。即使主机系统关闭，阀门和流量计仍能正常工作，将流量保持在所需的设定值。当主机恢复时，一切都是原来的样子。由于控制阀和流量变送器内置了复杂的数据处理和控制功能，该系统能够工作。用户可以根据情况需要利用这一点，也可以不利用。

拥有这种类型的冗余当然是一种优势，但这只是分布式控制的一个方面。自从最早的DCS实现以来，分布一直是网络和控制策略的关键元素。早期，它主要是防御性的:网络速度较慢，集中处理能力有限，因此任何规模的系统都必须分散工作以及时完成。随着时间的推移，情况发生了变化。处理器的容量在所有实际用途中都是无限的，而且网络速度更快。尽管如此，分布式智能仍然是控制策略的一个主要元素。

更智能的现场设备

现在科里奥利流量计的变送器所包含的计算能力可以与早期DCS的主处理器相媲美，这可能并不那么牵强。类似地，plc、pac、温度回路控制器和各种小型智能设备也在飞速发展。如果巧妙地结合起来，对中央处理的需求就会迅速下降。

在某些情况下，例如刚才讨论的例子，智能驻留在现场设备的发射机中。多年来，这种能力已经从线性化传感器输出或二次校正测量的基本功能发展到包括从可用数据中获得额外过程变量的能力。当然，这样的增加会使设备配置要求复杂化，因此供应商正在努力创造一种方法，在不失去新功能的情况下将这种开销降至最低。

在其他情况下，现场设备可能与小型本地处理器一起工作，这些处理器还充当I/O接口。这些单元的功能可以与十年前的DCS系统相媲美。Opto 22系统工程师Ben Orchard说:“I/O机架上的大脑或I/O处理器处理大多数与信号相关的操作。”这些可以包括闭锁和高速计数，看门狗定时器，热电偶线性化和PID回路控制。这样控制器就可以自由地处理编程、通信、数学和其他功能。在I/O级别运行PID循环等任务也提供了容错功能;例如，如果与控制器失去通信，PID循环继续独立运行并保持设定值。”

智能网络

分布式智能只有在有可以协调一切的网络时才能发挥作用。虽然实际的控制功能可以分散，但分析和报告仍然需要集中。以太网在工业应用中的使用正在迅速增长，原因有很多，其中之一就是它支持分布式基础设施的能力。这意味着那些更倾向于企业系统和传统IT领域的网络提供商正在进入工业网络领域。

这并非没有问题，因为许多负责保持流程单元全天候运行的人认为IT管理员根本不理解这种可用性的要求有多严重。思科全球联盟经理保罗•泰勒(Paul Taylor)认为，工业用户没有意识到他们在这方面并非独一无二。他说:“我们发现，工业环境中的网络与其他地方的网络基本相同，但人们并不总是喜欢这样。”“每个人都喜欢认为自己所在的行业是不同的，但工厂网络的可用性与华尔街金融网络的可用性几乎相同。如果下跌几秒钟，会损失多少钱?”

他了解在一些企业中需求变化的程度。如果电子邮件系统瘫痪了5到10分钟，这在大多数公司都很常见，那可能就是这种感觉的来源。Taylor补充说:“我们看到的是，所有这些其他类型环境的可用性和网络设计可以很容易地转化为工业环境。在网络可靠性方面，他们的要求非常相似。”

复杂的安全

虽然过程控制系统已经变得更加分散，但安全系统本质上仍然是单一的，依赖于大型三冗余安全plc来控制功能。虽然避免单点故障是至关重要的，但一些公司已经意识到，用于控制的智能也可以应用于安全，而不会失去所需的功能分离。那些负责维护安全系统的人希望拥有与控制系统相关的一些相同的诊断功能。

许多公司都在谈论一些综合安全的概念，这似乎表明安全系统和基本过程控制系统在某种程度上是混合的。这不是它的工作方式，因为这个想法违反了安全系统应该能够完全独立于控制系统的基本原则。更准确的描述是，只要信息流是单向的，控制系统就可以使用来自安全系统的信息。

艾默生过程管理公司研发总监Mark Nixon表示:“我们在电子I/O方面所做的是，我们将I/O的‘智能’，甚至包括一些控制功能，进一步深入到该领域。“安全系统也发生了同样的事情。我们引入了一个在现场运行的控制器，它位于井口末端，带有安全CHARMs，可以进行监控和关闭控制。”

尼克松认为，真正的分布式智能是最近才出现的现象。现在的技术允许通过集成但高度分布的网络进行快速控制。将安全智能更多地转移到设备级别的结果与本文开头讨论的示例类似:安全功能不必依赖集中控制。靠近问题的传感器和执行器在必要时可以独立工作。

哪些仍然应该是中心化的?

虽然可以分散的功能的数量在增长，但仍有一些领域最好保持集中，或者至少它们应该看起来是集中的，即使它们不是。一些可能不应该分发的内容包括:

设备配置信息
补丁管理，以及
数据收集和历史学家。

从聚合中受益的一个领域是数据收集。对于大多数分析目的来说，信息越多越好，但这并不意味着它实际上必须在一个地方。

Jack Gregg是霍尼韦尔过程解决方案Experion产品营销总监，他说，将数据转化为信息是有效控制架构的关键要素。他解释道:“我们的历史学家驻留在服务器中，服务器代表一个集群和与之相关的特定数量的控制器。”“这些服务器集群被设计成一个大系统。它们相互通信的方式就是我们所说的分布式服务器体系结构(DSA)。比如说，我在一个单元中建立了一个点，我称之为“FIC-101”，我把它加载到控制器中的那个单元中。现在操作员正在使用它并对其进行趋势化，服务器正在对其进行历史化，为该集群生成警报，所有这些信息都进入一个服务器并呈现给操作员。现在，如果我坐在一个公司的办公室里，我想知道那个部门发生了什么，这都是透明的。服务器会出去找到我要的任何信息。我不一定知道它来自哪里，这也不重要。”

如果大公司开始从世界各地的多个工厂收集数据，这种部署的规模就会变得真正巨大。可以从生产单元收集总计数十万个标签的历史数据，但跨越多个站点的这种系统管理起来可能具有挑战性。英维思运营管理称这些星系为全局命名空间，并管理所有收集到的数据。根据项目的范围，这些可以覆盖较大的地理区域。

英维思应用服务器和系统平台产品经理Rob Kambach解释了它的工作原理:“当你用我们的系统创建一个项目时，你就创建了一个星系，它是你项目的存储库，在其中你可以拥有对象，这些自动化对象可以与设备对话。自动化对象可以有脚本、符号、安全性、历史化，以及基本上构建系统所需的任何东西。然后，自动化对象可以部署到可以是主机PC的平台上，可能有数百个这样的主机。您可能在一个工厂中有10个，在另一个工厂中有10个，以此来收集信息并将其显示在HMI上。它都有与InTouch通话的功能。我们看到的趋势是，人们想要的不是越来越大，而是更小的星系，这样他们就可以更容易地管理，但他们仍然希望能够与其他星系对话，安全地交换信息。”

Kambach说，拥有广泛资产的公司可以使用这样的系统来促进专业领域专业知识的集中。通过该系统，内部顾问可以从一个中心办公室为多个地点提供服务，最大限度地减少了在路上花费的时间。

不要忘记安全

当网络变得如此复杂时，用户最大的挑战和担忧之一就是安全问题。在这种情况下，这涉及到两个主要考虑因素:传统的网络安全(防止外部入侵者)，以及对谁可以在如此庞大的网络上到达哪里的内部监管。

控制控制流程的能力需要掌握在正确的人手中。正如霍尼韦尔的格雷格所说，“数据就在那里，你需要保护它，只让需要它的人可以使用。你肯定不希望有人在企业级调整设定值。对流程进行更改的级别和用户都是错误的。当管理人员进行计划和调度并想要改变流程的等级时，他们会向控制室的操作员发送指示，操作员将在那里进行更改，而不是由业务人员进行更改。他们设定目标，但是改变是在控制室执行的。您必须将信息锁定在流程控制系统中，并且只向需要它的人提供。不要将关键任务信息提供给不控制关键任务流程的人。”

在整个过程中普及智能设备也带来了网络安全挑战。许多plc、pac、I/O收集器等都有以太网访问，但不一定有很多内部网络安全保护。这意味着网络本身必须是主要的防线。IT网络管理员可以提供帮助，因为他们不得不以不同的形式处理相同的问题。

思科的泰勒说:“这和企业环境没有太大区别，在企业环境中，我们有自己的设备。”BYOD的意思是任何人都可以带着自己的iPad、iPhone、安卓设备或其他任何设备进入公司，并将其连接到公司的网络。它会起作用的。你可以在iPad上接收电子邮件，但这是你的iPad，你晚上要把它带回家。也许你的孩子会从网上下载游戏，诸如此类。当你开始用这种方法思考智能工业终端设备时，你会意识到安全必须由网络来完成，因为你不知道网络上连接了什么。你不知道那些设备去过哪里，也不知道它们装了什么。你必须保证网络的安全性。”

他说，工业网络的一个主要优势是，当你深入到设备层面时，网络流量应该是可预测的，在数据移动的本质上，以及什么与什么对话。如果一个摄像机开始发送电子邮件，你就知道有问题了。

成功的网络设计是创建适当的保护，而不是对理想的网络流量设置不必要的障碍的平衡。泰勒建议，“一个很好的例子是，如果你有笔记本电脑，你把它放在工厂的地板上，因为你需要重新编程PLC。当您将其连接到PLC的以太网交换机以访问它时，网络将允许您这样做。但如果你试图从办公室访问同一个PLC，它不会让你这么做，因为你插错了地方。这些就是我们在网络中所拥有的安全方面的类型。这种类型的安全策略可以应用于整个网络。当你拿着iPad走进来的时候，IT部门就是这么做的。你不能接触到所有的东西，但你可以接触到一些你需要保持高效和多产的东西。”

近年来，分布式智能的能力得到了极大的发展。如果应用得当，它们可以提高过程单元的性能，并提高决策信息的可用性。

相反的观点:现代单片控制的案例

有些公司认为分布式智能是朝着错误的方向迈出的一步。倍福自动化(Beckhoff Automation)的区域销售经理Joe Ottenhof认为，向分布式智能的转变本质上是一种防御策略，反映了用户对流程制造环境中典型网络性能的不满。他认为这种方法并不能解决根本问题。

他解释说:“现场设备如此智能化的原因是网络的带宽非常低。”“你无法及时从其他设备获得反馈。问题在于如何最大限度地提高整体效率和设施的整体性能。为了做到这一点，你需要对整个操作过程有一个集中的了解。大多数控制系统供应商拥有的限制因素是网络的速度和从这些现场设备流经网络的数据量。我们宁愿在现场使用哑巴传感器设备，这意味着这些设备只传达参数。为了将数百甚至数千台设备连接在一起，我们使用高带宽网络而不是低带宽网络，并通过简单但坚固的基础设施将所有设备连接到执行控制的中央处理单元。这是Beckhoff在离散应用中的模型。”

这种方法的机制可以工作，因为cpu的功率现在基本上是无限的，高速以太网网络(100 MB/秒)，如EtherCAT与简单的现场设备相结合，在大多数应用程序中允许亚毫秒的周期时间。Ottenhof承认这种方法并不适合所有人。这种策略对于炼油厂或大型化工厂来说并不实用，但在许多本质上更离散的工艺应用中，它可以很好地发挥作用。

一个关键的潜在概念是，Beckhoff看到了依赖硬件的问题。“当你有了集中控制，你就可以在软件中实现其他人在硬件中实现的东西，”奥滕霍夫说。“我们的方法是尽可能多地在软件中实现，并尽可能减少硬件。这个想法是，硬件很快就会过时，尤其是在计算方面。软件更容易维护，成本也更合理。”

彼得·韦兰德是一名内容经理控制工程。联络他的地址是pwelander@cfemedia.com．

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