分布式控制变得离散

关键词 机控制 基于pc的控制 网络和通信 工业网络 以太网 边栏： 技术变革的禅宗

过程控制已经分发了相当一段时间了。事实上，这个概念是在TLA(三个字母的首字母缩写)“DCS”中永久存在的。“直到最近，离散控制还依赖于一种架构，该架构具有一个大型PLC和装满I/O模块的大型机架。横跨离散制造工厂的视图通常被大型集中控制框所阻碍，这些控制框包含PLC I/O机架、螺线管、电机控制设备、接线端子和许多电线。从机壳到机器的电线道包含12 - 16awg的大捆电线，每个从输入或输出点到现场设备，有时位于许多米远。

就在几年前，工程师和工厂管理人员意识到有必要降低运行这么多电线的成本，以及因错误地终止或错误地标记电线而导致的故障排除成本。此外，大型plc拥有所有所需的功能，如浮点运算、网络、实时时钟、PID和数据处理功能等，但成本和占地都很昂贵。小型plc方便、经济，但功能有限。在不确定哪种标准会“胜出”的情况下，工业网络正在发展。

三年来的差异是有点差异！市场上仍然存在不同的“现场总线”，但工程师通过许多安装获得了现场体验。用单个电缆替换一条大型电线，作为网络架构的主要福利。

小型和微型PLC设计者利用微处理器设计的进步和降低成本，以及软件的改进。今天的小型控制器通常包含了过去大型plc的所有软件和网络功能，但通常会添加更多的功能。例如，以前基于plc的运动控制对最先进的工程师来说是一个挑战，现在运动更容易集成到控制方案中。

模块化机器设计

Dave Gee，SteepleChase软件（Ann Arbor，Mich）的VP技术营销。看到了设计分布式控制的好处。他说，'也许是分布式控制最重要的好处是逻辑分区的问题。通过在独立PC之间分配机器的整体控制，机器开发人员能够构建模块化机器。根据所需功能，可以轻松插入和/或删除不同的操作。可以根据特定的工作顺序自动绕过或激活操作，或者如果需要不同的机器配置，则可以物理插入/删除。

Mike Rothwell, Advantech自动化公司辛辛那提产品部的经理，注意到分布式控制的两个架构和更多的好处。分布式架构有两种可能:一个带有远程分布式I/O模块或智能I/O设备和控制器的中央控制器。前者具有成本优势，而后者具有性能和冗余优势。一些好处包括降低布线成本，多个控制器可能产生冗余，以及在使用点的控制器易于维护。”

Chuck Ridgeway，Horner Electrical（Indianapolis，Ind.）的工程经理（Indianapolis，Ind。）传送带控制器OEM和Integrator，指出网络延迟可能是一个问题。使用分布式I / O点，所有I / O设备都在网络上创建潜在的高流量。通过分布式控制方案，I / O流量仅限于控制器到本地I / O，而网络仅处理控制器到控制器流量。他指出，Horner输送机项目揭示了可扩展性 - 输送系统和逻辑的益处。将新块代码添加到现有的模块化设计相对容易。

卡特勒-哈默/伊顿公司(Westerville, O.)的产品营销经理吉恩·马克林(Gene Mucklin)认为沟通是分布式控制的关键。在经济水平上将通信处理器整合到控制设备中，正在推动分布式控制。分布式控制消除了单点故障。由于通信被整合到电机控制中心等设备中，因此电机负载等处理数据可以进行通信。”

工业网络是一个关键

分布式控制有几种形式，但其中一个关键因素是网络。只有随着高速工业网络的发展，分布式架构才有了长足的进步。ControlNet、DeviceNet、FOUNDATION Fieldbus、Interbus和Profibus都是为工业用途设计的开放网络的例子，它们现在具有广泛的应用经验。这些网络提供了物理层规范，以及组件标识、诊断和简单的设置。(参见本期关于如何构建产业网络的文章。)

支持网络的I / O模块，传感器和执行器的增长一直是网络上增加的宝贵副产品。工程师不再需要感受到与一个控制厂商无利可图的合作伙伴关系。可以从多个供应商那里找到IP67额定I / O模块，以简单地插入网络，以进行扩展或更换。

该架构仍然可以留下一些，有点集中的控制器在系统中，但接线大大减少。一根电缆将控制器连接到传感器和执行器附近的远处I / O模块。

这些网络还提供广泛的诊断工具，使技术人员能够快速发现和修复问题。安装和维护节省的成本通常超过有时更高的初始材料成本。

西门子能源与自动化(Alpharetta, Ga.)全球营销经理Egon Hillerman指出，与网络上的I/O节点相连的智能头，如Profibus，比传统架构更容易编程。另一个好处是内置诊断，以帮助安装和维护故障排除。

例如，Hillerman先生指的是配送仓库的物料处理/分拣系统。一个智能传感器，在这个例子中是条形码扫描仪，读取传送带上的产品号码。决定在飞行中转移到不同的传送带为每个商店的建筑订单。由于该架构是每个分流器的标准架构，原始设备制造商可以构建和测试一个分流器，然后根据系统需要进行多次复制。

网络控制器

罗克韦尔自动化(Mayfield Heights, O.)微型plc业务的Kevin Colloton指出，小控制器的出现是网络架构的一个集成部分。在硬件方面，拥有坚实网络基础的工厂底层架构可以让任何控制器报告最新状态或控制数据。例如，与DeviceNet或ControlNet兼容的控制器被设计为作为控制孤岛或更大系统的集成组件进行操作。通过网络连接并与集中式HMI包一起使用的一系列小型或微控制器，为终端用户提供了一个低成本的解决方案，使生产最大化，并将工厂范围内故障的风险降至最低。

他补充说:“在离散制造中，分布式控制的最佳应用是更大的包装机、输送线，或任何涉及距离的应用。”“分布式控制允许你将控制器放置在靠近网络的设备附近，大大降低了布线成本，并提供了更大的灵活性。”

宾夕法尼亚州Phoenix Contact的Interbus集团主管马克•克内布希(Mark Knebusch)表示，“乌托邦”将是一个由编程环境处理向目标处理器分发代码的过程。用户为系统编写一个程序。换句话说，用户或程序员不需要为单个控制器编写程序。今天，最接近这一点的是控制供应商，他们为各种尺寸的控制器提供了通用的编辑和配置包。用户仍然必须知道单个处理器，但在线编程允许所有程序都在一个物理位置进行处理。”

美国国家仪器公司(Austin, Tex.)产品经理Shawn Liu也指出了软件在分布式控制环境中的力量。他说，考虑一下战场上的一系列储罐，每个储罐都由一台电脑远程控制。这些计算机使用控制程序来维持油箱的液位，并与本地计算机联网，监控每个油箱的状况。我们的软件增强了网络上的信息共享。用户可以改变个别坦克的设定值或监控实际水平从本地计算机。用户还可以设计一个系统，其中应用程序驻留在本地计算机上，部分控制代码在远程计算机上执行。重新设计系统的控制程序是在本地计算机上完成的，需要更少的时间和旅行。”

以太网构建势头

以太网作为一种工业现场总线已有多年的支持者。它是商业计算的标准主干，也是因特网的必要基础。由于它的市场如此之大，与规模小得多的工业市场相比，更多的开发资金被投入到新产品和技术进步上。施耐德电气(Schneider Electric)的自动化业务(马萨诸塞州北安多弗)多年来一直在推动一个基于以太网的“透明工厂”(Transparent Factory)。其思想是，从工厂到企业系统的公共网络基础设施可以轻松快速地查看所有生产信息。

批评者对该网络的假定不确定的令人担忧的是，给出了信息包在电线上的可能性，产生了信息丢失或腐败的机会。无论是灾难性的控制应用。

实时创新总裁Stan Schneider（RTI，Sunnyvale，加利福尼亚州），对这些批评者的回答，“我们写了一篇白皮书[可用www.rti.com.检查冲突对低级网络延迟的影响。这篇论文和其他许多论文表明，对碰撞的关注在很大程度上是没有根据的。随着快速、廉价的开关集线器的出现，甚至这种毫无根据的担忧也被消除了。

“但是，硬件不是真实的故事。TCP协议今天利用了很多网络。由于许多原因，TCP无法依赖于确定性。现在，注意力关注UDP，'施奈德先生建议。'UDP是标准'TCP / IP'堆栈的一部分，提供快速交付数据报数据包。它还使用一对多通信，例如多播。此外，我们已经实现了一个实时发布的订阅协议，以便简单地将数据包发送到预期的位置。

一组与RTI独立合作的公司成立了分布式自动化接口(IDA)。在新奥尔良的ISA/Expo 2000上宣布，这些公司已经加入了以太网和网络技术的市场和技术努力，以开发分布式智能架构。创始成员包括RTI，施耐德电气，AG- e(德国Lemgo)， Jetter(路德维希堡，德国和克利夫兰，O.)， Phoenix Contact(布隆伯格，德国和哈里斯堡，宾夕法尼亚州)，Sick AG(瓦尔德基希，德国和布卢明顿，明尼苏达州)，Kuka Robotics(奥格斯堡，德国和斯特林海茨，密歇根州)，Lenze(哈默尔恩，德国和费尔菲尔德，新泽西州)。

Richard Galera，Schneider Electrical的透明工厂团队负责人，Notes，'Schneider Electrics分享了在以太网顶部和互联网标准上定义了一系列服务的策略，以便在PLC和智能设备中分配控制。

RTI的施耐德先生分享了“第三代”控制(前两代是集中控制和网络控制)的影响。第三代分布式智能使基于组件的对象模型成为可能。使用这个模型，每个硬件设备都表示为一个单独的、定义良好的软件对象。对象包括定义它的资源和属性，以及在网络上控制、访问和使用它的方法。这种环境中的控制编程不需要知道每个资源的位置。例如，我们不需要记住内存位置‘N:1200’实际上是‘速度’，我们可以用直观的名称来引用资源，比如模拟值的‘当前速度’或数字点的‘轴位置’。

把它放在一起

通用电气发那科自动化(弗吉尼亚州夏洛茨维尔)高级技术副总裁吉姆•柏林建议，在构建分布式系统时，应考虑整个系统。他补充说:“它需要一整套小型到中型的控制器，与整个系统的应用需求相匹配。”这些控制器必须通过可靠、高速的局域网连接在一起，这样控制信息才能实时共享。最重要的是，您需要的软件允许您轻松地设置系统，并提供可视化工具来监视和描述正在发生的事情。整个系统必须能从核电站内或世界各地的任何地方进入。

Dave Quebebemann，欧姆龙电子（Schaumburg，Ill.）工业自动化营销经理，建议用户，“看整体系统布局和要求。确定所需的处理能力和I / O点总数。还要查看系统以确定您可以以逻辑方式聚合或整合I / O站或点的方式。看看需要哪种类型的系统更新时间，以便您知道所需的扫描时间或您需要系统更新的速度。确保现场总线网络，不同输入和输出设备之间的兼容性，以及主处理单元。

另一个要考虑的因素是将所有这一切整合到整个工厂，甚至是业务。Paul Ruland, PLC & I/O product manager at Automationdirect.com (Cumming, Ga.), notes, ‘Distributed control now often needs to include the ability to instantly connect to other Microsoft-based systems in the enterprise, providing an enabler for implementation of ‘e-manufacturing’ structure. This eliminates automation islands that often exist between process manufacturing and material handling and packaging lines.’

Lutze公司总裁Udo Lutze指出，从传感器到IT部门的信息流不仅要简单，而且不能影响控制性能。如果以分散的方式处理控制，点对点控制信息流量不会干扰机器控制。

机器控制在几年内可能会与今天有很大的不同，可能会有交互式传感器/执行器/计算机设计(Paul Saffo在侧边栏中讨论)。不管你是否同意这种情况很快就会发生，或者根本不会发生，你都可以根据这种分散控制的新能力重新审视整个机器和生产线的设计。

技术变革的禅宗

我认为该行业在基本和非线性变化的边缘上有望。整个世界即将对将传感器部署到设备的领域非常感兴趣，而不仅仅用于测试和仪器控制，而且除了许多其他事情之外。

让我一路走回基本面。想想整个技术部门。成功看起来像什么？它看起来像一个s曲线。例如，在上世纪的几乎每个单一的消费电子设备遵循S曲线，长扁平线，突然拐点向上尖叫，以便采用。

请任何人看看曲线并说出什么事。它们将立即关注该拐点，曲线突然开始弯曲的程度。他们会忽略左边的那个东西，平坦的地方。事实证明了解未来发生的事情的秘诀就是平坦的地方。

那个平点是有趣的失败时期。通往最终成功的道路是由连续的失败铺成的。这就是你的业务将会发生的事情，因为此时此刻，我们正处于几条曲线的尖端，这些曲线都围绕着传感器和效应器技术。正如经济学家约瑟夫•熊彼特(Joseph Schumpeter)所说，这是一个创造性毁灭的时刻。

事实证明，如果您回顾最近的信息革命历史，大约每10年一次新的基础技术到达，从根本上实现了企业家精神的景观。

廉价微处理器的出现迎来了20世纪80年代的加工十年。在这十年里，我们全神贯注地试图处理我们能得到的一切，文字，图像，数字，图表。这十年的典型代表是个人电脑。

未来十年由一个根本不同的技术 - 廉价激光塑造。这十年是由处理而定义的，而是通过访问来定义。在20世纪90年代，这些目的越来越多地定义，而不是由他们处理的东西，而是通过他们连接的东西。十年的象征是万维网。

这个十年是由另一项技术——传感器——塑造的。廉价的传感技术正引领我们走向一个新的方向。我认为未来10年交互作用会越来越多，因为不仅仅是传感器，还有效应器。

随着传感器和效果的开始部署，观察人类和机器的界面消失。界面世界将迅速留下我们，因为网络空间和物理世界将会走到一起。它已经彻底改变了过程控制。我认为大规模定制中缺失的作品是细粒传感器/效应器技术。而且它不仅要改变“如何”的制造业，它将改变制造规模。我们将看到一些制造流程，在论文业务中发表，其中占用块和块的造纸植物缩小到小型办公楼的大小。

所以革命是革命。出现了一场S曲线的风暴。一切都是为了抓住，一切都在助焊剂;有巨大的机会，有巨大的风险。它真的是创造性的破坏时代，挑战是，在创造性的破坏时代，下一个波浪就会非常努力。

Paul Saffo是未来研究所(旧金山，加州)的主任，该研究所是一家提供战略规划和预测的研究公司，在国家仪器的NIWeek 2000上。这篇课文是根据他的讲话改编的。