物联网中的分布式控制创造了控制工程资源

正如上个月所讨论的那样，制造企业将需要解决即将到来的物联网(IoT)的支持问题，物联网还将提供新一代自动化系统，这些系统将具有无与伦比的能力和可扩展性。当一个系统由数千个智能设备组成时，有很多空闲的CPU周期可用于控制系统应用程序，所有这些设备都使用基于IP以太网的通信协议进行通信。由于半导体电子遵循摩尔定律，成本降低，功能增加，即使是小节点也将拥有额外的内存和计算能力。这种额外的内存和计算能力可以有效地应用于分布式控制策略。虽然每个节点可能只有少量的备用容量，但当采用分布式控制策略时，每个节点只需要少量的备用容量。最小的连接设备可以是一个简单的传感器、电机或执行器。从本质上讲，工业物联网中的每个连接设备都是一个具有高速以太网接口的单个I/O点控制器，其作用类似于控制系统背板。

分布式控制优势

自动化系统具有多种分布式控制模型，包括IEC 61158-2中定义的现场总线基金会分布式控制模型，IEC 61804-2功能块模型，ISA 88控制模块和设备模块模型，以及紧急ISA 106标准的过程自动化模型。功能块、控制模块和设备模块可以分布到设备上，每个模块都暴露特定的功能，接受特定的命令和参数。这些模型还定义了控制策略的层次结构，其中高级策略与低级基本控制协同工作。自动化系统的模块化方法，连接设备不断增长的功能以及网络速度的提高是真正分布式控制的完美风暴。在自动化行业，我们很幸运，因为我们不需要发明任何东西来利用即将到来的工业物联网;我们所要做的就是把所有的碎片组合成一个系统。

即使在今天，DCS(分布式控制系统)也不是真正的分布式。它仍然是一个拥有I/O点集合的盒子。较新的DCS系统在一定程度上打破了I/O由一个控制器独占的规则，但是只要您需要扩展I/O，您仍然需要添加昂贵的控制器盒。随着新的传感器和执行器的加入，一个真正的分布式控制系统的能力会逐渐增强。

这种自动化功能不仅适用于制造应用;物联网将成为楼宇自动化系统、安全系统、船舶控制系统、公用事业控制系统和多种其他控制应用的一部分。目前正在建设的一个新办公园区在楼宇自动化系统中拥有超过50万台联网设备。这些设备包括灯开关、光传感器、门传感器、消防控制、灌溉控制、暖通空调、停车位传感器和安全传感器。

雾计算

思科将低级计算集合的概念称为“雾计算”，这表明计算不是在云端，而是更接近地面。在雾计算模型中，执行系统使用交换机和路由器中可用的空闲周期，这些低级系统执行实时、可操作的分析、处理和过滤数据等功能，然后将这些功能推送到云。在真正的分布式自动化控制系统中，所有的计算能力都更接近地面，可以称为“地面级计算”，其中每个I/O点都具有计算能力，可以参与真正的分布式控制环境。

一个真正的分布式控制系统可能有“只执行”节点，对于那些不能有效分布的控制策略，如多变量控制、模型预测控制或大规模非线性优化策略，这些节点没有I/O。HMI系统可以是“仅显示”节点，提供监视和操作员控制能力，但它们不参与控制策略的执行，因此它们也成为一种易于扩展的能力。专门的节点可以用于振动传感器和视觉系统的高速信号分析。

跨设备分布

当每个设备都有足够的内存时，可能是一个GByte或更多，每个设备都可以容纳所有的控制策略程序，只执行策略的一部分。当设备被替换时，这些信息可以被使用，通过允许新设备发现它是谁，以及它应该通过与本地段中的邻居交谈来执行控制策略的哪一部分。在真正的分布式控制系统中，每个节点都包含在设备故障情况下重新初始化新节点和执行备份策略所需的所有规则，本质上提供了类似全息的冗余和备份模型。

如果您想参与这个新功能，确保您的基础设施和培训准备就绪是很重要的。单个I/O点控制器可以位于设备、远程仪器外壳、接线盒或终端室中。机箱中设备之间的连接可能是有线的，但使用ISA100标准的无线网络可以显著降低布线成本，并简化添加新设备的过程。如果使用有线连接，那么每个机箱将有一个以太网交换机。这些应该是管理交换机，有规则确保没有节点可以“喋喋不休”和垄断通信通道。分布式控制策略还定义了节点之间的通信路径，这些路径可以加载到交换机中，以确保控制网络只允许经过授权的流量。确保基础设施设置为支持无处不在的100 MB有线网络，并且有电源或以太网电源可用于单点控制器。

为分布式控制做好准备

随着自动化供应商发布基于单点控制器的新系统，确保您的工程师接受过IEC 61804-2功能模块模型和ISA88控制模块和设备模块模型的培训。这些模型将允许您利用使用单点控制器的真正分布式控制的能力。

- Dennis Brandl，北卡罗莱纳州卡里BR&L咨询公司总裁，网址:www.brlconsulting.com。他的公司专注于制造IT。编辑:马克T.霍斯克，内容经理，CFE媒体，控制工程, mhoske@cfemedia.com。

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