网络化、面向未来控制的系统挑战

整个价值链上的传感器将监控端到端操作的实时状态，以优化灵活的过程控制，汽车装配中的定位系统将创建过程可见性和虚拟设备控制。这被认为是革命性的，因为远离单个过程的数据源可能会影响实时控制，但它在另一种意义上也是革命性的:这些分布式传感器和控制网络代表了工业控制的“it化”，与过去几十年面向硬件、嵌入式软件的现实有很大不同。

在这一未来愿景中，集中式决策引擎将从分布式传感器网络收集和吸收数据，进而将决策传播到工业控制系统。在这个以it为中心的世界里，维护所有的性能、可靠性和可伸缩性将是至关重要的，而本地化控件使这些性能、可靠性和可伸缩性变得如此简单。仅仅开发传感器和虚拟控制是不够的——这是比较容易的部分。困难的部分是使它们在恶劣的环境中以比59更好的可靠性运行，并采取所有的安全措施，使它们成为真正的生产关键系统。汽车装配中采用的一项技术很好地说明了这一挑战，以及工业4.0技术提供商面临的艰难道路:定位系统作为一种获取装配过程可见性的方式，也可以创建虚拟设备控制，正变得越来越受欢迎。

产品复杂性挑战装配

传统的移动装配线将一组过程分配给固定长度和持续时间的工作站。每组流程都必须在分配给它的工作站内完成，因此必须在固定的流程时间内完成——即“takt”时间。出于质量原因，要非常小心地确保正确的工具在正确的工作站上对正确的产品执行正确的过程。这通常是通过刚性的机械手段来实现的:固定扫描仪识别产品，限位开关启用和禁用工具，工具可能被物理地绑定到特定的工作站。整个结构是经过验证的，有效的，被广泛采用的，并且完全被打破了。

1913年，亨利·福特(Henry Ford)发明了现代装配线，工序可以严格控制:当流水线组装相同的黑色T型福特汽车时，不需要任何灵活性。多年来，工程师们创造了非常优雅的流程，允许在生产线上组装的每辆汽车都有一些变化，让消费者可以从许多选项包中进行选择，而不违反组装过程的固定节拍时间原则。

今天，消费者要求高度个性化，要求完全自由地选择任何组合的选项;与此同时，制造商努力通过在更少的工厂生产更多的汽车来控制成本。其结果是，现代装配线必须管理一种车型的数万亿种潜在变体，还必须进行配置，以同时生产多种不同的车型。

生产线上的每辆车都是不同的，这种高度的可变性要求流程控制方式具有高度的灵活性。固定工作站正在成为过去。

虚拟化的灵活性

质量是最重要的，因为需要确保正确的工具在正确的产品上执行正确的过程。然而，定位系统可以跟踪工具和产品的相对位置，并创建虚拟工作站来控制设备，而不是将所有东西都限制在一个严格的工作站上。与当汽车驱动工作站两端的限位开关时启用和禁用工具相反，定位系统可以创建一个虚拟区域，当汽车确定进入和退出区域时触发工具。

这个过程在概念上很简单，就像使用全球定位系统(GPS)的地理围栏一样，但影响深远。通过虚拟化关键设备的控制，定位系统引入了完全的灵活性。制造商可以实时调整工作站以适应工作中的产品需求:不同型号的Takt时间可能不同;工人可能会暂时获得更多的加工时间，以避免生产线中断;而且流程可能会重叠或跨越多个传统工作站。

这是对工业4.0力量的一瞥，也是对如何创建分布式实时控制系统的重要提醒。创建一个生产关键型系统需要什么?

复杂的挑战

我们很容易认为简单的概念需要简单的实现。主要的工作区域组件是跟踪系统，大多数人可以使用主动射频识别(RFID)组件和某种消息传递接口与设备交谈。

让一个在实验室工作良好的跟踪系统，并在工业环境中创造5个9的可靠性，这是一个不小的壮举。精心平衡的过滤有助于拒绝异常值，同时保持敏捷性能，只能随着运行时间的推移而优化，尽管这只是创建必要的可靠性的开始。必须在过滤算法中加入额外的智能，以应对高度移动、复杂环境中独特的RFID传播挑战。

根据时间和经验，跟踪系统可以针对特定环境进行优化，并在小型部署(如一个工作站)中以足够的可靠性运行。下一个挑战是实现足够的可伸缩性，以便在不影响性能的情况下同时管理数百个进程。这不仅仅是应用足够的处理能力来处理计算任务，而是管理由大量RFID标签带来的额外跟踪挑战。分层应用的智能滤波最终可以产生一个可扩展的、健壮的跟踪系统，满足工业传感器的要求。

连接设备是控制的前提。我想到了一句格言:标准的伟大之处在于有太多的标准可供选择!当进入装配线控制领域时，naïve认为实现一个或两个可用的标准将创建可部署的交钥匙解决方案结果。

接口协议实现就像设备控制策略一样是断裂和多样化的。控制系统当然必须具有与可编程逻辑控制器(plc)(通常是过时的)和各种制造执行系统(MES)接口的能力。

MES是编排工厂操作的软件，其中许多操作是由每个制造商定制或内部开发的。工业控制接口策略是清晰的-灵活性是关键，具有快速配置连接许多独特接口的能力。

获得正确的架构

在设计的这一点上，我们有一个传感系统和一个设备/MES接口，但是连接这两者的逻辑应该驻留在哪里?

在制造设施中有两种选择:车间管理的线侧计算设备或由IT管理的集中式服务器。在汽车装配厂，很少能在车间看到任何实质性的计算能力。plc和工具控制器运行嵌入式代码，每个工作站可能包含一个瘦MES客户端，用于对工人进行指令，但大多数计算活动管理进程托管在一个安全的、高运行时间的服务器设施中，由IT管理，远离恶劣的生产线侧环境。

这是大多数制造商选择的配置。与MES一样，管理来自分布在整个生产线上的传感器的输入和控制沿线设备的任何软件都必须包含在生产关键型IT服务器环境中。这为支持位置的工作空间灵活性系统增加了另一层挑战:它必须支持服务器虚拟化和集群;它必须在广泛的操作系统上运行;它必须支持硬件(镜像磁盘等)或软件(热备份服务器)的冗余;它必须具备在不到一个产品周期(通常小于60秒)内从故障中恢复的能力。

除此之外，系统必须提供管理工具来主动警告系统错误，为IT经理提供可见性，并为故障排除创建日志和分析。一个控制系统如果不能得到充分的管理，就不是一个系统。

工业控制系统的最终要求是控制必须以低延迟操作，以免产生过程问题。重要的是要记住，被控制的工具是由人操作的，对于不受延迟影响的手动任务，任何驱动延迟必须保持在0.5秒以内。

许多挑战可能会打破这个阈值:需要很长时间才能收敛的过滤器、计算密集型的智能异常值拒绝、返回主机服务器的网络延迟、控制逻辑上的计算延迟、高延迟的第三方接口等等。如果没有对延迟进行优化，这些工作就毫无意义。如果系统导致设备驱动延迟，那么系统很快就会因为引入的问题比解决的问题多而被拒绝。

关注未来

这里描述的位置支持控制系统代表了许多监控和控制功能从离散线侧设备迁移到网络智能的例子之一。随着监视和控制规模的增加，控制功能正在从嵌入式代码迁移到服务器托管系统。

在制造商为未来采用完整的工业4.0愿景(未来的端到端可见和网络控制系统)做准备之际，这一点尤其如此。随着规模的增加和控制逻辑的迁移远离应用点，控制工程师面临着规模和可靠性的新挑战。仅仅创建传感和控制的孤岛已经不够了:必须采用对生产至关重要的、管理大量低延迟控制的分布式It系统。展望未来，控制系统的评估必须不是基于它们在小型孤立试验中的表现，而是基于它们如何在实际生产部署中扩展到非常大的系统。

——Adrian Jennings是Ubisense公司负责制造业战略的副总裁。由主编埃里克·艾斯勒编辑，石油与天然气工程，eeissler@cfemedia.com．

关键概念

• 控件必须以低延迟操作，以免产生进程问题。
• 克服的每一个挑战都必须针对延迟进行高度优化，否则所有的工作都是徒劳的。
• 规模增加，控制逻辑从应用点进一步迁移。

考虑一下这个

可伸缩性和定制是装配线的核心。

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