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智能化分布式控制

智能化分布式控制 2011年12月04日 来源： 1975年Honeywell公司推出的TDC 2000分布式控制系统（DCS），令所有的同行企业措手不及。而即将推出的一种新型的控制系统，承诺将在硬件成本方面可节约数百万美元，只是现在昂贵价格的一部分，它便可提供一个最高级的控制和监控软件，并消除安全隐患，实现无人化管理的流程工厂操作。梦从这里开始 让我们从控制系统体系机构底部的“微型传感器”开始说起。这种微型传感器是一个价值$50的极小处理器，大约只有指甲盖大小(如图1所示)。它是由微型电池驱动的传感器，并通过无线以太网进行通讯，它有一种微型操作系统 — TinyOS，并有足够的内存和硬件能力来执行控制和监控任务。

图1：微型处理器

第一代的微型传感器是一个小的（大小是3x3 cm）电池驱动操作的计算机，它通过无线通信。它有一种微型操作系统（TinyOS），并且有足够的内存和硬件能力来执行控制和监控任务。第二代的微型传感器将是它尺寸的一半。 现在的技术可以在每个传感器和每个执行器中安置一个网络驱动的处理器。流程工厂中许许多多的微型传感器可形成一个像蜘蛛网似的网络，为信息的传递提供许多路径。这样的网络有多层冗余功能，因为如果单个的微型传感器出了故障，还有很多线路可以随时替换原先的线路来接通网络工作。 可以利用相似的装置。由美国伯克利加州大学和他的合作伙伴Crossbow公司和Intel公司一起提出的微型传感器是应用在传感器节点方面的术语。“微小节点”是另外一个例子，它是由美国马里兰州的Embedded Research Solutions公司提出的传感器/执行器的节点，一个比较专业的术语是“传感器节点”。 国家标准和技术协会（NIST）把所有的这些技术叫做“普遍计算”。为了简单一些，我们暂时把这些技术都称作微型传感器网络。无论将它们叫做什么，微型传感器最终总是在分布式的监控和控制中。 将一个传统的4～20mA的压力传送器的输出传送到你的DCS系统中，然后加载到ERP(企业资源计划)系统中需要花费多少？这个4～20mA的电流信号首先必须通过双绞线传输，通过一个危险的环境和原有安全性的障碍到达A/D转换器，然后信号被线性化、转换并进一步处理；否则就会被一个远程终端、PLC或是PC来处理，然后通过工厂网络传送到一个中央控制室。现在可以把信号标记、区分和XML描述匹配，并将它存储在工厂的历史数据库中。最后，由另一种软件将它和其他数据捆绑起来，并把它送至ERP系统。这样把一个传感器点连接到ERP系统，硬件和软件包括工程劳动力、架构、安装、电缆等等总的成本是多少？大致范围应该从$2500到差不多$10000。关键是微型传感器 如果有了传感器网络，你所需要的只是一个$50的微型传感器和一个A/D转换器。硬件成本：$100或更少些。如果销售商在工厂的发送器上嵌入一个微型芯片，那么成本大致增加了$5。那么，如果任何DCS或者ERP系统上的处理器想查看压力值，只需要调用传感器网络服务器的IP地址，应用一个传统的网络浏览器就可以进行读数。 美国国家仪器有限公司PXI总线标准的产品经理说：在微型传感器之后的概念不是唯一的，带无线连接或者无线调制解调器的计算机就是一个例子。他把它们比作根据传感器标准接口IEEE 1451.2定义的传感器电子数据表(TEDS)“智能传感器”。随着处理器成本的降低和尺寸的减小，智能传感器和微型传感器应用会增加。对过程控制应用来说，支持基于PC的技术是重要的。微型传感器不能代替所有的传感器，但是智能传感器将在应用中起重要作用。这样的一个概念几乎动摇了流程控制和自动化工业的基础，因为现在的控制系统体系结构，从底部的传感器到顶部的ERP系统都依靠硬件连接(图2所示)。而微型传感器、传感器网络使利用便宜的无线设备取代现有的硬件连接体系结构（比如现场总线、专用网络、冗余网络、固有的安全硬件、电缆、管道、I/O板、数据采集硬件等）成为可能（图3）。

图2：现在的控制系统体系结构，从底部的传感器到顶部的ERP系统都依靠硬件连接。

图3：未来的控制系统

目前，我们只是在实验室、研究设施、半导体制造工厂和轮船中听说了职能性的微型传感器系统。现在就推广应用这个技术还不十分成熟，虽然很容易的购买到必须的硬件，但是需要更好的进行硬件和软件的集成。一些自动化公司已经将分布式智能方案纳入计划中，Rockwell公司分布式I/O部门的战略市场经理说 ：Rockwell自动化正在致力于宣传控制能力的技术，它和用户应用要求的体系结构一样低。在将来的2到3年里，在一个兼容PC上运行多个应用的逻辑阶段有可能是到控制器机架的移植。附加的功能将移植设备自己。不管用何种方法，这将要求更简单系统管理工具的开发，以提高这些解决方案的耐用性、易管理性和维护性。 Invensys过程系统公司的顾问工程师说：例如开放标准的ZigBee、802.15.4委员会、无线工业网络联盟(WINA)等标准组织都在致力于让无线标准和产品更适合工业应用。Invensys公司也涉及了标准团体，以及WINA，帮助促进无线解决方案的认可。 施耐德电气公司的市场拓展经理说 ：无线传感器网络是一个伟大的概念，特别是对那些独立的现场测量和实时设备。无线传感器网络是一个动态网络的概念，应用嵌入式的射频RF技术和智能技术来完成传感器之间的相互信息交换。附加的网状网络也帮助创建一个自己重新装配的网络拓扑。这种类型技术的最好的工业应用是冗余，它可以确保可靠性，并在采取一个控制行动之前复查以前主控制器的应用信息。但就应用软件、网络、安全性等方面来说，有无数的问题需要解决，这就是为什么无线传感器网络要过几年才能推出。 走向何处？ 无线传感器网络、无线设备、现场总线、智能传感器、智能阀及其他智能设备，给业界提出了以下问题 ：我们能走到何处？我们能将分布式控制发展到什么程度？技术能够允许我们在每个传感器和执行器上放置一个便宜的处理器，而且使他们能够互换信息。但是我们现在可以用硬件连接的网络来实现，而不需要无线传感器网络。 到目前为止，当分布式智能出错时，有两个比较棘手的问题： ■ 如何让来自不同销售商的设备之间进行信息交换？ ■ 主管是谁？ 在现场层妨碍数字控制广泛应用的最大问题是可交换性。真正有效的网络需要的是独立于供应商的能够互换信息的网络，不管由谁制造的设备都能交换信息。随着更多智能设备的现场应用，立刻出现的挑战是发现一个记录来捕获这个智能设备的方法，并把它以一个便于使用的格式从设备传送给用户。从多个销售商的智能设备有效应用看，现在的标准还不够一致。许多用户对利用更多的现场智能设备有兴趣，但他们需要以一个便于使用和可以理解的格式及方法来取回这个信息。 即使信息很容易获取，那么由谁做决定？问题不是在哪里执行控制，而是应怎样和在哪里管理这个信息以及如何与现场的控制相结合。操作员如何和在哪里改变一个设定点？ 有业界人士表示：分布式控制最显著的缺点是缺少准确的集成软件工具，以及缺少处理方案评估方法和做出决定过程方法。在过去的3～4年的趋势显示，现场总线的采用一直是增加的，但在现场实时流程里控制器的采用一直相对比较少。 使高级控制变为可能 从分布式设备得到所有正确的数据，无线微型传感器网络和传感器网络做了什么？它们在所有的现场总线节点设置旁路、数据潜伏问题和销售商不相容的问题。如果控制器需要一个特别的传感器输入数据，它只要请求传感器即可。传感器网络可能是高级控制的关键。 将来的趋势是多变量控制。不单是处理一个简单的过程回路，将来的控制系统将开发控制模型，认为每件事情是在一个工厂进行的，以许多联锁的和相互依赖的变量为基础做出控制决定。 对基本控制比如简单的PID、串级PID、前馈和比率，分散式控制是最合适的。虽然从理论上来说，用现场仪表做非常复杂的回路是可能的，但如果串联太多的块连锁，控制周期将变得太长。任何需要高度协调的复杂流程，比如批量控制和连续处理机组，它们将仍然受益于集中控制。可以肯定的说：批量控制系统、连续控制和各种类型的高级控制最有可能需要一些中央系统来统揽全局。然而，这并不排除分布式控制、微型传感器和传感器网络的应用。如果控制器需要从许多地方获得数据，为什么不通过一个智能传感器网络来实现呢？ 让IT系统大放异彩 很明显，所有的控制系统都需要一个中央管理系统来发布维护命令，建议操作员需要做的事情是：调整回路、采集数据、准备报表、执行高级优化算法、保持过程历史数据、处理ERP软件。 但是下面还有难以料到的 ：准备工作和IT任务系统不肯定是在石油加工厂。他们可能正好分布在距离计算机中心6000英里的地方。 让我们面对现实：在工厂里，你需要的最好的实时控制是在第0层、第1层、第2层的系统(如图3所示)，可以在这些层直接控制设备，但是没必要做策略性或商务性的决策。任何控制作用都可能有几秒的延迟，比如一个储油罐的泵作用产品，没必要在你的工厂里由一个数百万美元的DCS系统来启动。泵作用产品的命令可能正好来自服务器上的一批控制管理系统。 在将来，几乎所有的网络和硬件设备都在第0层、第1层、第2层，比如I/O接线板、现场总线和设备网络，将由一个无线传感器网络替代。只在工厂里保留实时的控制功能。第3层和第4层的软件属于一个安全的数据中心或远处的服务器站，并通过一个安全的企业内部互联网和实时工厂系统通信。 在一个服务器上安装上IT软件，你将不必支付数百万美元去购买高级控制、过程历史数据、维修管理、趋势图、自适应控制、建模过程和ERP软件。由于以太网和客户/服务器技术的发展，将可以让用户租用这些软件，而仅仅支付你实际租用的容量，这样可以节省70%的成本。下面描述它是如何工作的。 ■ IT软件包在安全数据中心的服务器上作为主机软件，它的位置靠近一个可靠的电源和高速光纤。数据中心可能在你的公司总部，比如销售商Emerson，或者在一个流程控制中心，它可能覆盖多个销售商的企业内软件，比如Honeywell、OSIsoft、SAP、ExperTune等等。 ■ 数据中心有自己的处理器，或者你还可以访问销售商的服务器硬件。 ■ 可以用几种冗余的方法将工厂连接到数据中心：比如通过一个专线高速以太网、商业的以太网、或者电话拨号服务。 通过一个中心设备在工厂采集传感器网络的数据，该中心设备与相距很远的数据中心通信。集线器设备应用密码报文和数据中心数据交换。返回到工厂的命令和设定点变化也能被加密。 这种方案的优点包括：租借而不是购买，免除了每年升级软件费用和维修费用，不必担忧电脑黑客或者系统安全性，具有高速的网络操作和很好的可靠性和冗余功能。 (end)

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