虚拟化——新一代过程控制系统(DCS）的发展方向

Posted 2021-05-02 控制工程中文版

本文图片来源：霍尼韦尔

作者 | Jason Urso

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使用高度集成虚拟环境的过程控制系统，可以将软件和网络融合在一起，从而可以将控制应用程序与物理设备分离、控制器与物理I/O分离。这样可以降低成本，实现标准化并避免一些无用的工作。

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世界正在以前所未有的速度变化，过程控制技术通过精益项目执行原理、软件和网络对此做出响应，使控制应用程序与物理设备分离，控制器与物理输入/ 输出（I/O）分离。模块化设计允许多个控制器组成一个虚拟控制器。在互联的全球经济中，此类技术可帮助业务决策变得更敏捷、更准确。

工艺过程必须快速高效地执行。项目必须在预算内按时完成。工人必须根据可用的精确数据对变化环境做出可信的响应。技术必须促进成功，而不是阻碍成功。

很少有技术环境比工业控制系统（ICS）所需的技术环境复杂。这些环境必须包含关键功能、网络安全、冗余、高速网络和确定性操作等。这有助于客户以最高的可靠性，控制对安全至关重要的过程制造设施。

虽然在过程工业领域，过程控制系统已服务了30 多年，但是利用新技术的力量仍然还有很多改善收益的机会。通过从定制过渡到标准化，避免不必要的工作，过程制造行业仍有很多机会可以实现成本的降低。利用已安装的系统将数据转换为信息，并将信息转换为更精确的动作来持续改进操作。

这样，过程制造企业将有更多机会在更短时间内完成项目，同时还可以降低风险、提高产量、改善质量、提高运行的可靠性。数十年的工程实施以及与客户合作的经验，积累了大量的第一手资料：有关阻碍项目效率并限制客户实现和维持最佳运维的痛点。通过集成虚拟环境，帮助客户克服这些障碍，形成一种用于部署和运行工业控制系统的新方法。

通过对自动化项目应用精益执行方法，可以有效地实现自动化。这种策略通过整合通用I/O 设备、虚拟化、虚拟工程和自动化调试，消除了用于强制项目流按顺序进行的传统依赖关系。这样做将物理设计与功能设计分开，打破任务的依赖关系，同时使用标准化设计，并使工程设计能够从世界任何地方进行，从而显著降低风险和成本。

 降低复杂性的模块化设计 

新一代的控制系统技术，利用精益项目执行原理、软件和网络，从而可以将控制应用程序与物理设备分离、控制器与物理I/O 分离。这使控制系统的设计和实施时间更短、成本和风险更低，并且具有更简单的模块化构造。这改变了控制系统的维护方式，将服务器的日常管理转移到一个集中的数据中心，在那里专家和既定的协议可以降低网络安全风险，使工厂工程师能够更专注于控制系统的优化。

降低复杂性、将控制与物理平台分离并降低信息技术（IT）成本，从而可以消除阻碍简化项目操作的控制系统设计、实施和生命周期管理的障碍。

将I/O 转移到现场，可以使过程控制系统更接近生产装置。控制中心挤满了定制的系统机柜，以及大量的接线，几乎没有文件记录。将控制系统分配到更靠近过程设备的位置，可以以更小的空间、更少的电缆和工程时间，来节省更多的项目成本。

▎采用新一代控制系统的项目执行：霍尼韦尔Experion 过程知识系统（PKS）高度集成虚拟化环境（HIVE）， 使用精益项目执行原理，通过软件和网络将控制应用程序与物理设备分离，并将控制器与物理输入/ 输出（I/O）设备分离。模块化设计允许多个控制器组成一个虚拟控制器。

一些设施已经应用了远程I/O 策略以降低项目成本，但是还可以通过模块化等方式进一步优化。为受益于新代控制平台，请考虑高速以太网现场I/O 网络，它可以将控制器连接到安装在生产区域的通用I/O。此类通信应通过内置防火墙以及必要时通过加密技术增强网络安全性，同时还需提供技术以支持未来感测数据量不可避免的增加。

 新一代控制系统架构的优势 

采用新一代控制系统技术的架构具有如下优势：

01

通用I/O 的发现功能允许控制器访问任何网络I/O 模块和通道。传统的控制器与I/O 的通信方式要求控制器与I/O 机柜之间直接一对一的物理连接。联网后的I/O 可以消除大量调度和手动工作。系统设计工程师设计控制策略，并将其分配给控制器，控制器会找到与其相对应的I/O。这会减少项目工程计划和工程时间。

02

整合后的控制功能可提供简单的软件选项，并具有高速性能的冗余控制。作为过程控制器的子集，这些控制功能非常适合成套设备，并提供调节、顺序和逻辑控制。这样就不需要复杂的子系统集成。

03

通用无线热点为现场仪表提供有线或无线通信，并允许每个现场I/O 盒在需要时成为无线热点。这使得现场工作人员能够在调试和运行期间，通过实时访问控制系统数据来执行数字程序。

04

模块化调试可提供独立于控制系统调试现场I/O 机柜的能力。借助此功能，控制器可以在便携式计算机上运行，接入模块场的远程机柜，并执行一系列调试活动，就像连接到控制系统的其余部分一样。有了这种灵活性，跨区域模块化构建将变得简单。

这些组合功能提供了重要的工程技术，使项目可以在更短的时间内完成且风险更低。例如，消除了后期变更所带来的固有风险和返工，确保自动化不会成为关键路径的瓶颈。变更后如果添加新的I/O，可以扩展控制系统网络，而无需对控制系统进行复杂的变更。

在项目执行过程中，传统的控制工程需要精心计划，因为它是由严格的分层方法驱动的，该方法由控制器和I/O 之间的紧密相连的物理关系所定义。在工程实施后期，变更不可避免，需要对系统进行重新配置I/O 或控件，这样不仅效率低下，有时还需要重新返工，并带来一定的风险。

通过允许多个物理控制器显示为一个虚拟控制器，控制体系结构将成为一个控制器数据中心。在该数据中心中，过程控制可以在可用的控制器计算资源之间自动进行负载平衡。这样的架构带来的优势非常明显，特别是应对后期变更时更是如此。它可以避免将控制策略手动分配给特定控制器。

通过采用虚拟化技术消除多达80％的物理IT 节点数量来降低IT 成本。但是，即使付出了很大的努力，出于可靠性和损失范围的原因，大型IT 基础架构仍需保留在现场。使用虚拟化技术可降低生命周期成本，虚拟化可将虚拟机文件从非现场复制到现场。这种容错体系结构允许从中央操作中心或区域数据中心进行操作，它具有与关键过程控制相同的高可靠性。

关键概念： 

■ 精益项目执行有助于控制系统设计。

■ 高速以太网现场I /O 网络可实现更智能的设计和网络安全性。

思考一下： 

简化的控制设计将更快地带来收益。

- END -

本文来自于2020年04月刊《技术文章》栏目，原标题为：过程控制系统设计的转变

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