嵌入式系统,边缘计算

不断发展的控制系统是提高性能的关键

灵活的计算、上下文数据和模块化架构将改变控制系统的外观,提高工厂的整体性能,帮助降低退休的风险。

由肖恩·西姆斯 2021年2月18日
礼貌:爱默生

学习目标

  • 控制系统技术的改进可以使工厂的运行更快、更安全。
  • 由于Covid-19 Pandemase的最新工作场所更改已强制运营商使其控制系统更加灵活。
  • 边缘计算、数字孪生和计算能力的进步让控制系统做出更多决策。

组织投资于控制系统,希望控制系统能像预期的那样运行多年。然而,控制系统的变化速度正在加快,未来十年将带来巨大的发展。理解这些变化对于寻求确保最佳运营性能和控制系统投资回报的组织是至关重要的。

几十年来,控制系统受到物理硬件的约束:硬连线输入/输出(I / O)布局,连接的控制器和结构化架构,包括专用网络和服务器配置。现在,处理电力和传感的成本较低,网络和无线基础设施的演变和分布式架构(包括云)是解锁控制系统中的新机遇。此外,用于插头和生产的新出现标准,如先进的物理层(APL)和模块化封装(MTP)接口,将在未来十年内推动工厂设计和使用控制系统的方式发生重大变化。

即使时代和技术在不断变化,成功的公式仍然是一样的:选择一个可靠的,易于工程的控制系统,同时提供新的技术,以提高作业性能。

控制系统的灵活性降低了退休风险

在过去十年中,行业观看了专家人员达到退休,并采取了措施减轻这种丧失专业知识的影响。最近的Covid-19操作条件加剧了这一趋势,导致一些行业限制现场人员。

与此同时,丰富的新传感技术和高带宽传输选项具有比以往更多的数据收集的植物,而且希望从数据中提取更多值以推动业务性能和差异化。这包括更灵活的产品递送能力,优化质量和吞吐量一致性,并推动更高水平的操作安全和环境遵从性。

图1:关键控制系统数据在整个企业中都是可见的,使小型团队能够为多个地理位置上遥远的位置提供支持。礼貌:爱默生

图1:关键控制系统数据在整个企业中都是可见的,使小型团队能够为多个地理位置上遥远的位置提供支持。礼貌:爱默生

作为回应,许多组织将控制架构扩展到分布式地理基础设施,使小,集中专家团队提供支持在舰队(图1)。这些内部专家可以辅以专家从原始设备制造商(OEM)供应商发放安全访问相关方面的基础设施。

这种分布式架构的元素之一是云、私有、公共或混合。随着时间的推移,将架构的非核心控制组件转移到云上可以使组织更容易高效地运作和做出更好的决策。云用户通过与来自世界各地的专家交流,从数据中提取更多的价值,无论是在他们的企业还是在许多服务提供商。

此外,将数据集中到云提供了更低的生命周期成本和更少的维护,以及消除数据竖井的优势。

即使实际的核心控制没有从植物地板移动,转向集中操作将需要在控制系统策略中转换。该工具专家依靠系统配置,设备监控,报警管理,实时数据和事件历史学家,数字双胞胎,补丁管理系统等 - 是控制系统的所有元素。许多这些工具不会影响日常控制,但它们已与控制系统相关联,这些控制系统与工厂的物理位置相关联。前进,在云中托管这些组件会更有意义。

集中的数据和云架构也将使新技术在短时间内更容易部署。例如,在COVID-19大流行期间,许多组织使用云托管部署应用程序,实现单向、安全的移动访问控制系统数据(图2)。

由于社交距离的限制限制了工厂内人员的数量,组织通过定期监控系统的可靠性来维持业务连续性,即使关键贡献者不在工厂内。

通过使用基于云的工程能力,控制系统项目也能按时完成。同样的好处也可以用于其他人员配备意外有限的情况,例如在极端天气事件中,或在设施中出现所有人都在甲板上的问题。

图2:集中数据使组织更容易部署对控制系统数据的单向、安全的移动访问,使工厂人员能够在任何地方保持可见性。礼貌:爱默生

图2:集中数据使组织更容易部署对控制系统数据的单向、安全的移动访问,使工厂人员能够在任何地方保持可见性。礼貌:爱默生

增加的计算能力使更高级的控制成为可能

虽然将一些数据移到云端用于企业级的基于性能的分析是有意义的,但为了改善工厂车间的运营和控制,其他重要数据需要更接近现场设备和资产。具有高计算能力和边缘分析能力的控制集群将使这种转变成为可能。

这种类型的边缘计算灵活且适应性强,为操作的不同部分提供可变控制,使模块化制造能够使用plug-and- production技术。分布式控制系统继续利用边缘计算机和控制集群的组合来协调整个工厂的控制。

在控制集群中,计算能力库位于体系结构中的不同位置。工厂人员可以根据需要将控制分配到集群的任何部分。这为添加软件、执行升级或维护提供了灵活性。操作员和技术人员还可以将控制转移到集群的不同部分,同时在部分基础设施上工作,确保过程控制继续进行,即使工厂对控制理念或操作设计进行更改。

易于集成扩大了效率收益

成功的关键是找到能够采用新技术的平台,同时最大限度地减少集成和工程的费用。最先进的控制器可以作为独立控制器运行,并具有本地集成到更大的控制系统中的能力,使组织能够与流程和产品一起发展控制架构及其功能。

行业领导者也在通过新的自动配置技术减少模块化制造实现的工作量。MTP技术——由流程工业自动化技术用户协会(NAMUR)开发——利用现有技术构建接口,以制定的方式集成异构系统,简化了模块化系统的设计。

MTP标准化生产模块与控制系统之间的互操作性,允许植物混合和匹配组件。控制系统将继续在控制和优化这些不同,但更集成的模块化系统方面发挥重要作用,并利用这些集成效率标准是推动最佳结果的关键元素。

APL、先进控制和数字孪生提高了操作性能

控制系统历来被用于调节控制。近年来,趋势已经转变,为运营商提供核电站核心运营之外更大范围的控制范围。控制系统现在包含了大量的分析和决策支持,帮助运营商在更广泛的责任范围内做出更好的决策。

APL等技术为现场设备提供了具有成本效益的接口。APL通过以太网将I/O连接到现场设备,创建了一个更快的通信堆栈。此外,APL通过部署一个可以应用多种协议的标准物理层来协调物理层,从而在控制系统与现场设备的物理接口方面创建更多的一致性。

与传统数据相比,能够看到更广泛的数据子集需要技术支持,以帮助运营商、工程师和技术人员理解数据。一项有望在未来几年内得到广泛应用的关键技术是基于状态的控制(SBC)。

SBC将操作员发起的状态转换与自动控制逻辑组合,使运营商能够帮助处理在任何所需状态下实现最佳操作。使用SBC,自动化技术驱动基于当前运行状态的设备和单位。运营商仅作为流程管理员 - 在临时点提示时才能在此过程中进行干预。

SBC还通过捕捉用户可以利用的操作学科的形式捕获知识来最大化控制系统的投资。它提供了降低的培训成本,它通过以单位的安全状态的用途以及单位之间的沟通来优化对植物不安情景的响应来提高安全性和可操作性。

运营商将更多地关注流程的更大图像,监控关键过程指标并制定关键决策,以维护和提高性能,可用性和质量。数字双胞胎模拟等工具 - 植物环境的精确虚拟副本 - 将在帮助运营商在流程趋势错误的方式时发挥关键作用(图3)。

运营商们不需要做出决定,执行它,并希望这是正确的选择,而是在离线环境中使用模拟来测试关键决策。

例如,工厂中的操作人员可能会注意到一个过程参数正在向错误的方向发展。运营商使用数字孪生尝试一种新方案,却发现它太接近限行。为了避免这种情况,运营商转而使用数字孪生测试替代方案,并发现了一种安全地将工艺参数恢复到正常水平的方法。操作员无需在现场工艺和设备上进行任何测试,就能做出正确的决策。数字孪生将在本地和云端提供,并将成为大多数项目的标准部分。

图3:生命科学组织正以先进的技术(如数字孪生模拟)引领潮流,该技术可以让操作人员在虚拟环境中运行测试,以了解计划的更改在现实世界中实现之前将如何产生共鸣。礼貌:爱默生

图3:生命科学组织正以先进的技术(如数字孪生模拟)引领潮流,该技术可以让操作人员在虚拟环境中运行测试,以了解计划的更改在现实世界中实现之前将如何产生共鸣。礼貌:爱默生

实用价值仍然是优先考虑的

现代控制系统和云计算将提供集中和上下文化数据的方法,使小型技术人员能够覆盖更广泛的地理区域,同时提供优质的服务。为了从这些新的解决方案中获得最佳价值,组织需要预先设计并易于部署自动化平台,以帮助它们随着市场和业务条件的变化而发展。控制系统将永远是工厂操作背后的大脑,但对于接受即将到来的变化的组织来说,它也将成为跨企业的操作成功的推动者。

Sean Sims.副总统是干什么的爱默生的均平台。由Chris Vavra,Web Content Manager编辑,控制工程,CFE媒体和技术,cvavra@cfemedia.com

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关键词:控制系统,数字双胞胎,边缘计算

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Sean Sims.
作者简介:肖恩·西姆斯(Sean Sims)是艾默生DeltaV平台副总裁。在担任现任职务之前,Sean还担任亚太地区测量和分析业务以及生命周期和性能服务的副总裁。Sean拥有南非约翰内斯堡金山大学(University of the Witwatersrand)工程学士学位(冶金和材料科学)。在加入艾默生之前,Sean曾为艾默生在南部非洲的业务合作伙伴Alpret Control Specialists工作了10年。在此期间,他担任过各种职务,包括系统组技术经理、公司工程总监和公司系统总监。