由Frost 和 Sullivan’s 工業(yè)自動(dòng)化實(shí)踐提供

    摘要

    文章主要介紹了叢集(CLUSTERING)的概念及主要功能優(yōu)勢。通過(guò)群集，能夠達到降低許多生產(chǎn)過(guò)程場(chǎng)合因硬件多重冗余而導致的高成本，而始終能夠確保服務(wù)器的可用性。合并站點(diǎn)時(shí)，在不影響關(guān)閉系統功能的情況下，群集方法會(huì )減少中央控制室的成本和人力。此外，群集還可以用來(lái)將站點(diǎn)拆分成更小的子類(lèi)以增加系統整體容量或者分散系統的負載。

    背景

    本白皮書(shū)是Citect 委托，以介紹和闡述過(guò)程控制的群集概念和自動(dòng)化選擇為目的。

    本白皮書(shū)由Frost & Sullivan 的工業(yè)自動(dòng)化實(shí)踐的分析家纂寫(xiě)。

    Frost & Sullivan成立于1961年，是一家全球化迅速發(fā)展的咨詢(xún)公司。通過(guò)它的幫助，全球共有1000多家公司和新興企業(yè)達到并超過(guò)它們預期的增長(cháng)目標。Frost & Sullivan目前在全球設有31個(gè)辦事處，擁有員工1500余名。Frost & Sullivan工業(yè)自動(dòng)化服務(wù)領(lǐng)域有MES，PLCs, SCADA, 公共汽車(chē)及以太網(wǎng)，資產(chǎn)管理，資產(chǎn)最優(yōu)化，SC過(guò)程和制造系統的監視和市場(chǎng)追蹤技術(shù)。

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    關(guān)于Citect

    Citect是世界領(lǐng)先的提供工業(yè)自動(dòng)化系統、實(shí)時(shí)智能、建筑自動(dòng)化體系、新一代 MES和基準應用型軟件的供應商。以開(kāi)放的工業(yè)技術(shù)為杠桿，旗下的產(chǎn)品如CitectHMI/SCADA, Ampla, Nexa and Meta可鏈接多種工廠(chǎng)商務(wù)系統。Citect的產(chǎn)品已經(jīng)在超過(guò)80個(gè)國家中進(jìn)行了安裝，并且在眾多工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應用執行，其中包括：采礦、冶金、食品和飲料、制造、工具生產(chǎn)、排水給水、天然氣管道、能源分配以及制藥行業(yè)。

    總部位于澳大利亞的悉尼，并在大洋洲，東南亞，中國，日本，南北美洲，歐洲，非洲和中東等地區和國家設有代表處。

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    本白皮書(shū)通過(guò)Citect的委托提供。

    Frost & Sullivan對于Citect提供給我們信息的紕漏不負任何責任。

    本報告完成于2007年2月

    集中化和本地化的矛盾
    --由叢集來(lái)調和

    長(cháng)期困擾大多數程序操作的高級管理問(wèn)題如下：
 
    ■ 如何在集中化和本地化之間找到平衡？

    ■ 如何在不增加網(wǎng)絡(luò )的風(fēng)險和損失系統本地化功能的前提下使集中操作最優(yōu)化？

    ■ 如何既能減少冗余的硬件成本又能最有效的平衡控制系統？

    集中化：統一監測和控制

    IT全局畫(huà)面顯示有各種各樣的好處。很多公司都了解這點(diǎn)，因此會(huì )在程序數據集合方面進(jìn)行高額投資以整理一個(gè)統一的指示器展示系統運行狀態(tài)，擯棄了系統不規則的缺點(diǎn)，增加了跨系統操作的透明度并可以對各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全盤(pán)清晰的分析。

    但是，當高度依賴(lài)網(wǎng)絡(luò )鏈接時(shí)，過(guò)于集中化會(huì )導致風(fēng)險增加。 同時(shí)，實(shí)施集中化監控常常與本地化監控之間也常需要有個(gè)取舍關(guān)系。

    本地化：關(guān)閉程序的監視和控制

    在典型的系統操作中，就地監測具有集中監控的所無(wú)法達到的好處，如直觀(guān)的分毫不差的過(guò)程視圖、分析和控制。它可減少意外操作的反應時(shí)間，使高級管理層放心。

    但如果企業(yè)在它的程序控制和自動(dòng)化方案中采用過(guò)度本地化的解決方案（例如，每個(gè)網(wǎng)站上的本地化獨立網(wǎng)絡(luò )系統），那么這個(gè)結構將會(huì )產(chǎn)生很多不是很明顯的后果：并給所有的數據都能被中央數據庫反饋。另外，每個(gè)起到“控制島”功能的本地化系統，都承受與其他站點(diǎn)不同步的風(fēng)險。

    最重要的是，這樣的系統在安置職員，維護和升級時(shí)需要投入很高的成本。有時(shí)，這種過(guò)度本地化給硬件帶來(lái)的高成本意味著(zhù)不是所有的本地系統都會(huì )配置這種服務(wù)器。為了削減這方面的成本，有些企業(yè)努力在尋求不同程度的本地化的同時(shí)甚至可能對所有的現場(chǎng)站點(diǎn)都不配置冗余的服務(wù)器，這樣大大降低了這些站點(diǎn)的可靠性。

    過(guò)度本地化會(huì )增加復雜性和運營(yíng)成本卻無(wú)助于提高操作的效率。過(guò)度集中化則有可能就現實(shí)性而言可能太簡(jiǎn)化了。
那么，這些明顯的矛盾能夠協(xié)調起來(lái)嗎？

    一些企業(yè)通過(guò)咨詢(xún)專(zhuān)業(yè)的服務(wù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。大量的編程工作來(lái)連接各個(gè)系統或項目。在多數情況下， 那些企業(yè)能夠達到連接系統或項目的目的，但卻沒(méi)能顯現這種整合的優(yōu)勢。更糟糕的是，有的企業(yè)可能投入了相當多的工程師資源將獨立的項目結合起來(lái)，結果卻創(chuàng )造一個(gè)平行的集中化項目。這樣未必會(huì )得到真正叢集的好處。

    兩個(gè)世界的最佳結合點(diǎn)：叢集

    要解釋這個(gè)概念，首先要認識到不是所有的程序,就操作速度和危險度而言,都需要充分的本地化和專(zhuān)用的控制系統的。例如，一個(gè)水系統的利用可能是24/365全天候運轉，但是很明顯它的遠程站完全不需要安排員工到各站點(diǎn)進(jìn)行全天候職守。類(lèi)似的，一個(gè)油氣天然氣設施可能跨越好幾個(gè)地方，但也并不需要在每個(gè)遠程局域站都設置控制室。

    理解這一點(diǎn)的企業(yè)就能發(fā)現并利用這個(gè)的機會(huì )，的確可以節省大量的開(kāi)支且提高運營(yíng)效率。例如，美國的一個(gè)燃氣輸
送公司曾經(jīng)一度需要在每個(gè)20+的壓縮機站設有24小時(shí)監控。通過(guò)安裝Citect提供的自動(dòng)化方案SCADA系統，這個(gè)公司取消了在每個(gè)小壓縮機站的全時(shí)職員安置，在大部分的其他站點(diǎn)減少了員工而是實(shí)行單班維護?，F在，只有中央操作中心運行24/365全天候員工職守。每年可節省500萬(wàn)美元的操作費用。

    如上所述，這些好處都是相當可觀(guān)的。但是縮減遠程站點(diǎn)的職守員工，降低遠程站點(diǎn)硬件的維護和升級費用并不會(huì )導致本地化的好處受損。

    叢集使魚(yú)和熊掌可以兼得。

    什么是叢集?

    從集并不是大規模的集合。簡(jiǎn)單的說(shuō)，從集就是過(guò)程元素的分類(lèi)或組織，同一分組內的過(guò)程元素關(guān)聯(lián)性很強，而不同分組之間的過(guò)程元素關(guān)聯(lián)性很弱。

    在程序控制中，從集是將多個(gè)SCADA系統結合起來(lái)以提供一個(gè)統一的操作界面?？梢苑譃榫瘓蠼M織，趨勢分析，報表和I/O變量標簽以致于使曾經(jīng)需要被多個(gè)操作員監視的系統如今可以由一個(gè)操作員進(jìn)行跨系統瀏覽和監控。叢集是通過(guò)基于過(guò)程而不是基于機器來(lái)達到這一點(diǎn)的。

    可以用簡(jiǎn)單的組態(tài)例子來(lái)幫助說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。在情節A中，實(shí)施從集之前，一個(gè)操作有4個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)，每條線(xiàn)需要2各服務(wù)器（一個(gè)基礎的和一個(gè)備用的）。在情節B中，實(shí)施從集之后，一個(gè)中央處理器就可以相當于4個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的服務(wù)器。這意味著(zhù)在每條線(xiàn)或機器上不需要備用服務(wù)器，每條生產(chǎn)線(xiàn)都實(shí)現了冗余。集中化就得到了，實(shí)現了集中化，卻絲毫未影響本地化。

    叢集的好處

    叢集有如下一系列的好處：

    ■ 通過(guò)減少偏遠站點(diǎn)/線(xiàn)路/地點(diǎn)的員工來(lái)壓縮成本

    ■ 通過(guò)減少控制室的數量降低成本

    ■ 通過(guò)在每個(gè)站點(diǎn)/線(xiàn)路/地點(diǎn)減少冗余硬件來(lái)降低成本

    ■ 通過(guò)壓縮整個(gè)系統的比例降低成本。在SCADA系統上加載新信息。在從集化的系統里，不需要高成本升級或更換服務(wù)器就能夠實(shí)現更多的功能。

    通過(guò)不斷的提高得到使項目管理得以改進(jìn)，并能保證數據完整性和標準化（因為群集的集中化能使在一個(gè)地方的變化在全部的系統得到復制而不需要在每個(gè)單個(gè)系統里變更）。操作員的專(zhuān)業(yè)化成為了可能（以程序來(lái)設置一個(gè)系統，將人力集中在報警系統，趨勢系統，報告系統上，而不是分析每個(gè)機器的多個(gè)系統）以上好處都可以在大范圍的終端處的一實(shí)踐：從傳統的水&廢水處理或油燃氣管道到其他的行業(yè)如采礦，冶金，制造，制藥，基礎設施工程如建筑自動(dòng)化項目等。

    澳大利亞的一位大型礦山作業(yè)的系統控制工程師打算采用從集系統，對于叢集的潛在的優(yōu)點(diǎn)，他如是說(shuō)：從集就是我們要選擇的方法。它很適合我們這種類(lèi)型的業(yè)務(wù)。我們有4－5個(gè)獨立的區域，每個(gè)區域獨立運行。在過(guò)去如果我們遇到那種缺少光纖或服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò )建設問(wèn)題時(shí)，通常的配置是將無(wú)法得到趨勢或報警報告。從集功能可以彌補這些不如意，而且我們還能將網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器從10個(gè)減少到5個(gè)左右。服務(wù)器成本節省一半是另一個(gè)重大的優(yōu)點(diǎn)。

    實(shí)施叢集： 合并或分隔

    叢集在具體實(shí)施過(guò)程中有多種不同的表現形式。在很多情況下它可以用于合并系統，而在其他情況下可以用來(lái)拆分系統。

    合并：傳統的叢集應用在合并網(wǎng)站或系統中。通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)單獨的報警明細表和單獨的跨系統趨勢圖，操作員可以在任何情形下或例外情況下跨系統操作。在一個(gè)典型的操作環(huán)境中，建立這種合并的環(huán)境需要2－3周的時(shí)間。存在的難點(diǎn)是，當需要合并那些重名的變量標簽、趨勢或事件時(shí) ，定制的工作量就大大增加了。

    分隔: 叢集還可以通過(guò)中央服務(wù)器的維護來(lái)分隔系統或產(chǎn)生可靠的子系統或子叢集。這種方法可以用于增加全部系統的容量，分散系統負荷和保證系統關(guān)閉功能。

    它還可以通過(guò)報警，趨勢，報告，標記的分系統保證來(lái)提高系統的可靠度。同時(shí)在擴大系統的情況下，拆分系統可以通過(guò)在單個(gè)機器上增加服務(wù)器，允許用戶(hù)突破64000個(gè)群集單獨報警工業(yè)的限制。設定分隔系統的過(guò)程需要花2天到一個(gè)星期的時(shí)間。

    圖一，合并現場(chǎng)站點(diǎn)

    圖二，分隔現場(chǎng)站點(diǎn)

    復制叢集

    隨著(zhù)企業(yè)的成長(cháng)（就生產(chǎn)/工藝或信息流量的擴大），各個(gè)系統需要同步擴大。這需要一些時(shí)間來(lái)復制系統。使用采用從集的方法，企業(yè)有能力為一個(gè)項目多次運用同一個(gè)設置，并把該設置自動(dòng)地復制到各個(gè)叢集。這就保證了更簡(jiǎn)便快捷的升級系統。

    它也同樣意味著(zhù)一個(gè)項目一旦被測試，只要復制該工程就能確保生成任意數量的重復系統，而不需要對這些復制出來(lái)的系統一一進(jìn)行測試。就操作員而言，這也意味著(zhù)操作員可以根據命令在同一個(gè)頁(yè)面上看到不同時(shí)間里不同叢集的運行。隨著(zhù)合并叢集，相似的標記/事件/趨勢的存在會(huì )給透明叢集合并重復項目帶來(lái)挑戰。

    叢集引出的思考

    絕大多數現有的SCADA 方案供應商都能夠為過(guò)程控制終端用戶(hù)們提供關(guān)于叢集的建議或實(shí)施叢集。為了正確地進(jìn)行，終端用戶(hù)需要咨詢(xún)或回答如下問(wèn)題：

    ■ 當前的控制體系中哪些現場(chǎng)環(huán)節 (控制室， 人力， 硬件等)可以進(jìn)行改進(jìn)同時(shí)又不影響本地系統的功能?

    ■ 或者，另一方面，哪個(gè)系統有分隔系統以提高容量和平衡系統加載的潛力？

    ■ 被提及的叢集是如何支持網(wǎng)絡(luò )故障風(fēng)險的？

    ■ 當合并各個(gè)網(wǎng)絡(luò )站點(diǎn)時(shí)，怎么解決變量標記/趨勢相似的問(wèn)題？

    ■ 需要額外增加多少內存和處理器運算能力

    ■ 被提議的叢集日后修改起來(lái)難易程度如何？

    對這些問(wèn)題的理解會(huì )幫助終端用戶(hù)將使用從集系統的效益最大化，SCADA解決方案供應商將會(huì )在操作情境下和基于終端用戶(hù)的商業(yè)優(yōu)先權原則考慮后，幫助客戶(hù)找到答案。

    最重要的是，叢集方法的潛在用戶(hù)們需要理解如何量化這個(gè)潛在的好處。這些好處不僅僅包含計算那些通過(guò)節省硬件設施、控制室和人力而節約的費用，還需要羅列那些隨著(zhù)調和集中化和本地化需求而帶來(lái)的間接的但同樣重要的好處。