嵌入式系统,边缘计算

进化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面部,提高整体工厂性能,有助于降低退休风险。

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大流行,最近工作场所发生了变化,迫使操作人员提高了控制系统的灵活性。
  • 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。

组织投资于打算控制系统的控制系统,以至于许多年份将按预期运行。然而,控制系统的变化步伐正在加速,未来十年将带来巨大的进化。了解这些变化对于寻求获得最佳运营绩效和控制系统投资的组织至关重要。

几十年来,控制系统受到物理硬件的限制:硬连线输入/输出(I/O)布局、连接控制器和包括专用网络和服务器配置在内的结构化架构。现在,处理能力和传感成本的降低、网络和无线基础设施的发展以及分布式架构(包括云)正在为控制系统带来新的机遇。此外,plug-and-produce的新兴标准,如先进物理层(APL)和模块化类型包(MTP)接口,将在未来十年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

在过去的十年里,行业目睹了专业人员退休,并采取措施减轻这种专业人员流失的影响。最近的COVID-19操作条件加剧了这一趋势,导致许多行业限制现场人员。

与此同时,大量新的传感技术和高带宽传输选项使得工厂收集的数据比以往任何时候都多,企业希望从数据中提取更多的价值,以推动业务绩效和差异化。这包括更灵活的产品交付能力,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合规。

图1:关键控制系统数据将在整个企业中可见,使小团队能够为多个地理位置遥远的位置提供支持。礼貌:爱默生

图1:关键控制系统数据将在整个企业中可见,使小团队能够为多个地理位置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,云中的集中数据提供了较低的生命周期成本和减少维护的优势,以及消除数据孤岛。

向集中操作的转移将需要控制系统策略的转变,即使实际的核心控制并没有从工厂车间转移。专家们所依赖的工具——系统配置、设备监控、告警管理、实时数据和事件历史记录、数字双胞胎、补丁管理系统等等——都是控制系统的要素。这些工具中的许多并不影响日常的控制,但是它们已经与控制系统绑定在一起,而控制系统与工厂中的物理位置绑定在一起。展望未来,将这些组件托管在云中会更有意义。

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

增加的计算能力使得能够更高级控制

虽然某些数据移动到基于企业级性能的分析的一些数据有意义,但需要更接近现场设备和资产来改进植物地板的操作和控制。具有高计算功率和边缘分析功能的控制集群将使这种偏移可能成为可能。

这种类型的边缘计算是灵活且适应的,为操作的不同部件提供可变控制,以使模块化制造能够用即插即用技术。分布式控制系统继续通过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。

易于整合扩大了效率的收益

成功的关键是找到能够采用新技术的平台,同时最小化集成和工程成本。最先进的控制器可以作为独立的控制器运行,并具有本地集成到更大的控制系统的能力,使组织能够演进控制体系结构及其功能,以及过程和产品。

行业领导者还减少了具有新型自动配置技术的模块化制造实施的努力。MTP技术 - 由用户自动化技术协会开发过程行业(NAMUR) - 利用现有技术构建一个接口以以配制方式集成不同的系统,简化模块化系统的设计。

MTP标准化了生产模块和控制系统之间的互操作性,允许工厂混合和匹配组件。控制系统将继续在控制和优化这些不同的、但更集成的模块化系统方面发挥重要作用,并且利用这些集成效率标准是驱动最佳结果的关键因素。

APL,高级控制和数字双胞胎增强操作性能

控制系统历史上用于监管控制。近年来,趋势已经转移,为运营商提供更广泛的控制核心运作的控制。控制系统现在包含更多的分析和决策支持,以帮助运营商在更广泛的责任领域做出更好的决策。

APL等技术使能现场设备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,创建更快的通信堆栈。此外,APL通过部署可以应用多个协议的一个标准物理层来协调物理层,从而在控制系统与现场设备进行物理接口的情况下创造更多一致性。

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相结合,使操作员能够帮助流程在任何所需状态下实现最佳操作。通过SBC,自动化技术根据当前的运行状态驱动设备和单元。操作员扮演过程管理者的角色——只在关键时刻被提示时才干预过程。

SBC还通过以用户可以利用的操作规程的形式获取知识,使控制系统的投资最大化。它降低了培训成本,并通过在机组中使用安全状态,以及通过机组之间的通信来优化对机组倾覆情况的响应,提高了安全性和可操作性。

操作人员将更多地关注整个过程,监控关键过程指标,并做出关键决策,以保持和提高性能、可用性和质量。数字孪生模拟(工厂环境的精确虚拟副本)等工具将在帮助操作人员在工艺走向错误时做出最佳决策方面发挥关键作用(图3)。

而不是做出决定,实现它,并希望它是正确的选择,运营商将使用模拟来测试脱机环境中的关键决策。

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

实际价值仍然是优先权

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。

肖恩·西姆斯副总统是干什么的爱默生的均平台。编辑:Chris Vavra,网页内容经理,控制工程, CFE Media & Technology,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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肖恩·西姆斯
作者生物:Sean Sims是艾默生熟人平台的副总裁。在目前的作用之前,Sean还担任亚太地区测量和分析业务的副总裁,以及生命周期和绩效服务。Sean拥有来自Witvatersrand大学(约翰内斯堡,南非)的BSC工程学位(冶金和材料科学)。在艾默生之前,Sean为Alpret控制专家,南部非洲艾默生的当地商业伙伴工作了10年。他在此期间举行了各种职位,包括系统集团技术经理,公司工程总监和公司系统总监。