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(shì)。通過(guò)群集，能夠達(dá)到降低許多生產(chǎn)過(guò)程場(chǎng)合因硬件多重冗余而導(dǎo)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(tǒng)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)拆分成更小的子類以增加系統(tǒng)整體容量或者分散系統(tǒng)的負(fù)載。

    背景

    本白皮書是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。

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

    Frost & Sullivan成立于1961年，是一家全球化迅速發(fā)展的咨詢公司。通過(guò)它的幫助，全球共有1000多家公司和新興企業(yè)達(dá)到并超過(guò)它們預(yù)期的增長(zhǎng)目標(biāo)。Frost & Sullivan目前在全球設(shè)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(tǒng)的監(jiān)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(tǒng)、實(shí)時(shí)智能、建筑自動(dòng)化體系、新一代 MES和基準(zhǔn)應(yīng)用型軟件的供應(yīng)商。以開放的工業(yè)技術(shù)為杠桿，旗下的產(chǎn)品如CitectHMI/SCADA, Ampla, Nexa and Meta可鏈接多種工廠商務(wù)系統(tǒng)。Citect的產(chǎn)品已經(jīng)在超過(guò)80個(gè)國(guó)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(yīng)用執(zhí)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(guó)，日本，南北美洲，歐洲，非洲和中東等地區(qū)和國(guó)家設(shè)有代表處。

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    本白皮書通過(guò)Citect的委托提供。

    Frost & Sullivan對(duì)于Citect提供給我們信息的紕漏不負(fù)任何責(zé)任。

    本報(bào)告完成于2007年2月

    集中化和本地化的矛盾
    --由叢集來(lái)調(diào)和

    長(zhǎng)期困擾大多數(shù)程序操作的高級(jí)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(xiǎn)和損失系統(tǒng)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(tǒng)？

    集中化：統(tǒng)一監(jiān)測(cè)和控制

    IT全局畫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(shù)據(jù)集合方面進(jìn)行高額投資以整理一個(gè)統(tǒng)一的指示器展示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，擯棄了系統(tǒng)不規(guī)則的缺點(diǎn)，增加了跨系統(tǒng)操作的透明度并可以對(duì)各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全盤清晰的分析。

    但是，當(dāng)高度依賴網(wǎng)絡(luò)鏈接時(shí)，過(guò)于集中化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)增加。 同時(shí)，實(shí)施集中化監(jiān)控常常與本地化監(jiān)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(jiān)視和控制

    在典型的系統(tǒng)操作中，就地監(jiān)測(cè)具有集中監(jiān)控的所無(wú)法達(dá)到的好處，如直觀的分毫不差的過(guò)程視圖、分析和控制。它可減少意外操作的反應(yīng)時(shí)間，使高級(jí)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(dú)立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)），那么這個(gè)結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生很多不是很明顯的后果：并給所有的數(shù)據(jù)都能被中央數(shù)據(jù)庫(kù)反饋。另外，每個(gè)起到“控制島”功能的本地化系統(tǒng)，都承受與其他站點(diǎn)不同步的風(fēng)險(xiǎn)。

    最重要的是，這樣的系統(tǒng)在安置職員，維護(hù)和升級(jí)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)的高成本意味著不是所有的本地系統(tǒng)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(duì)所有的現(xiàn)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(fù)雜性和運(yùn)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(xiàn)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(diào)起來(lái)嗎？

    一些企業(yè)通過(guò)咨詢專業(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(tǒng)或項(xiàng)目。在多數(shù)情況下， 那些企業(yè)能夠達(dá)到連接系統(tǒng)或項(xiàng)目的目的，但卻沒能顯現(xiàn)這種整合的優(yōu)勢(shì)。更糟糕的是，有的企業(yè)可能投入了相當(dāng)多的工程師資源將獨(dú)立的項(xiàng)目結(jié)合起來(lái)，結(jié)果卻創(chuàng)造一個(gè)平行的集中化項(xiàng)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(jié)合點(diǎn)：叢集

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

    理解這一點(diǎn)的企業(yè)就能發(fā)現(xiàn)并利用這個(gè)的機(jī)會(huì)，的確可以節(jié)省大量的開支且提高運(yùn)營(yíng)效率。例如，美國(guó)的一個(gè)燃?xì)廨?BR>送公司曾經(jīng)一度需要在每個(gè)20+的壓縮機(jī)站設(shè)有24小時(shí)監(jiān)控。通過(guò)安裝Citect提供的自動(dòng)化方案SCADA系統(tǒng)，這個(gè)公司取消了在每個(gè)小壓縮機(jī)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(hù)。現(xiàn)在，只有中央操作中心運(yùn)行24/365全天候員工職守。每年可節(jié)省500萬(wàn)美元的操作費(fèi)用。

    如上所述，這些好處都是相當(dāng)可觀的。但是縮減遠(yuǎn)程站點(diǎn)的職守員工，降低遠(yuǎn)程站點(diǎn)硬件的維護(hù)和升級(jí)費(fèi)用并不會(huì)導(dǎo)致本地化的好處受損。

    叢集使魚和熊掌可以兼得。

    什么是叢集?

    從集并不是大規(guī)模的集合。簡(jiǎn)單的說(shuō)，從集就是過(guò)程元素的分類或組織，同一分組內(nèi)的過(guò)程元素關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，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(tǒng)結(jié)合起來(lái)以提供一個(gè)統(tǒng)一的操作界面。可以分為警報(bào)組織，趨勢(shì)分析，報(bào)表和I/O變量標(biāo)簽以致于使曾經(jīng)需要被多個(gè)操作員監(jiān)視的系統(tǒng)如今可以由一個(gè)操作員進(jìn)行跨系統(tǒng)瀏覽和監(jiān)控。叢集是通過(guò)基于過(guò)程而不是基于機(jī)器來(lái)達(dá)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(jié)A中，實(shí)施從集之前，一個(gè)操作有4個(gè)生產(chǎn)線，每條線需要2各服務(wù)器（一個(gè)基礎(chǔ)的和一個(gè)備用的）。在情節(jié)B中，實(shí)施從集之后，一個(gè)中央處理器就可以相當(dāng)于4個(gè)生產(chǎn)線的服務(wù)器。這意味著在每條線或機(jī)器上不需要備用服務(wù)器，每條生產(chǎn)線都實(shí)現(xiàn)了冗余。集中化就得到了，實(shí)現(xiàn)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(yuǎn)站點(diǎn)/線路/地點(diǎn)的員工來(lái)壓縮成本

    ■ 通過(guò)減少控制室的數(shù)量降低成本

    ■ 通過(guò)在每個(gè)站點(diǎn)/線路/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(tǒng)的比例降低成本。在SCADA系統(tǒng)上加載新信息。在從集化的系統(tǒng)里，不需要高成本升級(jí)或更換服務(wù)器就能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能。

    通過(guò)不斷的提高得到使項(xiàng)目管理得以改進(jìn)，并能保證數(shù)據(jù)完整性和標(biāo)準(zhǔn)化（因?yàn)槿杭募谢苁乖谝粋€(gè)地方的變化在全部的系統(tǒng)得到復(fù)制而不需要在每個(gè)單個(gè)系統(tǒng)里變更）。操作員的專業(yè)化成為了可能（以程序來(lái)設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)，將人力集中在報(bào)警系統(tǒng)，趨勢(shì)系統(tǒng)，報(bào)告系統(tǒng)上，而不是分析每個(gè)機(jī)器的多個(gè)系統(tǒng)）以上好處都可以在大范圍的終端處的一實(shí)踐：從傳統(tǒng)的水&廢水處理或油燃?xì)夤艿赖狡渌男袠I(yè)如采礦，冶金，制造，制藥，基礎(chǔ)設(shè)施工程如建筑自動(dòng)化項(xiàng)目等。

    澳大利亞的一位大型礦山作業(yè)的系統(tǒng)控制工程師打算采用從集系統(tǒng)，對(duì)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型的業(yè)務(wù)。我們有4－5個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域獨(dú)立運(yùn)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(shè)問(wèn)題時(shí)，通常的配置是將無(wú)法得到趨勢(shì)或報(bào)警報(bào)告。從集功能可以彌補(bǔ)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(jié)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(xiàn)形式。在很多情況下它可以用于合并系統(tǒng)，而在其他情況下可以用來(lái)拆分系統(tǒng)。

    合并：傳統(tǒng)的叢集應(yīng)用在合并網(wǎng)站或系統(tǒng)中。通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的報(bào)警明細(xì)表和單獨(dú)的跨系統(tǒng)趨勢(shì)圖，操作員可以在任何情形下或例外情況下跨系統(tǒng)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(dāng)需要合并那些重名的變量標(biāo)簽、趨勢(shì)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(hù)來(lái)分隔系統(tǒng)或產(chǎn)生可靠的子系統(tǒng)或子叢集。這種方法可以用于增加全部系統(tǒng)的容量，分散系統(tǒng)負(fù)荷和保證系統(tǒng)關(guān)閉功能。

    它還可以通過(guò)報(bào)警，趨勢(shì)，報(bào)告，標(biāo)記的分系統(tǒng)保證來(lái)提高系統(tǒng)的可靠度。同時(shí)在擴(kuò)大系統(tǒng)的情況下，拆分系統(tǒng)可以通過(guò)在單個(gè)機(jī)器上增加服務(wù)器，允許用戶突破64000個(gè)群集單獨(dú)報(bào)警工業(yè)的限制。設(shè)定分隔系統(tǒng)的過(guò)程需要花2天到一個(gè)星期的時(shí)間。

    圖一，合并現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)

    圖二，分隔現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)

    復(fù)制叢集

    隨著企業(yè)的成長(zhǎng)（就生產(chǎn)/工藝或信息流量的擴(kuò)大），各個(gè)系統(tǒng)需要同步擴(kuò)大。這需要一些時(shí)間來(lái)復(fù)制系統(tǒng)。使用采用從集的方法，企業(yè)有能力為一個(gè)項(xiàng)目多次運(yùn)用同一個(gè)設(shè)置，并把該設(shè)置自動(dòng)地復(fù)制到各個(gè)叢集。這就保證了更簡(jiǎn)便快捷的升級(jí)系統(tǒng)。

    它也同樣意味著一個(gè)項(xiàng)目一旦被測(cè)試，只要復(fù)制該工程就能確保生成任意數(shù)量的重復(fù)系統(tǒng)，而不需要對(duì)這些復(fù)制出來(lái)的系統(tǒng)一一進(jìn)行測(cè)試。就操作員而言，這也意味著操作員可以根據(jù)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(yùn)行。隨著合并叢集，相似的標(biāo)記/事件/趨勢(shì)的存在會(huì)給透明叢集合并重復(fù)項(xiàng)目帶來(lái)挑戰(zhàn)。

    叢集引出的思考

    絕大多數(shù)現(xiàn)有的SCADA 方案供應(yīng)商都能夠?yàn)檫^(guò)程控制終端用戶們提供關(guān)于叢集的建議或?qū)嵤﹨布榱苏_地進(jìn)行，終端用戶需要咨詢或回答如下問(wèn)題：

    ■ 當(dāng)前的控制體系中哪些現(xiàn)場(chǎng)環(huán)節(jié) (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(tǒng)的功能?

    ■ 或者，另一方面，哪個(gè)系統(tǒng)有分隔系統(tǒng)以提高容量和平衡系統(tǒng)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(xiǎn)的？

    ■ 當(dāng)合并各個(gè)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)時(shí)，怎么解決變量標(biāo)記/趨勢(shì)相似的問(wèn)題？

    ■ 需要額外增加多少內(nèi)存和處理器運(yùn)算能力

    ■ 被提議的叢集日后修改起來(lái)難易程度如何？

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

    最重要的是，叢集方法的潛在用戶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(jì)算那些通過(guò)節(jié)省硬件設(shè)施、控制室和人力而節(jié)約的費(fèi)用，還需要羅列那些隨著調(diào)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。