批量控制中數(shù)據(jù)處理的效率：取消中間環(huán)節(jié)

摘要：一個新的范例出現(xiàn)了，在批量數(shù)據(jù)處理過程中取消了中間環(huán)節(jié)，因此消除了通過中間應(yīng)用、網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換傳遞數(shù)據(jù)過程中發(fā)生的潛在錯誤和定時問題。本文探討將數(shù)據(jù)直接從數(shù)據(jù)源傳輸?shù)阶罱K使用點(diǎn)的方法，即無論是從操作臺、控制器或者是從磁盤媒介得到的數(shù)據(jù)，不再通過中間數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用或其它“中間環(huán)節(jié)”。根據(jù)需求文檔精心構(gòu)造設(shè)計，數(shù)據(jù)生產(chǎn)者將直接和數(shù)據(jù)消費(fèi)者通訊。作者將其命名為“直接數(shù)據(jù)處理模型（Directed Data Transaction Model）”來描述這個結(jié)構(gòu)化方法。 

      直接數(shù)據(jù)處理模型可以有效地把控制軟件分為機(jī)器級控制需求、單元級控制需求和企業(yè)級控制需求，而不是像現(xiàn)在的方法，讓數(shù)據(jù)在所有控制級別的所有控制單元上都有效。直接數(shù)據(jù)處理基于數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和數(shù)據(jù)消費(fèi)者形成的需求構(gòu)建控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，包括硬件和應(yīng)用軟件，以符合這些規(guī)定需求。

關(guān)鍵字：數(shù)據(jù)處理，網(wǎng)絡(luò)，可靠性，效率，批量記錄

前言 

       ANSI/ISA 95.00.03-2005[1]定義行為的多級功能體系由5級組成，分為0級到4級。每一級包含一個時域（毫秒、秒、分鐘、小時等等）、一個活動域（調(diào)度、生產(chǎn)、監(jiān)測等等）和一個數(shù)據(jù)域（存儲水平、生產(chǎn)記錄、傳感器的值等等）。 

       在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，設(shè)計應(yīng)用程序以最少的重疊對體系中特定級的特定需求尋址。例如，1級的應(yīng)用程序常常在固件或者專有的硬件程序空間中編碼，即PLC和DCS系統(tǒng)?？刂乒こ處焺?chuàng)建程序或配置模塊和程序單元，然后下載程序或配置到控制器上。在2級應(yīng)用程序空間， SCADA和DCS供應(yīng)商提供大量應(yīng)用程序，作為客戶端-服務(wù)器應(yīng)用程序存儲在商用計算機(jī)的硬件上。圖形、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)服務(wù)通常存儲在服務(wù)器級別的計算機(jī)，它和其他客戶端工作站一起放置在最終使用點(diǎn)的廠房地面上。網(wǎng)絡(luò)把1級和2級應(yīng)用組件互相鏈接到一起，因此形成一個節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，在這里數(shù)據(jù)和應(yīng)用可以共享資源、數(shù)據(jù)值和信息。 

       在3級領(lǐng)域中，來自1級和2級系統(tǒng)的數(shù)據(jù)被生產(chǎn)操作管理程序共享。這個程序用來設(shè)置和控制工作流程、執(zhí)行詳細(xì)的生產(chǎn)調(diào)度和維護(hù)數(shù)據(jù)記錄，用于報告和生產(chǎn)優(yōu)化。3級應(yīng)用程序通常存于一個單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)中，因為在3級和2級/1級應(yīng)用程序之間流通的數(shù)據(jù)處理的結(jié)果和預(yù)期相反。 

       理論上，這個高度集成的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)化環(huán)境中執(zhí)行，有高可靠性（>99.99%）和低出錯率或不需要操作者和維護(hù)者的干預(yù)。雖然有這樣的高可靠性，預(yù)計僅僅由網(wǎng)絡(luò)硬件的錯誤而導(dǎo)致的停機(jī)時間一年有一小時。最近的一次調(diào)查，8%的人指出，他們每周都遇到網(wǎng)絡(luò)問題，另外11%的人指出他們的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)小事故的數(shù)字在上升[2]。一個典型的批量控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 簡化的現(xiàn)代批量控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

一、批量控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理

        圖1描述的批量控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)似乎有很高的效率?；趩卧墓δ苡傻吞幍淖詣踊皪u”（處理單元1）處理，一般服務(wù)功能由高處的“島”處理。然而，即使在這個簡單的實例中，盡管所有系統(tǒng)廠商都聲稱為數(shù)據(jù)處理提供一個可靠且有效的體系結(jié)構(gòu)，大部分控制系統(tǒng)的可靠性卻遠(yuǎn)小于理想情況。這主要是由于以下諸多因素[2]，包括： 
       - 源自多個供應(yīng)商的應(yīng)用程序在一起未必能順暢工作；
       - 由于劣質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載問題，產(chǎn)生“數(shù)據(jù)爆炸”或“數(shù)據(jù)溢出”； 
       - 操作系統(tǒng)程序錯誤；
       - 硬件不兼容，設(shè)備驅(qū)動的限制，等等；
       - 應(yīng)用程序間脆弱的通信連接（DCOM，等等）；
       - 應(yīng)用軟件的限制：太多的處理，內(nèi)存或磁盤空間限制，等等； 
       - 應(yīng)用程序間不同步或需要持續(xù)的干預(yù)；
       - 內(nèi)存泄漏，DLL文件不兼容，或者內(nèi)部軟件異常； 
       - 程序超出它們預(yù)期的限制和使用； 
       - 應(yīng)用程序、配置或操作系統(tǒng)的改變沒有得到完全測試；
       - 內(nèi)部應(yīng)用軟件錯誤。 

       供應(yīng)商、系統(tǒng)集成商和最終用戶同樣可以通過日常工作以消除上面列出的問題。然而，因為供應(yīng)商急于發(fā)布軟件更新；最終用戶想要額外的功能，且希望用最少的測試和停工時間安裝軟件更新；系統(tǒng)集成商被要求在更短時間內(nèi)提供更大范圍的服務(wù)，上面列出的問題在未來十年仍然是系統(tǒng)可靠性的限制。 

       即使不是大多數(shù)，很多批量控制系統(tǒng)目前用于工業(yè)中的過程控制。在這些工業(yè)中，過程中的數(shù)據(jù)采集、操作者行為的報告、警報、事件和批量控制程序操作順序的捕獲非常關(guān)鍵。即使這些工業(yè)不需要數(shù)據(jù)達(dá)到100%的完整性，對于優(yōu)化、高效計算和批處理趨勢比較，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)記錄仍是至關(guān)重要的。 

       上面列出的問題可以在很多方面導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集和歷史問題。程序錯誤導(dǎo)致丟失數(shù)據(jù)是很常見的。由于傳輸錯誤或者是控制器保持在最后一個值引起的數(shù)據(jù)被“凍結(jié)”，可能造成曲解數(shù)據(jù)報告并導(dǎo)致調(diào)節(jié)問題。每個制藥、生化、食品和飲料以及醫(yī)學(xué)設(shè)備公司都可以指出一個或多個由于上面列出的控制系統(tǒng)錯誤所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)未被采集的情況和案例。 

       大部分由于數(shù)據(jù)處理和傳輸問題導(dǎo)致的數(shù)據(jù)記錄錯誤不是因為從數(shù)據(jù)源得不到數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)“缺口”的產(chǎn)生常常是因為數(shù)據(jù)值在從0/1級傳感器和數(shù)據(jù)源到控制記錄數(shù)據(jù)的2級或3級應(yīng)用程序空間中的應(yīng)用程序的過程中變化的問題引起的。 

       如果把圖1中的批量控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)重畫成表示系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的示意圖，它就變成圖2。這個圖顯示在批量控制系統(tǒng)中不同的設(shè)備和應(yīng)用程序間通常是如何處理數(shù)據(jù)的。 

       數(shù)據(jù)處理問題出現(xiàn)在數(shù)據(jù)從一個應(yīng)用程序到另一個應(yīng)用程序傳送路徑的交接點(diǎn)處。例如工業(yè)現(xiàn)場產(chǎn)生的溫度測量和操作輸入（圖2中的‘A’），數(shù)據(jù)被測量或由自動控制器打包后放到數(shù)據(jù)總線或網(wǎng)絡(luò)上廣播（B）。其值通過網(wǎng)絡(luò)被SCADA程序或DCS程序捕獲。在此數(shù)據(jù)上附加上輸入標(biāo)記、添加一個時間日期圖章、驗證數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)傳送給歷史應(yīng)用程序（C和 D）。歷史應(yīng)用程序依次檢驗數(shù)據(jù)所屬的歷史群組，把數(shù)據(jù)值存儲到存儲緩沖區(qū)，并定時地把數(shù)據(jù)寫入磁盤(E) 。

圖2 一般的批量控制數(shù)據(jù)處理示意圖

        上文描述的數(shù)據(jù)處理是典型的，但是在給出的實例或應(yīng)用程序中可能更加復(fù)雜。在數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)的最終存儲/文檔/應(yīng)用之間可能存在許多額外的處理。更復(fù)雜的情況下，數(shù)據(jù)可能還會經(jīng)過從數(shù)據(jù)源到最終使用之間傳輸時的協(xié)議轉(zhuǎn)換。即使在上面簡單的實例中，經(jīng)常由于測量、程序錯誤、協(xié)議錯誤和磁盤子系統(tǒng)錯誤發(fā)生問題，而這僅僅是一小部分。

二、直接數(shù)據(jù)處理模型簡介

       一個新的范例出現(xiàn)了，在數(shù)據(jù)處理過程中取消了中間環(huán)節(jié)，因此消除了數(shù)據(jù)通過中間應(yīng)用、網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換時發(fā)生的錯誤。在這個模型中，數(shù)據(jù)直接從數(shù)據(jù)源傳遞到最終使用的點(diǎn)上，不管它是一個操作控制臺或者磁盤上的歷史數(shù)據(jù)文檔。數(shù)據(jù)不通過中間數(shù)據(jù)庫、協(xié)議轉(zhuǎn)換、或者中間程序。數(shù)據(jù)生產(chǎn)者直接與數(shù)據(jù)消費(fèi)者通信。 
       獲得了幾個新的方法，包括：
       - 在1級設(shè)備上使用硬件接口允許數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)?級應(yīng)用程序上。
       - 1級采集的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，隨后批量傳輸?shù)?級的數(shù)據(jù)歷史服務(wù)器上。 
       - 在自動控制器中使用嵌入的2級和3級的應(yīng)用程序，從而取消了網(wǎng)絡(luò)處理實時數(shù)據(jù)的需求。
       - 使用單獨(dú)的程序處理過程可視化、批量控制和生產(chǎn)操作管理，因此無需單獨(dú)的HMI和生產(chǎn)管理軟件。 

       每個新方法提供一個新的過程控制設(shè)計使用的范例，這個方法被作者稱為直接數(shù)據(jù)處理模型。這種方法有效地把控制程序分為機(jī)器級控制需求、單元級控制需求和企業(yè)級控制需求。而不像現(xiàn)在的方法，讓數(shù)據(jù)在所有控制級別的所有控制單元上都有效。直接數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)要求在數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和數(shù)據(jù)消費(fèi)者以及控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，包括硬件和應(yīng)用軟件來滿足特定需求。這個方法獨(dú)立于任何供應(yīng)商提供的硬件或軟件。雖然這里的討論將聚焦在批量控制和批量數(shù)據(jù)，但是這些方法可以應(yīng)用到任何過程。 

       這個方法的應(yīng)用受到許多大學(xué)在多重處理上的生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型和多處理器計算機(jī)系統(tǒng)上資源共享方面研究的啟發(fā)[2]。本文的作者相信，在過程控制系統(tǒng)及高速多處理器計算機(jī)系統(tǒng)中，高效的數(shù)據(jù)生產(chǎn)和消費(fèi)是并行的。 

       在過程控制和多處理器計算機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能在靠近數(shù)據(jù)源的地方使用，以使與應(yīng)用程序錯誤有關(guān)的問題、傳輸錯誤、協(xié)議轉(zhuǎn)換錯誤和硬件錯誤減少到最小的程度。

三、直接數(shù)據(jù)處理模型實例 

       利用上面的例子(最后存儲在數(shù)據(jù)歷史服務(wù)器上的廠房地面溫度傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù))我們應(yīng)用直接數(shù)據(jù)處理模型，看看這個體系結(jié)構(gòu)是如何提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃?。假設(shè)溫度測量僅僅是一個監(jiān)測點(diǎn)，也就是說它不需要控制回路，但是需要實時監(jiān)測。還假設(shè)需要把數(shù)據(jù)放在過程圖形顯示器上，需要每十秒采樣并存儲在數(shù)據(jù)歷史服務(wù)器中。過程單元由PLC控制，并有如圖2所示的一個HMI和批量監(jiān)控系統(tǒng)。 

       在試圖構(gòu)建解決方案之前，注意這個模型的應(yīng)用程序要求設(shè)計工程師生成一個需求的順序集。為此，工程師需要了解批量控制系統(tǒng)，并把所有的數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和數(shù)據(jù)消費(fèi)者列成表格。對于我們的問題，溫度傳感器是數(shù)據(jù)生產(chǎn)者，有3個消費(fèi)者，如下圖所示。為了說明，附加了其它信號。

圖3 應(yīng)用直接數(shù)據(jù)處理模型后的批量控制數(shù)據(jù)處理示意圖

圖4 應(yīng)用直接數(shù)據(jù)處理模型后的批量控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

 

四、展望未來 

       越來越多的最終用戶意識到應(yīng)該在他們的工廠安裝工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)組件而不是辦公室級組件的必要性。使得硬件基本結(jié)構(gòu)更加健壯的冗余方案和其它方法被采用，并且和硬件相關(guān)的故障很有可能會隨著時間的流逝而減少。 

      正好相反的情況出現(xiàn)在過程控制的應(yīng)用程序端。軟件供應(yīng)商謀求更大、更好和更多數(shù)量的應(yīng)用程序以解決從停機(jī)到維護(hù)的問題。這里僅僅是突出正確基本結(jié)構(gòu)規(guī)劃的必要性。倉促地用“軟件修復(fù)所有問題”很可能會使數(shù)據(jù)處理的問題更加混亂，它需要越來越多的數(shù)據(jù)路徑和處理點(diǎn)，從而導(dǎo)致更多的潛在故障。 

      恰似現(xiàn)在的控制工程師要設(shè)法管理程序代碼，直接數(shù)據(jù)處理模型的應(yīng)用最低限度要突出管理數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)處理的需要。正確的管理，對雙方而言都是財富，允許可預(yù)見的可靠運(yùn)行。不正確的管理或者是忽視，在可靠性和可維護(hù)性方面將成為伴隨一生的債務(wù)。這些問題還會讓管理規(guī)范的工廠的控制系統(tǒng)工程技術(shù)人員的生活變得一團(tuán)糟。 

      直接數(shù)據(jù)處理模型將是為努力維護(hù)和增強(qiáng)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)工程師和為簡化和提高與設(shè)備和過程交互能力的操作人員應(yīng)運(yùn)而生的一個有效工具。下表總結(jié)的是作者相信在未來五年繼續(xù)會在工業(yè)過程中成為趨勢的幾個內(nèi)容。直接數(shù)據(jù)處理模型支持每個數(shù)據(jù)處理最小化的趨勢。然而只有時間能驗證這種觀點(diǎn)，它使未來的一些事情值得期待。

目前	趨勢	未來
中央數(shù)據(jù)歷史服務(wù)器從位于1、2和3級的多個設(shè)備、控制器和服務(wù)器上采集數(shù)據(jù)。	讓數(shù)據(jù)采集離傳感器更近。	分布式數(shù)據(jù)歷史服務(wù)器與1級控制器集成；使用中央數(shù)據(jù)歷史服務(wù)器定時采集分布式歷史服務(wù)器的緩存。
操作人員通過HMI/SCADA子系統(tǒng)與批量控制系統(tǒng)交互；操作人員通過MES子系統(tǒng)與商業(yè)系統(tǒng)交互。	為所有功能提供單一窗口界面。	單一操作界面子系統(tǒng)用一個應(yīng)用程序顯示生產(chǎn)/過程實時數(shù)據(jù)和顯示/輸入商用事務(wù)數(shù)據(jù)
在普通HMI標(biāo)記數(shù)據(jù)庫上存儲傳感器的值，并據(jù)此數(shù)據(jù)庫服務(wù)其它應(yīng)用程序（歷史、圖形、SPC、MES、ERP、Web等等）。	數(shù)據(jù)直接從數(shù)據(jù)源（生產(chǎn)者）傳輸?shù)侥康牡兀ㄏM(fèi)者）。	在1級控制器上有單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理模塊，可以把數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，3，4級上適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)庫/應(yīng)用程序中，反之亦然。

五、結(jié)論 

       本文所敘述的直接數(shù)據(jù)處理模型方法，提出了一種批量控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，它在增加可靠性和數(shù)據(jù)效率的同時，使系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的數(shù)量最小化。實際的結(jié)果通過以下內(nèi)容完成：列出所有數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和消費(fèi)者的數(shù)據(jù)需求，選擇允許在數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的硬件組件和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以支持直接數(shù)據(jù)處理。 

       這種方法獨(dú)立于過程類型、儀器總線技術(shù)、控制系統(tǒng)的硬件和軟件類型或通信協(xié)議。用豐富和多樣的數(shù)據(jù)處理、過程控制、批量控制和現(xiàn)今市場上的網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件組件，通過應(yīng)用直接數(shù)據(jù)處理模型，可以找到適合每個應(yīng)用需求的解決方案。

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