批量控制中數(shù)據處理的效率：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)據處理過程中取消了中間環(huán)節(jié)，因此消除了通過中間應用、網關和協(xié)議轉換傳遞數(shù)據過程中發(fā)生的潛在錯誤和定時問題。本文探討將數(shù)據直接從數(shù)據源傳輸?shù)阶罱K使用點的方法，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，不再通過中間數(shù)據庫、應用或其它“中間環(huán)節(jié)”。根據需求文檔精心構造設計，數(shù)據生產者將直接和數(shù)據消費者通訊。作者將其命名為“直接數(shù)據處理模型（Directed Data Transaction Model）”來描述這個結構化方法。 

      直接數(shù)據處理模型可以有效地把控制軟件分為機器級控制需求、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)據在所有控制級別的所有控制單元上都有效。直接數(shù)據處理基于數(shù)據生產者和數(shù)據消費者形成的需求構建控制系統(tǒng)的設計方案，包括硬件和應用軟件，以符合這些規(guī)定需求。

關鍵字：數(shù)據處理，網絡，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（調度、生產、監(jiān)測等等）和一個數(shù)據域（存儲水平、生產記錄、傳感器的值等等）。 

       在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，設計應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級應用程序空間， SCADA和DCS供應商提供大量應用程序，作為客戶端-服務器應用程序存儲在商用計算機的硬件上。圖形、應用程序和數(shù)據服務通常存儲在服務器級別的計算機，它和其他客戶端工作站一起放置在最終使用點的廠房地面上。網絡把1級和2級應用組件互相鏈接到一起，因此形成一個節(jié)點網絡，在這里數(shù)據和應用可以共享資源、數(shù)據值和信息。 

       在3級領域中，來自1級和2級系統(tǒng)的數(shù)據被生產操作管理程序共享。這個程序用來設置和控制工作流程、執(zhí)行詳細的生產調度和維護數(shù)據記錄，用于報告和生產優(yōu)化。3級應用程序通常存于一個單獨的網絡中，因為在3級和2級/1級應用程序之間流通的數(shù)據處理的結果和預期相反。 

       理論上，這個高度集成的數(shù)據和應用程序網絡在工業(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者的干預。雖然有這樣的高可靠性，預計僅僅由網絡硬件的錯誤而導致的停機時間一年有一小時。最近的一次調查，8%的人指出，他們每周都遇到網絡問題，另外11%的人指出他們的網絡出現(xiàn)小事故的數(shù)字在上升[2]。一個典型的批量控制系統(tǒng)體系結構如圖1所示。

圖1 簡化的現(xiàn)代批量控制網絡體系結構

一、批量控制系統(tǒng)中的數(shù)據處理

        圖1描述的批量控制系統(tǒng)體系結構似乎有很高的效率?；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)據處理提供一個可靠且有效的體系結構，大部分控制系統(tǒng)的可靠性卻遠小于理想情況。這主要是由于以下諸多因素[2]，包括： 
       - 源自多個供應商的應用程序在一起未必能順暢工作；
       - 由于劣質的網絡設計產生的網絡負載問題，產生“數(shù)據爆炸”或“數(shù)據溢出”； 
       - 操作系統(tǒng)程序錯誤；
       - 硬件不兼容，設備驅動的限制，等等；
       - 應用程序間脆弱的通信連接（DCOM，等等）；
       - 應用軟件的限制：太多的處理，內存或磁盤空間限制，等等； 
       - 應用程序間不同步或需要持續(xù)的干預；
       - 內存泄漏，DLL文件不兼容，或者內部軟件異常； 
       - 程序超出它們預期的限制和使用； 
       - 應用程序、配置或操作系統(tǒng)的改變沒有得到完全測試；
       - 內部應用軟件錯誤。 

       供應商、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提供更大范圍的服務，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鍵。即使這些工業(yè)不需要數(shù)據達到100%的完整性，對于優(yōu)化、高效計算和批處理趨勢比較，準確的數(shù)據記錄仍是至關重要的。 

       上面列出的問題可以在很多方面導致數(shù)據采集和歷史問題。程序錯誤導致丟失數(shù)據是很常見的。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)據被“凍結”，可能造成曲解數(shù)據報告并導致調節(jié)問題。每個制藥、生化、食品和飲料以及醫(yī)學設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)錯誤所導致的數(shù)據未被采集的情況和案例。 

       大部分由于數(shù)據處理和傳輸問題導致的數(shù)據記錄錯誤不是因為從數(shù)據源得不到數(shù)據。歷史數(shù)據“缺口”的產生常常是因為數(shù)據值在從0/1級傳感器和數(shù)據源到控制記錄數(shù)據的2級或3級應用程序空間中的應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)體系結構重畫成表示系統(tǒng)數(shù)據處理的示意圖，它就變成圖2。這個圖顯示在批量控制系統(tǒng)中不同的設備和應用程序間通常是如何處理數(shù)據的。 

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

圖2 一般的批量控制數(shù)據處理示意圖

        上文描述的數(shù)據處理是典型的，但是在給出的實例或應用程序中可能更加復雜。在數(shù)據源和數(shù)據的最終存儲/文檔/應用之間可能存在許多額外的處理。更復雜的情況下，數(shù)據可能還會經過從數(shù)據源到最終使用之間傳輸時的協(xié)議轉換。即使在上面簡單的實例中，經常由于測量、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)據處理模型簡介

       一個新的范例出現(xiàn)了，在數(shù)據處理過程中取消了中間環(huán)節(jié)，因此消除了數(shù)據通過中間應用、網關和協(xié)議轉換時發(fā)生的錯誤。在這個模型中，數(shù)據直接從數(shù)據源傳遞到最終使用的點上，不管它是一個操作控制臺或者磁盤上的歷史數(shù)據文檔。數(shù)據不通過中間數(shù)據庫、協(xié)議轉換、或者中間程序。數(shù)據生產者直接與數(shù)據消費者通信。 
       獲得了幾個新的方法，包括：
       - 在1級設備上使用硬件接口允許數(shù)據直接傳輸?shù)?級應用程序上。
       - 1級采集的實時生產數(shù)據，隨后批量傳輸?shù)?級的數(shù)據歷史服務器上。 
       - 在自動控制器中使用嵌入的2級和3級的應用程序，從而取消了網絡處理實時數(shù)據的需求。
       - 使用單獨的程序處理過程可視化、批量控制和生產操作管理，因此無需單獨的HMI和生產管理軟件。 

       每個新方法提供一個新的過程控制設計使用的范例，這個方法被作者稱為直接數(shù)據處理模型。這種方法有效地把控制程序分為機器級控制需求、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)據在所有控制級別的所有控制單元上都有效。直接數(shù)據處理結構要求在數(shù)據生產者和數(shù)據消費者以及控制系統(tǒng)的基礎上，包括硬件和應用軟件來滿足特定需求。這個方法獨立于任何供應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，但是這些方法可以應用到任何過程。 

       這個方法的應用受到許多大學在多重處理上的生產者-消費者模型和多處理器計算機系統(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系統(tǒng)中，高效的數(shù)據生產和消費是并行的。 

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

三、直接數(shù)據處理模型實例 

       利用上面的例子(最后存儲在數(shù)據歷史服務器上的廠房地面溫度傳感器產生的數(shù)據)我們應用直接數(shù)據處理模型，看看這個體系結構是如何提高數(shù)據傳輸?shù)男屎涂煽啃浴＜僭O溫度測量僅僅是一個監(jiān)測點，也就是說它不需要控制回路，但是需要實時監(jiān)測。還假設需要把數(shù)據放在過程圖形顯示器上，需要每十秒采樣并存儲在數(shù)據歷史服務器中。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)。 

       在試圖構建解決方案之前，注意這個模型的應用程序要求設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)據生產者和數(shù)據消費者列成表格。對于我們的問題，溫度傳感器是數(shù)據生產者，有3個消費者，如下圖所示。為了說明，附加了其它信號。

圖3 應用直接數(shù)據處理模型后的批量控制數(shù)據處理示意圖

圖4 應用直接數(shù)據處理模型后的批量控制網絡體系結構

 

四、展望未來 

       越來越多的最終用戶意識到應該在他們的工廠安裝工業(yè)級網絡組件而不是辦公室級組件的必要性。使得硬件基本結構更加健壯的冗余方案和其它方法被采用，并且和硬件相關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)在過程控制的應用程序端。軟件供應商謀求更大、更好和更多數(shù)量的應用程序以解決從停機到維護的問題。這里僅僅是突出正確基本結構規(guī)劃的必要性。倉促地用“軟件修復所有問題”很可能會使數(shù)據處理的問題更加混亂，它需要越來越多的數(shù)據路徑和處理點，從而導致更多的潛在故障。 

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

      直接數(shù)據處理模型將是為努力維護和增強控制系統(tǒng)基本結構的控制系統(tǒng)工程師和為簡化和提高與設備和過程交互能力的操作人員應運而生的一個有效工具。下表總結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容。直接數(shù)據處理模型支持每個數(shù)據處理最小化的趨勢。然而只有時間能驗證這種觀點，它使未來的一些事情值得期待。

目前	趨勢	未來
中央數(shù)據歷史服務器從位于1、2和3級的多個設備、控制器和服務器上采集數(shù)據。	讓數(shù)據采集離傳感器更近。	分布式數(shù)據歷史服務器與1級控制器集成；使用中央數(shù)據歷史服務器定時采集分布式歷史服務器的緩存。
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)用一個應用程序顯示生產/過程實時數(shù)據和顯示/輸入商用事務數(shù)據
在普通HMI標記數(shù)據庫上存儲傳感器的值，并據此數(shù)據庫服務其它應用程序（歷史、圖形、SPC、MES、ERP、Web等等）。	數(shù)據直接從數(shù)據源（生產者）傳輸?shù)侥康牡兀ㄏM者）。	在1級控制器上有單獨的數(shù)據處理模塊，可以把數(shù)據傳輸?shù)?，3，4級上適當?shù)臄?shù)據庫/應用程序中，反之亦然。

五、結論 

       本文所敘述的直接數(shù)據處理模型方法，提出了一種批量控制網絡設計方案，它在增加可靠性和數(shù)據效率的同時，使系統(tǒng)中數(shù)據處理的數(shù)量最小化。實際的結果通過以下內容完成：列出所有數(shù)據生產者和消費者的數(shù)據需求，選擇允許在數(shù)據生產者和消費者之間直接進行數(shù)據處理的硬件組件和構建網絡體系結構以支持直接數(shù)據處理。 

       這種方法獨立于過程類型、儀器總線技術、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)據處理、過程控制、批量控制和現(xiàn)今市場上的網絡硬件和軟件組件，通過應用直接數(shù)據處理模型，可以找到適合每個應用需求的解決方案。

參考文獻
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2. Verhappen, Ian, and Byres, Eric. “Industrial Network Integrity”, Intech, October 2006.
3. Barr, Brian, and McAndrews, Priscilla.“Interprocessor Communication”, Center for theEngineer, Interprocess Synchronization Tutorial, George Mason University, July 1996.

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