由Frost 和 Sullivan’s 工业自动化实践提供

    摘要

    文章主要介绍了丛集(CLUSTERING)的概念及主要功能优势。通过群集，能够达到降低许多生产过程场合因硬件多重冗余而导致的高成本，而始终能够确保服务器的可用性。合并站点时，在不影响关闭系统功能的情况下，群集方法会减少中央控制室的成本和人力。此外，群集还可以用来将站点拆分成更小的子类以增加系统整体容量或者分散系统的负载。

    背景

    本白皮书是Citect 委托，以介绍和阐述过程控制的群集概念和自动化选择为目的。

    本白皮书由Frost & Sullivan 的工业自动化实践的分析家纂写。

    Frost & Sullivan成立于1961年，是一家全球化迅速发展的咨询公司。通过它的帮助，全球共有1000多家公司和新兴企业达到并超过它们预期的增长目标。Frost & Sullivan目前在全球设有31个办事处，拥有员工1500余名。Frost & Sullivan工业自动化服务领域有MES，PLCs, SCADA, 公共汽车及以太网，资产管理，资产最优化，SC过程和制造系统的监视和市场追踪技术。

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    关于Citect

    Citect是世界领先的提供工业自动化系统、实时智能、建筑自动化体系、新一代 MES和基准应用型软件的供应商。以开放的工业技术为杠杆，旗下的产品如CitectHMI/SCADA, Ampla, Nexa and Meta可链接多种工厂商务系统。Citect的产品已经在超过80个国家中进行了安装，并且在众多工业领域中得到广泛的应用执行，其中包括：采矿、冶金、食品和饮料、制造、工具生产、排水给水、天然气管道、能源分配以及制药行业。

    总部位于澳大利亚的悉尼，并在大洋洲，东南亚，中国，日本，南北美洲，欧洲，非洲和中东等地区和国家设有代表处。

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    本白皮书通过Citect的委托提供。

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    本报告完成于2007年2月

    集中化和本地化的矛盾
    --由丛集来调和

    长期困扰大多数程序操作的高级管理问题如下：
 
    ■ 如何在集中化和本地化之间找到平衡？

    ■ 如何在不增加网络的风险和损失系统本地化功能的前提下使集中操作最优化？

    ■ 如何既能减少冗余的硬件成本又能最有效的平衡控制系统？

    集中化：统一监测和控制

    IT全局画面显示有各种各样的好处。很多公司都了解这点，因此会在程序数据集合方面进行高额投资以整理一个统一的指示器展示系统运行状态，摈弃了系统不规则的缺点，增加了跨系统操作的透明度并可以对各个生产过程进行全盘清晰的分析。

    但是，当高度依赖网络链接时，过于集中化会导致风险增加。 同时，实施集中化监控常常与本地化监控之间也常需要有个取舍关系。

    本地化：关闭程序的监视和控制

    在典型的系统操作中，就地监测具有集中监控的所无法达到的好处，如直观的分毫不差的过程视图、分析和控制。它可减少意外操作的反应时间，使高级管理层放心。

    但如果企业在它的程序控制和自动化方案中采用过度本地化的解决方案（例如，每个网站上的本地化独立网络系统），那么这个结构将会产生很多不是很明显的后果：并给所有的数据都能被中央数据库反馈。另外，每个起到“控制岛”功能的本地化系统，都承受与其他站点不同步的风险。

    最重要的是，这样的系统在安置职员，维护和升级时需要投入很高的成本。有时，这种过度本地化给硬件带来的高成本意味着不是所有的本地系统都会配置这种服务器。为了削减这方面的成本，有些企业努力在寻求不同程度的本地化的同时甚至可能对所有的现场站点都不配置冗余的服务器，这样大大降低了这些站点的可靠性。

    过度本地化会增加复杂性和运营成本却无助于提高操作的效率。过度集中化则有可能就现实性而言可能太简化了。
那么，这些明显的矛盾能够协调起来吗？

    一些企业通过咨询专业的服务来解决这个问题。大量的编程工作来连接各个系统或项目。在多数情况下， 那些企业能够达到连接系统或项目的目的，但却没能显现这种整合的优势。更糟糕的是，有的企业可能投入了相当多的工程师资源将独立的项目结合起来，结果却创造一个平行的集中化项目。这样未必会得到真正丛集的好处。

    两个世界的最佳结合点：丛集

    要解释这个概念，首先要认识到不是所有的程序,就操作速度和危险度而言,都需要充分的本地化和专用的控制系统的。例如，一个水系统的利用可能是24/365全天候运转，但是很明显它的远程站完全不需要安排员工到各站点进行全天候职守。类似的，一个油气天然气设施可能跨越好几个地方，但也并不需要在每个远程局域站都设置控制室。

    理解这一点的企业就能发现并利用这个的机会，的确可以节省大量的开支且提高运营效率。例如，美国的一个燃气输
送公司曾经一度需要在每个20+的压缩机站设有24小时监控。通过安装Citect提供的自动化方案SCADA系统，这个公司取消了在每个小压缩机站的全时职员安置，在大部分的其他站点减少了员工而是实行单班维护。现在，只有中央操作中心运行24/365全天候员工职守。每年可节省500万美元的操作费用。

    如上所述，这些好处都是相当可观的。但是缩减远程站点的职守员工，降低远程站点硬件的维护和升级费用并不会导致本地化的好处受损。

    丛集使鱼和熊掌可以兼得。

    什么是丛集?

    从集并不是大规模的集合。简单的说，从集就是过程元素的分类或组织，同一分组内的过程元素关联性很强，而不同分组之间的过程元素关联性很弱。

    在程序控制中，从集是将多个SCADA系统结合起来以提供一个统一的操作界面。可以分为警报组织，趋势分析，报表和I/O变量标签以致于使曾经需要被多个操作员监视的系统如今可以由一个操作员进行跨系统浏览和监控。丛集是通过基于过程而不是基于机器来达到这一点的。

    可以用简单的组态例子来帮助说明这个问题。在情节A中，实施从集之前，一个操作有4个生产线，每条线需要2各服务器（一个基础的和一个备用的）。在情节B中，实施从集之后，一个中央处理器就可以相当于4个生产线的服务器。这意味着在每条线或机器上不需要备用服务器，每条生产线都实现了冗余。集中化就得到了，实现了集中化，却丝毫未影响本地化。

    丛集的好处

    丛集有如下一系列的好处：

    ■ 通过减少偏远站点/线路/地点的员工来压缩成本

    ■ 通过减少控制室的数量降低成本

    ■ 通过在每个站点/线路/地点减少冗余硬件来降低成本

    ■ 通过压缩整个系统的比例降低成本。在SCADA系统上加载新信息。在从集化的系统里，不需要高成本升级或更换服务器就能够实现更多的功能。

    通过不断的提高得到使项目管理得以改进，并能保证数据完整性和标准化（因为群集的集中化能使在一个地方的变化在全部的系统得到复制而不需要在每个单个系统里变更）。操作员的专业化成为了可能（以程序来设置一个系统，将人力集中在报警系统，趋势系统，报告系统上，而不是分析每个机器的多个系统）以上好处都可以在大范围的终端处的一实践：从传统的水&废水处理或油燃气管道到其他的行业如采矿，冶金，制造，制药，基础设施工程如建筑自动化项目等。

    澳大利亚的一位大型矿山作业的系统控制工程师打算采用从集系统，对于丛集的潜在的优点，他如是说：从集就是我们要选择的方法。它很适合我们这种类型的业务。我们有4－5个独立的区域，每个区域独立运行。在过去如果我们遇到那种缺少光纤或服务器的网络建设问题时，通常的配置是将无法得到趋势或报警报告。从集功能可以弥补这些不如意，而且我们还能将网络服务器从10个减少到5个左右。服务器成本节省一半是另一个重大的优点。

    实施丛集： 合并或分隔

    丛集在具体实施过程中有多种不同的表现形式。在很多情况下它可以用于合并系统，而在其他情况下可以用来拆分系统。

    合并：传统的丛集应用在合并网站或系统中。通过产生一个单独的报警明细表和单独的跨系统趋势图，操作员可以在任何情形下或例外情况下跨系统操作。在一个典型的操作环境中，建立这种合并的环境需要2－3周的时间。存在的难点是，当需要合并那些重名的变量标签、趋势或事件时 ，定制的工作量就大大增加了。

    分隔: 丛集还可以通过中央服务器的维护来分隔系统或产生可靠的子系统或子丛集。这种方法可以用于增加全部系统的容量，分散系统负荷和保证系统关闭功能。

    它还可以通过报警，趋势，报告，标记的分系统保证来提高系统的可靠度。同时在扩大系统的情况下，拆分系统可以通过在单个机器上增加服务器，允许用户突破64000个群集单独报警工业的限制。设定分隔系统的过程需要花2天到一个星期的时间。

    图一，合并现场站点

    图二，分隔现场站点

    复制丛集

    随着企业的成长（就生产/工艺或信息流量的扩大），各个系统需要同步扩大。这需要一些时间来复制系统。使用采用从集的方法，企业有能力为一个项目多次运用同一个设置，并把该设置自动地复制到各个丛集。这就保证了更简便快捷的升级系统。

    它也同样意味着一个项目一旦被测试，只要复制该工程就能确保生成任意数量的重复系统，而不需要对这些复制出来的系统一一进行测试。就操作员而言，这也意味着操作员可以根据命令在同一个页面上看到不同时间里不同丛集的运行。随着合并丛集，相似的标记/事件/趋势的存在会给透明丛集合并重复项目带来挑战。

    丛集引出的思考

    绝大多数现有的SCADA 方案供应商都能够为过程控制终端用户们提供关于丛集的建议或实施丛集。为了正确地进行，终端用户需要咨询或回答如下问题：

    ■ 当前的控制体系中哪些现场环节 (控制室， 人力， 硬件等)可以进行改进同时又不影响本地系统的功能?

    ■ 或者，另一方面，哪个系统有分隔系统以提高容量和平衡系统加载的潜力？

    ■ 被提及的丛集是如何支持网络故障风险的？

    ■ 当合并各个网络站点时，怎么解决变量标记/趋势相似的问题？

    ■ 需要额外增加多少内存和处理器运算能力

    ■ 被提议的丛集日后修改起来难易程度如何？

    对这些问题的理解会帮助终端用户将使用从集系统的效益最大化，SCADA解决方案供应商将会在操作情境下和基于终端用户的商业优先权原则考虑后，帮助客户找到答案。

    最重要的是，丛集方法的潜在用户们需要理解如何量化这个潜在的好处。这些好处不仅仅包含计算那些通过节省硬件设施、控制室和人力而节约的费用，还需要罗列那些随着调和集中化和本地化需求而带来的间接的但同样重要的好处。