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    由Frost 和 Sullivan’s 工業(yè)自動化實踐提供

    摘要

    文章主要介紹了叢集(CLUSTERING)的概念及主要功能優(yōu)勢。通過群集，能夠達到降低許多生產過程場合因硬件多重冗余而導致的高成本，而始終能夠確保服務器的可用性。合并站點時，在不影響關閉系統(tǒng)功能的情況下，群集方法會減少中央控制室的成本和人力。此外，群集還可以用來將站點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)的負載。

    背景

    本白皮書是Citect 委托，以介紹和闡述過程控制的群集概念和自動化選擇為目的。

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

    Frost & Sullivan成立于1961年，是一家全球化迅速發(fā)展的咨詢公司。通過它的幫助，全球共有1000多家公司和新興企業(yè)達到并超過它們預期的增長目標。Frost & Sullivan目前在全球設有31個辦事處，擁有員工1500余名。Frost & Sullivan工業(yè)自動化服務領域有MES，PLCs, SCADA, 公共汽車及以太網，資產管理，資產最優(yōu)化，SC過程和制造系統(tǒng)的監(jiān)視和市場追蹤技術。

    想了解更多的工業(yè)自動化的相關信息請登錄http://www.industrialautomation.frost.com

    關于Citect

    Citect是世界領先的提供工業(yè)自動化系統(tǒng)、實時智能、建筑自動化體系、新一代 MES和基準應用型軟件的供應商。以開放的工業(yè)技術為杠桿，旗下的產品如CitectHMI/SCADA, Ampla, Nexa and Meta可鏈接多種工廠商務系統(tǒng)。Citect的產品已經在超過80個國家中進行了安裝，并且在眾多工業(yè)領域中得到廣泛的應用執(zhí)行，其中包括：采礦、冶金、食品和飲料、制造、工具生產、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，日本，南北美洲，歐洲，非洲和中東等地區(qū)和國家設有代表處。

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    ©所有權利不得侵犯

    本白皮書通過Citect的委托提供。

    Frost & Sullivan對于Citect提供給我們信息的紕漏不負任何責任。

    本報告完成于2007年2月

    集中化和本地化的矛盾
    --由叢集來調和

    長期困擾大多數(shù)程序操作的高級管理問題如下：
 
    ■ 如何在集中化和本地化之間找到平衡？

    ■ 如何在不增加網絡的風險和損失系統(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，因此會在程序數(shù)據集合方面進行高額投資以整理一個統(tǒng)一的指示器展示系統(tǒng)運行狀態(tài)，擯棄了系統(tǒng)不規(guī)則的缺點，增加了跨系統(tǒng)操作的透明度并可以對各個生產過程進行全盤清晰的分析。

    但是，當高度依賴網絡鏈接時，過于集中化會導致風險增加。 同時，實施集中化監(jiān)控常常與本地化監(jiān)控之間也常需要有個取舍關系。

    本地化：關閉程序的監(jiān)視和控制

    在典型的系統(tǒng)操作中，就地監(jiān)測具有集中監(jiān)控的所無法達到的好處，如直觀的分毫不差的過程視圖、分析和控制。它可減少意外操作的反應時間，使高級管理層放心。

    但如果企業(yè)在它的程序控制和自動化方案中采用過度本地化的解決方案（例如，每個網站上的本地化獨立網絡系統(tǒng)），那么這個結構將會產生很多不是很明顯的后果：并給所有的數(shù)據都能被中央數(shù)據庫反饋。另外，每個起到“控制島”功能的本地化系統(tǒng)，都承受與其他站點不同步的風險。

    最重要的是，這樣的系統(tǒng)在安置職員，維護和升級時需要投入很高的成本。有時，這種過度本地化給硬件帶來的高成本意味著不是所有的本地系統(tǒng)都會配置這種服務器。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甚至可能對所有的現(xiàn)場站點都不配置冗余的服務器，這樣大大降低了這些站點的可靠性。

    過度本地化會增加復雜性和運營成本卻無助于提高操作的效率。過度集中化則有可能就現(xiàn)實性而言可能太簡化了。
那么，這些明顯的矛盾能夠協(xié)調起來嗎？

    一些企業(yè)通過咨詢專業(yè)的服務來解決這個問題。大量的編程工作來連接各個系統(tǒng)或項目。在多數(shù)情況下， 那些企業(yè)能夠達到連接系統(tǒng)或項目的目的，但卻沒能顯現(xiàn)這種整合的優(yōu)勢。更糟糕的是，有的企業(yè)可能投入了相當多的工程師資源將獨立的項目結合起來，結果卻創(chuàng)造一個平行的集中化項目。這樣未必會得到真正叢集的好處。

    兩個世界的最佳結合點：叢集

    要解釋這個概念，首先要認識到不是所有的程序,就操作速度和危險度而言,都需要充分的本地化和專用的控制系統(tǒng)的。例如，一個水系統(tǒng)的利用可能是24/365全天候運轉，但是很明顯它的遠程站完全不需要安排員工到各站點進行全天候職守。類似的，一個油氣天然氣設施可能跨越好幾個地方，但也并不需要在每個遠程局域站都設置控制室。

    理解這一點的企業(yè)就能發(fā)現(xiàn)并利用這個的機會，的確可以節(jié)省大量的開支且提高運營效率。例如，美國的一個燃氣輸
送公司曾經一度需要在每個20+的壓縮機站設有24小時監(jiān)控。通過安裝Citect提供的自動化方案SCADA系統(tǒng)，這個公司取消了在每個小壓縮機站的全時職員安置，在大部分的其他站點減少了員工而是實行單班維護?，F(xiàn)在，只有中央操作中心運行24/365全天候員工職守。每年可節(jié)省500萬美元的操作費用。

    如上所述，這些好處都是相當可觀的。但是縮減遠程站點的職守員工，降低遠程站點硬件的維護和升級費用并不會導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。簡單的說，從集就是過程元素的分類或組織，同一分組內的過程元素關聯(lián)性很強，而不同分組之間的過程元素關聯(lián)性很弱。

    在程序控制中，從集是將多個SCADA系統(tǒng)結合起來以提供一個統(tǒng)一的操作界面。可以分為警報組織，趨勢分析，報表和I/O變量標簽以致于使曾經需要被多個操作員監(jiān)視的系統(tǒng)如今可以由一個操作員進行跨系統(tǒng)瀏覽和監(jiān)控。叢集是通過基于過程而不是基于機器來達到這一點的。

    可以用簡單的組態(tài)例子來幫助說明這個問題。在情節(jié)A中，實施從集之前，一個操作有4個生產線，每條線需要2各服務器（一個基礎的和一個備用的）。在情節(jié)B中，實施從集之后，一個中央處理器就可以相當于4個生產線的服務器。這意味著在每條線或機器上不需要備用服務器，每條生產線都實現(xiàn)了冗余。集中化就得到了，實現(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：

    ■ 通過減少偏遠站點/線路/地點的員工來壓縮成本

    ■ 通過減少控制室的數(shù)量降低成本

    ■ 通過在每個站點/線路/地點減少冗余硬件來降低成本

    ■ 通過壓縮整個系統(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，不需要高成本升級或更換服務器就能夠實現(xiàn)更多的功能。

    通過不斷的提高得到使項目管理得以改進，并能保證數(shù)據完整性和標準化（因為群集的集中化能使在一個地方的變化在全部的系統(tǒng)得到復制而不需要在每個單個系統(tǒng)里變更）。操作員的專業(yè)化成為了可能（以程序來設置一個系統(tǒng)，將人力集中在報警系統(tǒng)，趨勢系統(tǒng)，報告系統(tǒng)上，而不是分析每個機器的多個系統(tǒng)）以上好處都可以在大范圍的終端處的一實踐：從傳統(tǒng)的水&廢水處理或油燃氣管道到其他的行業(yè)如采礦，冶金，制造，制藥，基礎設施工程如建筑自動化項目等。

    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)，對于叢集的潛在的優(yōu)點，他如是說：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。我們有4－5個獨立的區(qū)域，每個區(qū)域獨立運行。在過去如果我們遇到那種缺少光纖或服務器的網絡建設問題時，通常的配置是將無法得到趨勢或報警報告。從集功能可以彌補這些不如意，而且我們還能將網絡服務器從10個減少到5個左右。服務器成本節(jié)省一半是另一個重大的優(yōu)點。

    實施叢集： 合并或分隔

    叢集在具體實施過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拆分系統(tǒng)。

    合并：傳統(tǒng)的叢集應用在合并網站或系統(tǒng)中。通過產生一個單獨的報警明細表和單獨的跨系統(tǒng)趨勢圖，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周的時間。存在的難點是，當需要合并那些重名的變量標簽、趨勢或事件時 ，定制的工作量就大大增加了。

    分隔: 叢集還可以通過中央服務器的維護來分隔系統(tǒng)或產生可靠的子系統(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)負荷和保證系統(tǒng)關閉功能。

    它還可以通過報警，趨勢，報告，標記的分系統(tǒng)保證來提高系統(tǒng)的可靠度。同時在擴大系統(tǒng)的情況下，拆分系統(tǒng)可以通過在單個機器上增加服務器，允許用戶突破64000個群集單獨報警工業(yè)的限制。設定分隔系統(tǒng)的過程需要花2天到一個星期的時間。

    圖一，合并現(xiàn)場站點

    圖二，分隔現(xiàn)場站點

    復制叢集

    隨著企業(yè)的成長（就生產/工藝或信息流量的擴大），各個系統(tǒng)需要同步擴大。這需要一些時間來復制系統(tǒng)。使用采用從集的方法，企業(yè)有能力為一個項目多次運用同一個設置，并把該設置自動地復制到各個叢集。這就保證了更簡便快捷的升級系統(tǒng)。

    它也同樣意味著一個項目一旦被測試，只要復制該工程就能確保生成任意數(shù)量的重復系統(tǒng)，而不需要對這些復制出來的系統(tǒng)一一進行測試。就操作員而言，這也意味著操作員可以根據命令在同一個頁面上看到不同時間里不同叢集的運行。隨著合并叢集，相似的標記/事件/趨勢的存在會給透明叢集合并重復項目帶來挑戰(zhàn)。

    叢集引出的思考

    絕大多數(shù)現(xiàn)有的SCADA 方案供應商都能夠為過程控制終端用戶們提供關于叢集的建議或實施叢集。為了正確地進行，終端用戶需要咨詢或回答如下問題：

    ■ 當前的控制體系中哪些現(xiàn)場環(huán)節(jié) (控制室， 人力， 硬件等)可以進行改進同時又不影響本地系統(tǒng)的功能?

    ■ 或者，另一方面，哪個系統(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絡故障風險的？

    ■ 當合并各個網絡站點時，怎么解決變量標記/趨勢相似的問題？

    ■ 需要額外增加多少內存和處理器運算能力

    ■ 被提議的叢集日后修改起來難易程度如何？

    對這些問題的理解會幫助終端用戶將使用從集系統(tǒng)的效益最大化，SCADA解決方案供應商將會在操作情境下和基于終端用戶的商業(yè)優(yōu)先權原則考慮后，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潛在的好處。這些好處不僅僅包含計算那些通過節(jié)省硬件設施、控制室和人力而節(jié)約的費用，還需要羅列那些隨著調和集中化和本地化需求而帶來的間接的但同樣重要的好處。