流程工業中新興的電子控制挑戰圍繞著系統日益復雜和連接性，以及對更高效率、可靠性和安全的需求。這些挑戰由物聯網（IoT）、人工智能（AI）和網絡安全威脅等趨勢推動，這些都影響著流程的控制和管理方式。

由此產生的趨勢之一是對分布式過程控制的日益重視。流程行業正朝向更加分布式和互聯的控制系統發展，常常與物聯網設備和云平臺集成（見圖）。這需要管理來自多個來源的數據，并確保系統不同部分之間的無縫通信。

在這種簡化的分布式過程控制系統架構可視化中，中央SCADA系統與中央控制器接口，實時以太網交換機將控制任務分配給本地邊緣控制器。每個邊緣控制器獨立管理自己的傳感器和執行器，實現模塊化、可擴展且潛在的容錯控制。

為了構建或轉換從集中式過程控制系統（DPCS），電子工程師必須超越傳統的PLC或集中式架構。他們需要潛心掌握系統分區、實時網絡、邊緣計算、同步和安全設計。以下是一些關于如何開始的建議。

我需要了解分布式控制的基本原理？

尤其是在復雜或大規模工業環境中，采用分布式過程控制相較于集中式系統具有顯著優勢。其中包括提升可靠性、容錯性以及可擴展性。

局部控制降低單點故障的風險。如果一個控制器或節點故障，其他控制器仍能正常運行，從而增加系統運行時間。此外，分布式系統通常更容易擴展——可以添加新的單元或子系統而無需徹底改造整個架構。此外，更模塊化的設計支持分階段升級和靈活生產線。

生產活動的好處可能包括更快的響應和改進的實時控制，因為接近減少了通信延遲，從而實現更快、更智能的本地決策。

分布式控制還能加快時間敏感作（如運動控制、化學投藥）的控制環路。在過程控制中，控制環是一個系統，自動調節過程變量，使其保持在期望的設定點。它通過持續監控過程變量，將其與設定點進行比較，并進行調整以維持所需狀態來實現這一目標。這些環路對于確保工藝穩定、優化性能和保持產品質量一致至關重要。

擁有分布式智能意味著本地控制器可以通過邊緣計算或本地邏輯獨立做出決策。這減少了中央處理的負載和帶寬需求。然而，分布式控制節點仍可將實時數據傳輸至云系統或數字孿生，為預測性維護、流程優化和遠程監控打開了大門。

控制系統的物理設置和維護也能受益。采用更模塊化的方法通常會更容易布線和安裝。此外，使用基于現場總線或以太網的網絡可以減少物理布線數量，有助于簡化維護并降低安裝成本。分布式診斷技術使技術人員能夠更快地定位和解決問題，因為故障通常可以迅速被隔離到單個子系統或節點。

分布式控制的另一個優勢是支持生產流程或自動化序列的重配置，無需重大重新布線或重新編程。在現代環境下，頻繁更換或定制化的需求，這可能是一大優勢。

然而，分布式控制也存在一些風險，即網絡延遲、同步錯誤和集成復雜性。

我如何實現分布式控制？

一個好的起點是分析那些能夠獨立或半獨立運行的子系統。閥門是與遠程功能同步作，還是可以獨立作？電機會響應本地信號嗎？是什么觸發了泵的作？

更廣泛地說，你需要定義哪些邏輯應是局部的，哪些是集中式的，并理解其中的集成和協調挑戰。例如，安全聯鎖可以作為本地控制的候選對象，而優化邏輯則可能保持全局控制。

首先將流程拆分為區域或設備模塊。國際自動化協會批準的ISA-88和ISA-95等標準，有助于構建模塊化和層級設計。

ISA-88 專注于批處理控，提供設計和實施批處理控系統（如配方管理、設備控制和程序控制）的框架。ISA-95專注于企業控制系統集成，提供了一個企業與控制系統集成的框架，實現制造組織不同層級之間的無縫數據交換與協調。

借助這些框架以及你自身的經驗或組織實踐，你可以開始繪制流程單元地圖，并分配專用的本地控制器，如PAC或工業電腦。利用I/O分配圖按物理和邏輯距離分組信號。I/O圖記錄了物理組件及其相關I/O點之間的連接和關系，從而幫助展示數據流動和設備之間的相互作用。

什么是分布式通信基礎設施，你如何實現它？

實時工業網絡通常建立在一系列熟悉的選項之上，包括：

• EtherCAT是一種由Beckhoff Automation開發的確定性且靈活的工業以太網協議。

• PROFINET IRT，是PROFINET協議中的一種專用通信通道，專為高速、確定性運動控制應用設計。

• SERCOS III，一種基于以太網的工業自動化實時通信協議。

• TSN（時間敏感網絡）指的是一套IEEE 802.1標準，旨在增強以太網以提供確定性、實時通信。

• 用于時間敏感控制環路的 IEEE 1588（PTP）也常常是實現的一部分。

利用這些元素，設計確定性通信骨干（環形、星形或網格），根據可接受延遲、抖動容忍度和供應商兼容性等因素選擇協議。然后根據需要加入時間同步硬件和固件（尤其是運動或電力電子）。

我該如何將這個粗略的概念變成現實？

有了你想要實現的目標及其架構的概念后，你就可以開始選擇和編程分布式控制器。市面上有多種類型的控制器，包括緊湊型PLC、RTU或PACs。

還有一些邊緣設備，具有本地邏輯執行和分布式編程選項，如梯形圖、ST和FBD，符合IEC 61131-3標準。它們通過提供標準化的方式結構化和重用代碼，實現模塊化設計，有助于簡化復雜的控制系統。

重要的是要確保每個控制器都有足夠的CPU和內存來支持其本地邏輯和診斷功能。此外，在本地實現狀態機或序列器，在監督層面采用全局協調邏輯，并確保在與中央系統通信中斷時實現故障安全。

我如何確保分布式方法支持診斷和維護？

自診斷和健康監測在分布式系統中至關重要;如果子系統被隔離，故障傳播實際上可能更難追蹤。為了支持診斷功能，努力實現每個節點的心跳/狀態通信。此外，還應支持固件更新和故障日志檢索，例如通過OPC UA實現，這是一種平臺無關、面向服務的架構，允許工業自動化應用中安全可靠的數據交換。

此外，采用標準數據模型如PackML或NAMUR NE 107有助于實現統一的診斷報告。這些分布式數據可以與集中監控和SCADA集成，因為可視化、優化和企業級集成仍需中央協調。

SCADA系統通常使用上述OPC的UA或MQTT代理，將分布式數據拉入統一儀表盤。通過為每個工藝模塊開發人機界面模板，并將分布式標簽映射到集中歷史員或MES平臺，將各個組件連接起來，可以使這些組件更加易用和實用。

我該怎么處理安全問題？

分布式控制并不能緩解長期存在的安全規劃需求。雖然分布式過程控制帶來了重大的運營優勢，但也增加了網絡安全攻擊面，因為每個分布式控制器、傳感器、執行器和網絡交換機都成為潛在的入侵點。

此外，標準化協議的使用使系統更具互作性——但也更加脆弱。與此同時，內部網絡中常見的缺乏加密或認證，可能為攻擊者攔截或篡改數據（中間人攻擊）打開大門。

為了最大限度地降低這些網絡安全風險，應在每一層構建縱深防御——從物理硬件、固件、單個設備到網絡和數據協議。這當然是一個龐大的話題，也常常受企業政策和指導的約束。換句話說，它大多仍處于集中式類別，但去中心化舉措應確保納入必要的最佳實踐。