下一代控制系统——“软件定义控制”的四大优势

    现在的过程和混合制造商所面临的挑战与五年或十年前的不同，而软件定义控制系统正在发挥作用。制造企业正在承诺提高可持续性，甚至设定了在未来几年内，要实现的净零碳目标。与此同时，充满活力的全球市场迫使制造商实现更灵活的运营，以满足客户不断变化的需求。

    为了实现这些目标，企业需要能更轻松的访问数据，他们正在朝着无界自动化的愿景发展。在这一愿景中，数据从智能现场，通过边缘无缝地传输到云端。团队需要能够轻松的访问数据，来提高生产力和运营敏捷性，这将有助于实现其目标，但在传统的控制技术中，数据更有可能是孤立的，无法自由的使用数据。这种差异促使许多运营团队考虑新项目来取代其老化的基础设施，但传统的扩建和更新项目可能既复杂又昂贵。

    软件定义的控制技术是一种模型，通过消除专用控制硬件，实现更灵活、可扩展、面向未来的运营，最终使项目更容易执行，更具成本效益。因此，理解软件定义控制，对于驾驭自动化的未来至关重要。

为何工业控制系统需要软件定义？

    如今，当运营团队想要扩展或使其自动化系统现代化时，通常必须购买和安装各种新的硬件。团队还需要购买特定的工业硬件控制器，然后将其配置在专用机柜中。他们还需要购买运营所需的新I/O，需要一个网络层来容纳所有的新设备。

    软件定义控制可以消除现有自动化系统的硬件复杂性。团队应该能够在许多不同的硬件平台上，运行容器化的控制工作负载，而无需购买为特定目的而构建的硬件。一种可能的软件定义工作负载部署环境，是通过超融合基础架构（HCI）实现的，控制系统在HCI环境中作为冗余服务运行（图1）。

▲图1：超融合基础架构（HCI）是软件定义平台的构建块，结合了传统和实时工作负载。艾默生的无界自动化愿景就是一种软件定义的控制技术，该模型旨在通过消除专用控制硬件，使项目更容易执行，更具成本效益，从而实现更灵活、可扩展、面向未来的运营。本文图片来源：艾默生

软件定义工业控制系统的四大优势

    用于工业控制领域的软件定义控制模型将提供四个关键优势：

    1 弹性：当今运营对高可用性冗余控制的需求进一步增加。由于在HCI上有多个控制器同时运行，团队可以在不关闭设施的情况下，额外添加自动化工作负载。扩展或添加自动化负载，只需要在虚拟化环境中部署轻量级的容器化控制功能，在扩展区域开发输入输出（I/O）子系统，然后自动感知自动化系统中的现场设备。如果一个容器化控制功能发生故障，HCI的快速故障切换功能，将使团队能够持续无缝地的运行。HCI提供的灵活性允许超越传统1:1主/备份架构的容错能力，包括在故障时转移到处于其它物理位置的虚拟主机的可能性。2

    2 可扩展性：当操作人员无需重新设计复杂的硬件系统即可增加容量时，控制系统的适应性将发生根本变化。设计和配置更多的机柜，以进行额外控制的日子已经一去不复返了。使用HCI，添加额外的计算能力，就像在服务器机柜中连接另一个刀片服务器一样简单。

    3 灵活性：软件定义控制简化了项目执行和日常运营活动。在扩展或现代化运营时，团队不需要计算每个设备的信号标签（DST），而是可以安全地估计他们的要求并根据需要进行调整。在任何时点，如果项目团队需要进行影响I/O点容量或类型的更改，那么向上或向下扩展DST只需要更改软件配置即可。团队不再受项目执行决策的限制，而可以在满足运营需求的同时提高自动化水平。

    4 可升级性：自动化技术变化频繁。虽然团队经常希望利用控制系统更新所提供的新功能，但如果升级需要中断生产时就很难实现。软件定义控制可以简化该过程。随着自动化供应商发布新功能，使用软件定义系统的运营团队，可以在不中断生产的情况下更新和更改控制软件和策略，在主控制功能实例持续运行的同时，更新另一个控制功能实例。

为什么是现在开始向软件定义控制转换？

    支持软件定义控制的技术构建块已经存在多年，但自动化用户和供应商才刚刚开始调整他们的环境以使用该技术。这一转变恰逢该领域的新技术，如以太网高级物理层（Ethernet-APL），正在解锁新的数据源，这些数据源将把当前的控制硬件推向（或超过）其极限。大量数据将很快从智能领域进入控制系统，包括视频、声学监控和其它领域。具有创新精神的公司正在寻找将这些数据整合到控制策略中的方法。

    最终，每家公司都需要一个面向未来的架构来吸收来自智能现场指数级增长的数据。今天迈向这个未来将有助于团队确保他们走上通往自动化平台的道路，以实现行业领先的运营绩效（图2）。

▲图2：随着企业内外添加新的、更复杂的、带宽密集型的数据源，企业将需要新的基础架构来支持下一代智能现场以及外部数据源。本文图片来源：艾默生
 

    最先进的自动化供应商已经交付了初期软件定义控制可视化。这些公司正在为基于HCI的下一代虚拟化奠定基础，并通过更灵活的控制器技术，来补充这一创新。

    当今最灵活的控制器，虽然仍由专用硬件驱动，但包含了软件定义控制的许多核心概念，例如根据运营要求，灵活扩展或缩小的能力。这些技术是推动和支持软件定义控制未来的基础。具有前瞻性思维的过程和混合制造商已经将其集成到项目中，为软件定义的未来做好准备。

随着越来越多的制造企业接受无界自动化以增强数据移动性的愿景，工业控制的未来将迅速改变。新的控制系统将建立在灵活性的基础上，软件定义的解决方案是该道路的基础要素。长期以来，制造商一直希望自动化解决方案能够实现按需付费，现在，软件定义的控制系统解决方案将把这种权力交到他们手中。

    关键概念： 

    ■ 了解软件定义控制及其系统的四大优势。

    ■ 了解为何是现在向软件定义控制系统过渡，目前处于何种状态？

    ■ 考察如何使用更少的硬件，更好地控制弹性、可扩展性、灵活性和可升级性。

    思考一下： 

    您的下一代控制系统将具有哪些特点？

    ▲本文来自于控制工程中文版杂志（CONTROL ENGINEERING China）2024年9月刊《技术文章》栏目：软件定义工业控制系统的四大优势