1、引言

    70 年代以來，工業制造進入計算機集成制造系統（CIMS）階段。CIMS中的一個重要環節是利用計算機技術對生產過程進行監控、管理和控制，這涉及到眾多現場設備的分布式自動控制和信息集成。20多年來，這種分布式控制系統經歷了若干發展階段，從集散控制系統（DCS）、現場總線控制系統（FCS）到智能控制-維護-管理集成系統（ICMMS），控制單元日益智能化，控制的方式日益走向多智能控制單元的協同工作模式。現代化的現場設備不再是簡單的傳感器和控制器，它具有一定的自主控制、數據管理和通信能力，在這一點上它已發展成一種智能自主體（Agent）。因此，分布式控制系統技術與計算機支持的協同工作（CSCW）技術具有相似點。未來的分布式控制系統將突出智能性和系統性，并日益與生產、管理過程的其他環節集成，實現高效率、高可靠性的現場控制。

    2、集散控制系統

    集散控制系統是利用計算機技術對生產過程進行集中監測、操作、管理和分散控制的一種新型控制技術。是由計算機技術、信號處理技術、測量控制技術、通訊網絡技術、CRT技術、圖形顯示技術及人機接口技術相互滲透發展而產生的。DCS既不同于分散的儀表控制，又不同于集中式計算機控制系統，而是克服了二者的缺陷而集中了二者的優勢。DCS的結構是一個分布式、分支樹狀結構。按系統結構進行垂直分解，它分為過程控制級和控制管理級，各級既相互獨立又相互聯系，每一級又可水平分解成若干子集。從功能分散看，縱向分散意味著不同級的不同功能，如實時控制、實時生產過程管理等，橫向分則意味著同級設備具有類似功能。

圖1 DCS結構圖

    DCS是采用標準化、模塊化和系列化的設計，由過程控制級、控制管理級和生產管理級組成的一個以通訊網絡為紐帶的集中顯示而操作管理、控制相對分散的實用系統。它具有如下特點：

    自主性：系統上各工作站是通過網絡接口連接起來的，各工作站獨立自主地完成自己的任務，且各站的容量可擴充，配套軟件隨時可組態加載，是一個能獨立運行的高可靠性子系統。
協調性：實時高可靠的工業控制局部網絡使整個系統信號共享，各站之間從總體功能及優化處理方面具有充分的協調性。
 
    在線性與實時性：通過人機接口和I/O接口，對過程對象的數據進行實時采集、分析、記錄、監視、操作控制，可進行系統結構、組態回路的在線修改、局部故障的在線維修。 

    高可靠性：高可靠性是DCS的生命力所在，從結構上采用容錯設計，使得在任一個單元失效的情況下，仍然保持系統的完整性，即使全局性通信或管理失效，局部站仍能維持工作。從硬件上包括操作站、控制站、通訊鏈路都采用雙重化配置。從軟件上采用分段與模塊化設計，積木式結構，采用程序卷回或指令復執的容錯設計。 

    適應性、靈活性和可擴充性：硬件和軟件采用開放式，標準化設計，系統積木式結構，具有靈活的配置可適應不同用戶的需要。工廠改變生產工藝、生產流程時只需改變系統配置和控制方案，相應使用組態軟件填一些表格即可實現。
友好性：DCS軟件面向工業控制技術人員、工藝技術人員和生產操作人員，采用實用而簡捷的人機會話系統，CRT高分辨率交互圖形顯示，復合窗口技術，畫面豐富，縱觀、控制、調整、趨勢、流程圖、回路一覽、批量控制、計量報表、操作指導畫面、菜單功能等均具有實時性。平面密封式薄膜操作鍵盤、觸摸式屏幕、鼠標器、跟蹤球等操作器更便于操作。

    DCS 已經歷了三代。1975年Honewell公司推出的TDC2000集散控制系統是一個具有許多微處理器的分級控制系統，以分散的控制設備來適應分散的過程對象，并將它們通過數據高速公路與基于CRT的操作站相連接，互相協調，一起實施實時工業過程的控制和監測，實現了控制系統的功能分散，負荷分散從而危險性也分散。在此期間世界各國相繼推出了自己的第一代DCS。第二代產品在原來產品的基礎上，進一步提高了可靠性，新開發的多功能過程控制站、增強型操作站、光纖通信等更完善了DCS。其特點是采用模塊化、標準化設計，數據通信向標準化遷移，板級模塊化，單元結構化，使之具有更強適應性和可擴充性。控制功能更加完善，它能實現過程控制、數據采集、順序控制和批量控制功能。第三代產品開發了高一層次的信息管理系統。其共同特點是：實現了開放式的系統通信，向上能與MAP和Ethernet接口，或者通過網間連接器與其它網絡聯系，構成復合管理系統；向下支持現場總線，它使得過程控制或車間的智能變送器、執行器和本地控制器之間實現可靠的實時數據通信。過程控制組態采用CAD方法，使其更直觀方便，實現自整定功能。

    當今DCS向綜合化、開放化發展。90年代工廠自動化要求各種設備(計算機、DCS、單回路調節器、PLC等)之間的通信能力加強，以便構成大系統。開放性的結構將方便地與指揮生成管理的上位計算機進行數據交換，實現計算機集成生產系統。同時在大型DCS進一步完善和提高的同時，發展小型集散控制系統。隨著電子技術的發展，結合現代控制理論，應用人工智能技術，以微處理器為基礎的智能設備相繼出現，如智能變送器、可編程調節器、智能PID自整定控制、智能人機接口，以至于智能DCS。總的發展趨勢可體現在如下幾個方面：各制造廠商都在“開放性”上下功夫，力求使自己的DCS與其他廠商的產品很容易地聯網；大力發展和完善DCS的通信功能，并將生產過程控制系統與工廠管理系統聯結在一起，形成管控一體的產品；高度重視系統的可靠性，在軟件的設計中采用容錯技術；在控制功能中，不斷引進各種先進控制理論，以提高系統的控制性能，如自整定、自適應、最優、模糊控制等；在系統規模和結構上，形成由小到大的產品，以適應不同規模的需求。

    3、現場總線

    現場總線克服了DCS系統中通信由封閉的專用網絡系統實現中所產生的缺陷，把基于封閉專用的解決方案變成基于公開標準化的解決方案；同時把集中與分散相結合的DCS集散控制結構，變成新型的全分布式結構，圖2所示；同時把集中與分散相結合的DCS集散控制結構，變成新型的全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場，依靠現場智能設備本身實現基本控制功能。

圖2 現場總線示意圖

    FCS的設計目標是針對現存的DCS的某些不足，利用現場總線技術改造DCS。DCS經過多年的發展，具有集中監控、分散控制、操作方便、可靠性高的優點，如DCS采用多操作站對等式的結構，利用網絡通信技術和冗余技術，每一臺操作站可以操作控制系統內的任一臺儀表，加上多操作站的互相備份方式，使得可靠性大為提高。在應用中也發現DCS的結構存在一些不足之處，如控制不能做到徹底分散，危險仍然相對集中；由于系統的不開放性，不同廠家的產品不能互換、互聯，限制了用戶的選擇范圍。

    現場總線技術的出現，促使了DCS向現場總線控制系統FCS演化。目前FCS的模型一般是針對小型系統，在這類系統中，FF協議的現場儀表可以組成控制回路，使控制站的一部分功能下移分散到現場儀表中，減輕了控制站負擔，使得控制站可以專職于執行復雜的控制算法。對于簡單的控制應用，可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起連接現場總線作用的網橋和集線器，操作站直接與現場儀表相連，構成FCS。

圖3 典型現場總線結構圖

    FCS想要在實際中取代DCS，既要具備DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺點。FCS由于采用了現場總線技術，在開放性、控制分散等方面優于傳統DCS。但是FCS是一種新技術，目前甚至連標準本身都還沒有制定完畢，因此與成熟的DCS相比，在技術、開發、生產供應、應用經驗等諸方面都還存在一些欠缺。由于這些原因，FCS取代DCS將是一個逐漸的過程。在這一過程中，會出現一些過渡型的系統結構，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系統。用戶將現場總線連接到獨立的現場總線網絡服務器，服務器配有DCS中連接操作站的上層網絡的接口，與操作站直接通信，見圖4。

圖4 支持現場總線儀表的DCS

    4、智能控制 - 維護 - 管理集成系統

    智能控制―維護―管理集成系統90年代發展起來的一項新概念、新方法、新技術。它以智能化、信息化、網絡化的手段，使企業和生產過程獲得高性能、高可靠和高效益。它是21世紀企業發展的方向。ICMMS以分布式的智能測量與操縱系統(intelligent actuation and measurement system， IAMS)為基礎，通過信息交換與共享，將控制、維護和技術管理系統(control maintenance and technical management system， CMMS)集成為一個有機整體，即ICMMS。

    在ICMMS體系結構中，控制、維護和技術管理子系統分別由相應的工作站和一系列相應的子功能組成。其中，各工作站通過現場總線和以太網與現場的智能執行器和智能傳感器以及其他的工作站交換信息，實現較高級的控制、維護和技術管理功能；而一系列相應的子功能則被分布到各智能執行器和傳感器中。與常規設備不同，智能化設備具有信息處理、存儲和通信功能，它們一方面為上級功能模塊提供信息，另一方面實現一定的對現場設備的控制、維護與管理功能。

    控制、維護和管理是相互聯系的，相互制約的。CMMS就是把控制、維護和管理三者集成為一個統一的系統。CMMS是在三者的交集上來考察和處理問題，充分利用各部分的信息，做出最優決策，獲得最高效益。

    IAMS包括四個智能模塊：

    a. 目標分析模塊：分析用戶要求與裝置及生產過程的一致性和相關性。 

    b. 態勢分析模塊：提供給用戶關于裝置及生產過程狀態、特性的綜合報告 ( 含歷史、現狀、趨勢及仿真 ) 。

    c. 狀態及故障分析模塊：根據技術的有效性(閥值、濾波)、操作運行的有效性(硬件冗余校核)、功能有效性(功能與過程狀態的相關性)確定觀察是否有效，對故障的類型、性質、部位進行診斷和分析。

    d. 決策分析模塊。用來支持選擇控制策略，以便根據有效的觀察達到有效的目標。

    上述4個模塊之間的信息是相互交流的，且是一致的。因而，所作出的決策將是在綜合考慮了受控對象狀態和運行要求后，能實現最優目標的最優決策。

    將CMMS和IAMS兩子系統結合起來，就構成了完整的ICMMS系統，如圖5所示。其中，集成模式子系統CMMS將控制、維護和技術管理功能集成在一起，使企業和生產過程獲得高性能、高利用率和高效益；分布模式子系統IAMS作為CMMS的支持系統主要完成過程的測量和執行，為CMMS系統提供所需的信息。

圖5 CMMS-IAMS系統

    ICMMS的總體體系結構如圖6所示。圖6中，自下而上的第1層是生產過程，在此存在著不同形式的物質流和能量流。第2層是一個基于現場總線的分布式系統，由若干智能執行器(intelligent actuator， 縮寫為IA)和智能傳感器(intelligent sensor，縮寫為IS)組成，它們一方面對生產過程中的數據加以采集，并經過適當處理后送到總線上，以提供一致的和有效的信息；另一方面對從現場總線上取得的操作命令加以處理并執行。第3層是與現場總線和企業網同時相連的負責實現控制、維護和技術管理的工作站，它們從現場總線獲取生產過程中的數據，通過現場總線和企業網彼此交換信息和發出指令，并為運行管理人員提供良好的人機界面。最上層是整個企業的管理層。從其構成可以看出，在ICMMS，只存在數據流和信息流，因而可以將其理解為一種工業自動化領域的信息集成技術。

 
圖6 ICMMS體系結構示意圖

    5、控制子系統的智能化

    IAMS 的智能模塊化已反映了控制子系統的智能化發展趨勢（圖7）。現代分布式控制系統中，傳感器和執行器不再是是簡單的信號轉換和控制設備。它具有一定的自主性，具有簡單的判斷能力和通信能力。下面以智能傳感器的發展來進一步說明這一點。

圖7 IAMS模型結構

    智能傳感器采用超大規模集成電路技術，嵌入式系統(Embedded system)，將CPU、存儲器、A/D轉換器和輸入、輸出功能集成在一塊芯片上，傳感器信號可以直接以數字量形式輸出，使信號的模數轉換工作從計算機端下移到現場端，降低了系統復雜性，簡化了系統結構，現代智能儀表的另一個主要優點是除了象傳統傳感器一樣輸出被測信號量外，還能給出傳感器自身的狀況信息，使得系統控制人員能隨時掌握系統中各傳感器的運行現狀和維修、更換傳感器的時間，為整個系統的安全運行提供了可靠的保障。智能傳感器的第三個強有力功能是自帶控制功能，許多簡單的控制算法(如PID控制)可以直接由智能傳感器完成，進一步簡化了系統結構。

    智能傳感器與傳統的傳感器有著本質的區別，它是一個以工業現場總線為基礎，以CPU為處理核心，以數字通信為變送方式的傳感器和變送器的統一體。這種傳感器比普通的智能傳感器又增加了數字通信功能，或者說它是面向網絡的，具有聯網功能。總線式智能傳感器是新一代的信息采集裝置，每個這樣的傳感器都是智能化網絡的一個節點，各自決定系統的運行而不需求助于中央控制器的控制。在這種全分布式系統中，測控點的模件面向網絡，用軟件規定系統的行為，而不求助于點對點的聯接，不需要復雜聯線，可以即插即用，實際上這種系統是多個智能傳感器與智能執行器的集成。這種系統的節點具有良好的交互性，因為系統內每個結點都可以是組態結點的控制器，所以具有按照意愿的組態能力，且系統的建立和擴展簡單易行。

    因此，現代智能傳感器和執行器的行為更多地表現得象一個agent。在人工智能領域中，用agent表示具有一定智能的實體以區別于一般的實體（object）。它可以是物理實體或抽象實體，可以進行推理決策和問題求解，是一種具有智能的邏輯單元。用agent可以建立一些系統的控制模型，基于agent的模型是一種擬人化的模型，因而可以將控制系統中人的行為和其它控制單元的行為統一起來，提供一種統一的描述方法。在分布式人工智能中，agent之間通過計算機網絡連接，agent做為網絡上的智能結點，構成分布式多agent系統。多agent系統(MAS)具有適應環境的動態自組織能力，因而在許多領域受到重視。在客觀世界中，由于知識和活動本質上是分布的，使得DAI（distributed artificial intelligence）具有很強的應用性，同時，在邏輯上、語義上、時間上、空間上的分布使得DAI系統具有很強的適應性，而且它還具有高效率、高可靠性和低成本的特點，這形成了DAI與工業應用相結合的強大動力。同時，DAI也提供了一種研究開放式系統的途徑。隨著DAI理論在各個領域的應用，agent的含義也得到了擴展和延伸。在一些環境中agent表示具有封閉功能、能自主決策的功能實體，被稱為“自主體”；在另一些環境中，agent的作用與其原來的詞義相同，只是代表功能實體處理一切外部事務，根據功能實體（當事者）的運行情況負責對外的合作、協調，這種agent被稱為“代理”。無論作為“自主體”還是“代理”，agent都通過網絡連接，通過相互傳遞消息進行工作，由于agent的擬人化的特征，agent的通信語言也比較接近自然語言。

    控制子系統的智能化為系統工作的協同化創造了條件。

    6、計算機支持的協同工作

    控制子系統的智能性和它們之間的協同工作，使我們認識到在傳感器和執行器已具備簡單智能的前提下，系統高效運行的關鍵在于如何提高各單元間的協同性。

    協同技術是近年發展起來的一門新興課題，與之相關的學科通常被稱為計算機支持協同工作(Computer Supported Cooperative Work ，簡稱 CSCW) 或群件。群件(Groupware)是指利用計算機和通信網絡為群體提供支持，并使之可協同工作的系統。關于群件的理論、技術、方法和應用等相關研究是計算機支持的協同工作研究范疇。“協同”概念既是CSCW應用的重要特征也是CSCW應用與傳統計算機應用的重要區別所在。所以協同問題是CSCW核心課題。

    在CSCW系統中，事務處理的主體是agent。這些agent可以是自動機器，也可以是人、組織、人―機系統（包括各種計算機輔助系統、管理信息系統）。在分布式控制系統中，agent就是智能傳感器和智能執行器以及與技術管理、控制、維護有關的人員和控制設備。將它們變成自治單元agent一方面要豐富和完善子系統本身的問題求解能力，另一方面要增強子系統與外界環境保持協調一致的能力。一個有效的方法是為各子系統增加一些功能，如自主決策功能、通信功能、局部數據存儲功能、全局數據訪問功能等，使子系統能自主決策，同時又能與其它子系統進行協調。通過這種方法，可以將控制系統由原來的遞階控制，緊密耦合的方式轉變為松散耦合的方式，從而提高系統的適應性和容錯性。

    智能控制網絡上的結點在行為上是自治的，功能上是完整的，各結點相互平等，不存在嚴格的相互依賴關系，但它們之間可以相互傳遞消息，不同的消息類型、不同的內容會導致消息接受者不同的響應。每個結點對其所能發出的消息和所能接收的消息都需要預先定義，每個結點的agent負責對消息進行識別、解釋和處理。網絡上的消息都進行編碼，每條消息擁有唯一的ID號，消息按作用分類，消息的種類和數量都允許擴展。消息的傳遞按需要可采用廣播方式和點對點方式。消息的形式有兩類：一類是通知消息，另一類是查詢消息。通知消息主動告知接收者某些信息，如最新任務消息，包括任務的類型、復雜程度、交貨期要求、質量要求等信息；查詢消息是消息發送者要得到別的結點的狀態信息。

    由于智能agent具有自治的特點，它擁有自己的局部數據庫、局部知識庫和模型庫，當它需要外部數據時可以通過網絡進行查詢。每個結點都有一個組件起著局部控制的作用，對結點的運行進行規劃。正因為其局部控制的特點，控制優化的目標是以其本身利益為主的，其決策的依據一方面是領域知識，另一方面是網絡上的信息，在由多個結點合作完成同一任務的情況下，往往完全的局部控制不能達到最優效果，需要提供一種協調機制。完全的局部控制和完全的全局控制都不能使系統的性能達到最優。在智能制造系統中，網絡的各結點分布自治，同時也相互協調，協調者是動態的，不是事先指定的，根據系統任務的分配動態地產生協調者，協調的方法是傳遞不同內容的消息，通過談判協商來達到協調的目的。同時，還可以在智能制造網絡上增加具有特殊功能的結點，起監視作用，這可視系統功能的需求而定。監視結點不能直接控制所監視的結點的行為，監視和協調仍然采用消息傳遞的方法，這是智能制造系統的控制模式，通過這樣的模式，網絡上各結點的內部結構盡管不同，而網絡接口基本相似。

    基于agent的智能控制系統采用分布式體系結構：賦予系統各組成實體或子系統以較大的自主權，使其形成智能自主體，以智能結點的形式用計算機通信網絡連接起來，各結點在邏輯上是平等的（相互之間沒有直接控制的關系），在物理上是分散的，在功能上是獨立的，各結點之間是一種松散耦合的關系，結點間通過傳遞消息相互聯系，在共同的通信語言基礎上相互協調合作，共同完成任務。智能控制系統的結構見圖8。

圖8 智能制造系統結構

    7、總結

    本文詳細分析介紹了智能分布式控制系統的發展和面臨的問題，在傳統集散控制系統、現場總線技術的基礎上，參考CSCW、ICMMS，提出了一個基于多agent的分布式智能控制系統框架。利用分布式人工智能原理，建立一種沒有中心控制器的智能控制環境，控制系統中的各功能子系統通過智能agent連接到智能控制網絡上，通過消息機制進行交流，使得信息、知識、控制設備以及人的智能都成為網絡上的共享資源。這種結構符合了子系統的智能化和系統控制的協同化兩大趨勢。