羅安

    從大的方面講，計算機工業(yè)控制自動化系統(tǒng)的體系結構主要分為四大類：集中式控制系統(tǒng)DDC體系結構；分布式控制系統(tǒng)DCS體系結構；監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集SCADA系統(tǒng)體系結構；基于B/S結構的綜合監(jiān)控系統(tǒng)體系結構。

    這四種體系結構有其各自不同的發(fā)展背景和特點，自然也有著不同的適用范圍。

1   集中式控制系統(tǒng)DDC體系結構

        DDC是Direct Digital Control，即直接數(shù)字控制的縮寫，它是計算機進入控制和自動化領域以來最早應用的體系結構。DDC完全以單個的計算機為核心，利用計算機的硬件和軟件平臺構筑控制系統(tǒng)。DDC系統(tǒng)利用計算機的輸入輸出通道和過程I/O設備將計算機和現(xiàn)場連接起來，將被控過程的數(shù)據(jù)送入計算機；利用計算機的處理和存儲空間建立集中的實時數(shù)據(jù)庫；利用計算機的計算和處理能力進行控制計算和各種處理，如人機界面顯示、報警、統(tǒng)計、報表等。在DDC系統(tǒng)中，所有的部分，從計算機的CPU到存儲器、外部設備、過程I/O等都是通過計算機總線實現(xiàn)連接的，因此系統(tǒng)的規(guī)模受到了很大的限制，而且對外的通信功能也很弱，目前只有在規(guī)模比較小且對外通信聯(lián)系比較少的應用中使用DDC體系結構。典型的DDC體系結構如圖1所示。

        DDC系統(tǒng)的軟件是比較復雜的，因為所有的功能都集中在一臺計算機中完成，因此需要一個相當龐大復雜的軟件系統(tǒng)，這個系統(tǒng)要實現(xiàn)各種功能，而且要很好地協(xié)調各個功能之間的關系，包括對計算機資源（CPU時間、計算機總線時間、內存和外存空間等）的使用和運行中的相互影響等，其實現(xiàn)難度是相當高的。因此目前DDC體系結構只用在規(guī)模較小、功能比較單一的控制場合，特別是一些嵌入式控制領域。一般來說，嵌入式控制的現(xiàn)場I/O數(shù)量很少，相應的功能也比較單一，因此不需要龐大而復雜的數(shù)據(jù)庫，特別是人機界面HMI非常簡單甚至沒有。在這種應用場合，正好發(fā)揮了DDC構造簡單，成本低廉的優(yōu)勢。

2   分布式控制系統(tǒng)DCS體系結構

       DCS的 目標，是對生產(chǎn)設備或裝置的運行狀態(tài)進行直接的自動控制，以優(yōu)化這些設備或裝置的生產(chǎn)效率，達到保證生產(chǎn)設備或裝置運行的安全以及人身安全、增加產(chǎn)量、提 高質量、降低能源消耗、減少環(huán)境污染的目的。由于是計算機直接對生產(chǎn)過程進行控制，因此要針對被控過程建立數(shù)學模型，以便計算機根據(jù)模型進行計算并實施控 制。DCS體系結構是由直接數(shù)字控制（即DDC）系統(tǒng)發(fā)展而來的，其主要特點是面向現(xiàn)場的自動控制，減少人工干預，如閉環(huán)控制（CloseLoop Control）系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，人機界面只是一種輔助性的功能，系統(tǒng)對人的輸出只是為了操作人員監(jiān)視系統(tǒng)的運行是否正常，是否需要對某些異常情況進行處理；而人對系統(tǒng)的輸入是為了改變一些控制參數(shù)或在手動與自動之間進行切換，一般情況下并不直接向現(xiàn)場發(fā)出控制命令。典型的DCS體系結構示意圖如圖2所示：

    在這里，我們可以看到它的幾個重要特點：

    (1)  直接數(shù)字控制系統(tǒng)由現(xiàn)場I/O、現(xiàn)場控制、人機界面等三個主要部分組成。DCS將DDC中由單一計算機實現(xiàn)的現(xiàn)場I/O、現(xiàn)場控制、人機界面等功能分別由兩類不同的計算機完成。其中的一類完成現(xiàn)場I/O和現(xiàn)場控制功能，一般稱之為現(xiàn)場控制站（FCS）或分散過程處理單元（DPU）；另一類計算機完成系統(tǒng)的人機界面功能，一般稱之為操作員工作站（OPS）或直接稱為HMI。另外，為了應用工程的二次開發(fā)（即系統(tǒng)組態(tài)）和系統(tǒng)運行期間對系統(tǒng)本身運行狀態(tài)的監(jiān)視，系統(tǒng)還設有工程師工作站。

    (2)  在一個具體的應用系統(tǒng)中，一般會設置多臺FCS，HMI也會設置多臺。FCS之間是分擔處理量的關系，即一個系統(tǒng)的眾多I/O點和控制回路要分給幾臺、十幾臺甚至幾十臺FCS去完成，主要的目的是提高處理能力和分散FCS出現(xiàn)故障時的危險性；而HMI之間則是冗余的關系，系統(tǒng)中每臺HMI的配置和功能都是相同的，因此每臺HMI上都有全系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫，每臺HMI都可獨立完成數(shù)據(jù)的查詢、顯示等功能，這樣可以在任何一臺HMI出現(xiàn)故障時不影響系統(tǒng)的正常運行。

    (3)  由于FCS要對現(xiàn)場進行直接的控制，因此在FCS中要執(zhí)行各種控制算法，這就必須將現(xiàn)場I/O所得到的"生數(shù)據(jù)"，即在A/D變換后還未經(jīng)過工程量轉換的二進制格式數(shù)據(jù)轉換成"熟數(shù)據(jù)"，即計算機能夠識別并能夠進行計算或處理的定點數(shù)、浮點數(shù)、布爾量等，同時在FCS中還建立了當?shù)財?shù)據(jù)庫，用于存儲與控制回路和控制執(zhí)行器有關的數(shù)據(jù)，以在FCS中實現(xiàn)與控制有關的數(shù)學模型計算和控制操作。

    (4)  DCS要求FCS具有極高的自律性，即一旦系統(tǒng)投入正常運行后，每個FCS都應該能夠獨立運行，不受外界的干擾。在網(wǎng)絡不通或HMI失效等情況下仍能夠正常執(zhí)行控制功能，這是對DCS的最基本要求。因此，在一個具體的DCS應用中，只要保證了FCS的高度自律性，這個控制系統(tǒng)就有了最基本的可靠性保證。

    (5)  由于HMI需要了解掌握全系統(tǒng)的情況，因此在HMI中需要建立中央數(shù)據(jù)庫，它被設計成多拷貝的方式，即每臺HMI上都有一份自己的中央數(shù)據(jù)庫拷貝，這一方面是為了快速、方便、可靠，另一方面也是由于DCS的人機界面對于系統(tǒng)完成最主要控制功能并不起決定性作用，而且處于一種數(shù)據(jù)接受者的地位，因此其數(shù)據(jù)的更新可由FCS通過網(wǎng)絡對HMI進行廣播或群發(fā)來完成。

    (6)  DCS的網(wǎng)絡連接各個FCS和HMI，從邏輯關系上看，FCS和HMI分屬兩個不同的層次，但在物理上，系統(tǒng)中所有的節(jié)點，不論是FCS還是HMI，其地位都是對等的，互相之間均可實現(xiàn)信息的發(fā)送和接收。

    (7)  DCS一般用于設備級或裝置級的控制，因此對系統(tǒng)的要求是自動化程度高，控制響應速度快和可靠性高。對其規(guī)模卻不要求很大，一般在3 000個I/O點以內，個別規(guī)模特別大的DCS可達到5 000個I/O點左右。

    (8)  在使用DCS對生產(chǎn)設備或裝置進行控制時，操作人員一般不會去直接控制執(zhí)行器（實際上人的控制也不可能達到那樣高的速度），人工干預只是調整回路控制的參數(shù)或改變生產(chǎn)工況。在某些情況下，操作員為了特殊的需要才會將自動控制切換成手動控制，由人工進行直接的操作和控制。

3   監(jiān)督控制系統(tǒng)SCADA體系結構

    與DCS不同，SCADA系統(tǒng)以對生產(chǎn)過程現(xiàn)場的監(jiān)視為主，是向操作控制人員提供現(xiàn)場信息并由操作控制人員決定要實施的控制，最后由人發(fā)出指令對現(xiàn)場的執(zhí)行器進行操作的系統(tǒng)。在SCADA系 統(tǒng)中，操作控制人員是對現(xiàn)場實施控制的主體，而計算機系統(tǒng)則處于從屬和輔助的地位，這種由人控制而非系統(tǒng)直接控制的方式被稱為監(jiān)督控制。監(jiān)督控制的對象一 般是比較大范圍的、由多臺生產(chǎn)設備或裝置組成的系統(tǒng)，其目標首先是保證生產(chǎn)過程的安全，而對生產(chǎn)過程的優(yōu)化，則是一種更大范圍的、更高層次的優(yōu)化。一般這 種控制是找不出合適的數(shù)學模型的，只能依靠人的判斷和決策。在SCADA系 統(tǒng)中，人機界面是最重要的功能，因為操作控制人員要完全依靠人機界面來了解現(xiàn)場的情況，并通過人機界面發(fā)布指令以實現(xiàn)對現(xiàn)場的控制。因此現(xiàn)場數(shù)據(jù)的準確 性、完整性、一致性、實時性和人機界面的表現(xiàn)能力、使操作人員迅速準確全面理解現(xiàn)場狀態(tài)的能力、操作方便性、防止人為錯誤的能力等特性都是至關重要的。典 型的SCADA系統(tǒng)體系結構如圖3所示，可以看出，這是一個Client/Server體系結構。

        SCADA系統(tǒng)的主要特點有：

(1)  SCADA系統(tǒng)由現(xiàn)場I/O站、主服務器和人機界面等三個主要部分組成。現(xiàn)場I/O站一般稱之為RTU，即遠程終端單元；主服務器上建有全局數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)中所有的實時數(shù)據(jù)均集中到主服務器中；HMI則主要完成人機界面功能。與DCS一樣，在SCADA系統(tǒng)中也設有工程師工作站。

(2)  在一個具體的應用系統(tǒng)中，一般會設置多臺RTU，HMI也會設置多臺。由于SCADA系統(tǒng)是面向大范圍的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視，因此系統(tǒng)在地理位置上是分布較廣的，多臺RTU基本上按照測量點的地理分布而設置。多臺HMI之間是冗余的關系，系統(tǒng)中每臺HMI的配置和功能都是相同的，都可獨立完成數(shù)據(jù)的查詢、顯示等功能，這樣可以在任何一臺HMI出現(xiàn)故障時不影響系統(tǒng)的正常運行。各HMI可根據(jù)操作者的權限或功能進行在線的設定，使其完成不同的工作。

(3)  與DCS不同的是，由于SCADA系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)量一般都非常大，從幾千個I/O點直到幾萬個I/O點，有些特大型系統(tǒng)甚至達到幾十萬個I/O點。除了數(shù)據(jù)量大的特點外，SCADA系統(tǒng)還要對數(shù)據(jù)進行大量的處理和計算，例如統(tǒng)計、分析、排序、篩選等，這些都需要巨大的存儲容量和強大的處理能力。顯然在一個系統(tǒng)中配置多臺能夠滿足這種要求的HMI是不經(jīng)濟的，因此在每臺HMI上建立全系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫，即DCS所采用的多拷貝實時數(shù)據(jù)庫方式是不現(xiàn)實的。更重要的是，隨著數(shù)據(jù)量的增加，作為數(shù)據(jù)源的RTU如 何保證每個實時數(shù)據(jù)庫的拷貝都能夠得到及時的、不產(chǎn)生偶爾遺漏的數(shù)據(jù)更新是相當困難的，其通信的開銷也大得驚人。因為在這種情況下，不允許采用廣播方式， 雖然廣播方式的通信開銷很小，但這種方式所帶來的某個接收節(jié)點偶爾遺漏數(shù)據(jù)更新是經(jīng)常發(fā)生的，而這種遺漏的后果將是災難性的，它不僅使各個實時數(shù)據(jù)庫的拷 貝之間產(chǎn)生實時數(shù)據(jù)的不一致，還使得以實時數(shù)據(jù)為基礎的計算和處理結果產(chǎn)生不一致，進而會給各個操作人員輸出不同的結果，使他們對現(xiàn)場的情況做出不一致的 判斷，這在實際運行中是不允許的。另外，由于SCADA系統(tǒng)對現(xiàn)場的控制都是通過操作人員在HMI工作站上發(fā)布操作命令實現(xiàn)的，因此，由操作命令引起的數(shù)據(jù)庫改變相當頻繁，而每次改變都要使所有的數(shù)據(jù)庫拷貝同步改變，顯然這是很困難而且很難保證正確的一項工作。可以看出，在DCS中行之有效的多拷貝方式的實時數(shù)據(jù)庫形式，在SCADA系統(tǒng)中將產(chǎn)生相當大的負面影響。因此SCADA系統(tǒng)中均采用了Client/Server的體系結構，系統(tǒng)中設服務器以管理集中的、單一拷貝的實時數(shù)據(jù)庫，并完成數(shù)據(jù)的處理和計算。而HMI則作為客戶端使用數(shù)據(jù)。集中的數(shù)據(jù)庫將保證多客戶端在同時進行操作等數(shù)據(jù)庫更改時保持嚴格的互斥，以避免數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生混亂。

(4)  由于沒有對現(xiàn)場進行直接閉環(huán)控制的要求，因此RTU的功能比較簡單，其最主要的功能，就是將現(xiàn)場測量所得到的數(shù)據(jù)按照實時性的要求送入集中的實時數(shù)據(jù)庫。這里，測量數(shù)據(jù)可以是其原始格式，即所謂的"生數(shù)據(jù)"。當然為了擴充現(xiàn)場端的就地處理功能，現(xiàn)在很多新型RTU具備了從"生數(shù)據(jù)"到"熟數(shù)據(jù)"的轉換功能，同時還具備了計算、控制、顯示等就地處理功能。但帶來的問題是通信量的增加和通信規(guī)約的復雜化。

(5)  在DCS中特別強調的現(xiàn)場控制站FCS的自律性，在SCADA系統(tǒng)中并沒有太大的意義，這是由于在SCADA系統(tǒng)中RTU不能夠脫離主系統(tǒng)而獨立工作，因此一旦RTU和主系統(tǒng)之間的通信中斷，就只有等待通信的恢復。但在SCADA系統(tǒng)中，RTU的可靠性要求是相當高的，這是因為這類設備往往是隨生產(chǎn)設備安裝在現(xiàn)場的，一般沒有單獨為RTU設置的電子設備間。系統(tǒng)對RTU的要求是抗惡劣環(huán)境、工作可靠、免維護。因此RTU的設計是在滿足基本功能需求的前提下盡量簡化，以最簡潔的設計，最少的元器件，實現(xiàn)最需要的功能，以最大限度地滿足可靠性的要求。

(6)  SCADA系統(tǒng)的網(wǎng)絡分為兩個層次，底層是現(xiàn)場I/O網(wǎng)絡，其主要的作用是將各個RTU與服務器連接在一起，實現(xiàn)現(xiàn)場I/O與實時數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)通信。在傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)中，底層網(wǎng)絡通常采用點對點的串行口加MODEM的通信方式，用音頻話路作為傳輸介質，因此服務器必須具有多串口通信的能力，或利用通信前置機來完成多串口通信的功能。近年來已有越來越多的SCADA系統(tǒng)采用了局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)作為其底層的通信介質。SCADA的上層網(wǎng)絡是HMI網(wǎng)絡，其主要作用是將服務器和各個HMI連接在一起，實現(xiàn)HMI與實時數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)通信。

4   綜合監(jiān)控系統(tǒng)體系結構

    隨著信息技術的不斷發(fā)展和計算機自動控制系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)應用的不斷深入，傳統(tǒng)上以功能或形態(tài)劃分的多種計算機系統(tǒng)，其分界線現(xiàn)在已越來越模糊了。如過去單純?yōu)閷崿F(xiàn)閉環(huán)自動控制的DCS和以監(jiān)督控制及數(shù)據(jù)采集為主要功能的SCADA系統(tǒng)之間，就已經(jīng)出現(xiàn)了融合的趨勢，產(chǎn)生了綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在底層設置現(xiàn)場控制站以實現(xiàn)閉環(huán)控制，同時在上層采集全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并進行監(jiān)督控制。對于這類系統(tǒng)，如何結合DCS和SCADA的設計特點并將其有機結合，成為新一代的全數(shù)字化系統(tǒng)，是在體系結構設計中需要慎重考慮的問題。隨著開放式網(wǎng)絡結構的不斷成熟和IP技術的高速發(fā)展，B/S結構已逐步成為計算機系統(tǒng)，特別是大型計算機系統(tǒng)的標準體系結構。這些技術的發(fā)展自然會有力地影響著工業(yè)控制和自動化系統(tǒng)，于是出現(xiàn)了基于Browser/Server結構的綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)體系結構。圖4所示為一種新型的B/S結構綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)體系結構：B/S結構的綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)的主要特點有：

        (1)  綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)由現(xiàn)場測控子系統(tǒng)和人機界面子系統(tǒng)這兩個主要部分組成。現(xiàn)場測控子系統(tǒng)兼有RTU的數(shù)據(jù)采集功能和DCS的閉環(huán)控制功能；而人機界面子系統(tǒng)則主要完成人機界面，即HMI功能。與DCS和SCADA系統(tǒng)一樣，在綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)中也設有工程師工作站。

(2)  在一個具體的應用系統(tǒng)中，一般會設置多個現(xiàn)場測控子系統(tǒng)，HMI也會設置多臺。多個現(xiàn)場測控子系統(tǒng)基本上是按照測量控制點的地理分布而設置的。而HMI之間則是冗余的關系，系統(tǒng)中每臺HMI的配置和功能都是相同的，每臺HMI都可獨立完成數(shù)據(jù)的查詢、顯示等功能，這樣可以在任何一臺HMI出現(xiàn)故障時不影響系統(tǒng)的正常運行。

        (3)  由于現(xiàn)場測控子系統(tǒng)要對現(xiàn)場進行直接的控制，因此就地的工程單位數(shù)據(jù)庫是必須的。這就要將現(xiàn)場I/O所得到的"生數(shù)據(jù)"轉換成"熟數(shù)據(jù)"。即計算機能夠識別并能夠進行計算或處理的定點數(shù)、浮點數(shù)、布爾量等，同時在現(xiàn)場測控子系統(tǒng)中還建立了當?shù)財?shù)據(jù)庫，用于存儲與控制回路和控制執(zhí)行器有關的數(shù)據(jù)，以在現(xiàn)場實現(xiàn)與控制有關的處理與計算。

(4)  綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)同樣要求現(xiàn)場測控子系統(tǒng)具有極高的自律性，即一旦系統(tǒng)投入正常運行后，每個現(xiàn)場測控子系統(tǒng)都應該能夠獨立運行，不受外界的干擾，在網(wǎng)絡不通或HMI失效等情況下仍能夠正常執(zhí)行控制功能。

(5)  綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)充分利用了局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)的成熟技術在現(xiàn)場測控子系統(tǒng)和HMI之間建立網(wǎng)絡連接，在軟件技術上采用面向對象的編程方法，因此在網(wǎng)絡通信中采用了對象代理機制。這一系列新技術的采用使得原來必須在集中的服務器上完成的數(shù)據(jù)處理和計算功能可以在分布數(shù)據(jù)庫的基礎上完成，而不再需要集中的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。在HMI端，當需要了解現(xiàn)場的全面情況時，可通過網(wǎng)絡將所需的各種數(shù)據(jù)集中在一起并計算出結果，這樣系統(tǒng)的核心就從服務器變成了網(wǎng)絡系統(tǒng)。如果說，傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)在規(guī)模上受到了服務器容量和處理能力的限制，則綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)的限制只在網(wǎng)絡的帶寬上，因此，整個系統(tǒng)的規(guī)模和處理能力實際上可以認為是無限的。

5   結語

    將以上所述四種體系結構歸納起來，可以總結出它們之間的主要異同和發(fā)展趨勢：

    (1)  四種體系結構最主要的區(qū)別在于其實時數(shù)據(jù)庫的形態(tài)不同，DCS采用了多拷貝的實時數(shù)據(jù)庫，DDC和SCADA系統(tǒng)采用了集中式的實時數(shù)據(jù)庫，綜合監(jiān)控自動化系統(tǒng)則采用了分布式的實時數(shù)據(jù)庫，而分布式實時數(shù)據(jù)庫目前已顯示出了強大的生命力。

    (2)  系統(tǒng)的功能正在逐步從單一向綜合的方向發(fā)展，許多過去要幾個不同系統(tǒng)才能夠實現(xiàn)的控制和自動化功能，現(xiàn)在只需要一個系統(tǒng)即可完成。隨著系統(tǒng)向著高層次、大范圍、全功能的方向發(fā)展，計算機網(wǎng)絡的重要性在系統(tǒng)中將越來越明顯。

    (3)  數(shù)字技術和IT業(yè)的成熟標準已越來越多地被控制系統(tǒng)所采用，如面向對象的編程方法和對象代理機制等。底層數(shù)字化的全面實現(xiàn)和開放互連標準的廣泛使用將使長期以來存在的"信息孤島"和"分島控制"等局面得到根本性的改觀，一體化的控制、管理、信息系統(tǒng)將得以實現(xiàn)。