羅安

    從大的方面講，計算機工業(yè)控制自動(dòng)化系統的體系結構主要分為四大類(lèi)：集中式控制系統DDC體系結構；分布式控制系統DCS體系結構；監督控制和數據采集SCADA系統體系結構；基于B/S結構的綜合監控系統體系結構。

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

1   集中式控制系統DDC體系結構

        DDC是Direct Digital Control，即直接數字控制的縮寫(xiě)，它是計算機進(jìn)入控制和自動(dòng)化領(lǐng)域以來(lái)最早應用的體系結構。DDC完全以單個(gè)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。DDC系統利用計算機的輸入輸出通道和過(guò)程I/O設備將計算機和現場(chǎng)連接起來(lái)，將被控過(guò)程的數據送入計算機；利用計算機的處理和存儲空間建立集中的實(shí)時(shí)數據庫；利用計算機的計算和處理能力進(jìn)行控制計算和各種處理，如人機界面顯示、報警、統計、報表等。在DDC系統中，所有的部分，從計算機的CPU到存儲器、外部設備、過(guò)程I/O等都是通過(guò)計算機總線(xiàn)實(shí)現連接的，因此系統的規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(gè)相當龐大復雜的軟件系統，這個(gè)系統要實(shí)現各種功能，而且要很好地協(xié)調各個(gè)功能之間的關(guān)系，包括對計算機資源（CPU時(shí)間、計算機總線(xiàn)時(shí)間、內存和外存空間等）的使用和運行中的相互影響等，其實(shí)現難度是相當高的。因此目前DDC體系結構只用在規模較小、功能比較單一的控制場(chǎng)合，特別是一些嵌入式控制領(lǐng)域。一般來(lái)說(shuō)，嵌入式控制的現場(chǎng)I/O數量很少，相應的功能也比較單一，因此不需要龐大而復雜的數據庫，特別是人機界面HMI非常簡(jiǎn)單甚至沒(méi)有。在這種應用場(chǎng)合，正好發(fā)揮了DDC構造簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)勢。

2   分布式控制系統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(jìn)行直接的自動(dòng)控制，以?xún)?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(zhì)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(guò)程進(jìn)行控制，因此要針對被控過(guò)程建立數學(xué)模型，以便計算機根據模型進(jìn)行計算并實(shí)施控 制。DCS體系結構是由直接數字控制（即DDC）系統發(fā)展而來(lái)的，其主要特點(diǎn)是面向現場(chǎng)的自動(dòng)控制，減少人工干預，如閉環(huán)控制（CloseLoop Control）系統。在這類(lèi)系統中，人機界面只是一種輔助性的功能，系統對人的輸出只是為了操作人員監視系統的運行是否正常，是否需要對某些異常情況進(jìn)行處理；而人對系統的輸入是為了改變一些控制參數或在手動(dòng)與自動(dòng)之間進(jìn)行切換，一般情況下并不直接向現場(chǎng)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(gè)重要特點(diǎn)：

    (1)  直接數字控制系統由現場(chǎng)I/O、現場(chǎng)控制、人機界面等三個(gè)主要部分組成。DCS將DDC中由單一計算機實(shí)現的現場(chǎng)I/O、現場(chǎng)控制、人機界面等功能分別由兩類(lèi)不同的計算機完成。其中的一類(lèi)完成現場(chǎng)I/O和現場(chǎng)控制功能，一般稱(chēng)之為現場(chǎng)控制站（FCS）或分散過(guò)程處理單元（DPU）；另一類(lèi)計算機完成系統的人機界面功能，一般稱(chēng)之為操作員工作站（OPS）或直接稱(chēng)為HMI。另外，為了應用工程的二次開(kāi)發(fā)（即系統組態(tài)）和系統運行期間對系統本身運行狀態(tài)的監視，系統還設有工程師工作站。

    (2)  在一個(gè)具體的應用系統中，一般會(huì )設置多臺FCS，HMI也會(huì )設置多臺。FCS之間是分擔處理量的關(guān)系，即一個(gè)系統的眾多I/O點(diǎn)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出現故障時(shí)的危險性；而HMI之間則是冗余的關(guān)系，系統中每臺HMI的配置和功能都是相同的，因此每臺HMI上都有全系統的實(shí)時(shí)數據庫，每臺HMI都可獨立完成數據的查詢(xún)、顯示等功能，這樣可以在任何一臺HMI出現故障時(shí)不影響系統的正常運行。

    (3)  由于FCS要對現場(chǎng)進(jìn)行直接的控制，因此在FCS中要執行各種控制算法，這就必須將現場(chǎng)I/O所得到的"生數據"，即在A/D變換后還未經(jīng)過(guò)工程量轉換的二進(jìn)制格式數據轉換成"熟數據"，即計算機能夠識別并能夠進(jìn)行計算或處理的定點(diǎn)數、浮點(diǎn)數、布爾量等，同時(shí)在FCS中還建立了當地數據庫，用于存儲與控制回路和控制執行器有關(guān)的數據，以在FCS中實(shí)現與控制有關(guān)的數學(xué)模型計算和控制操作。

    (4)  DCS要求FCS具有極高的自律性，即一旦系統投入正常運行后，每個(gè)FCS都應該能夠獨立運行，不受外界的干擾。在網(wǎng)絡(luò )不通或HMI失效等情況下仍能夠正常執行控制功能，這是對DCS的最基本要求。因此，在一個(gè)具體的DCS應用中，只要保證了FCS的高度自律性，這個(gè)控制系統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的情況，因此在HMI中需要建立中央數據庫，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據庫拷貝，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完成最主要控制功能并不起決定性作用，而且處于一種數據接受者的地位，因此其數據的更新可由FCS通過(guò)網(wǎng)絡(luò )對HMI進(jìn)行廣播或群發(fā)來(lái)完成。

    (6)  DCS的網(wǎng)絡(luò )連接各個(gè)FCS和HMI，從邏輯關(guān)系上看，FCS和HMI分屬兩個(gè)不同的層次，但在物理上，系統中所有的節點(diǎn)，不論是FCS還是HMI，其地位都是對等的，互相之間均可實(shí)現信息的發(fā)送和接收。

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

    (8)  在使用DCS對生產(chǎn)設備或裝置進(jìn)行控制時(shí)，操作人員一般不會(huì )去直接控制執行器（實(shí)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(huì )將自動(dòng)控制切換成手動(dòng)控制，由人工進(jìn)行直接的操作和控制。

3   監督控制系統SCADA體系結構

    與DCS不同，SCADA系統以對生產(chǎn)過(guò)程現場(chǎng)的監視為主，是向操作控制人員提供現場(chǎng)信息并由操作控制人員決定要實(shí)施的控制，最后由人發(fā)出指令對現場(chǎng)的執行器進(jìn)行操作的系統。在SCADA系 統中，操作控制人員是對現場(chǎng)實(shí)施控制的主體，而計算機系統則處于從屬和輔助的地位，這種由人控制而非系統直接控制的方式被稱(chēng)為監督控制。監督控制的對象一 般是比較大范圍的、由多臺生產(chǎn)設備或裝置組成的系統，其目標首先是保證生產(chǎn)過(guò)程的安全，而對生產(chǎn)過(guò)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學(xué)模型的，只能依靠人的判斷和決策。在SCADA系 統中，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(lái)了解現場(chǎng)的情況，并通過(guò)人機界面發(fā)布指令以實(shí)現對現場(chǎng)的控制。因此現場(chǎng)數據的準確 性、完整性、一致性、實(shí)時(shí)性和人機界面的表現能力、使操作人員迅速準確全面理解現場(chǎng)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(guān)重要的。典 型的SCADA系統體系結構如圖3所示，可以看出，這是一個(gè)Client/Server體系結構。

        SCADA系統的主要特點(diǎn)有：

(1)  SCADA系統由現場(chǎng)I/O站、主服務(wù)器和人機界面等三個(gè)主要部分組成?，F場(chǎng)I/O站一般稱(chēng)之為RTU，即遠程終端單元；主服務(wù)器上建有全局數據庫，系統中所有的實(shí)時(shí)數據均集中到主服務(wù)器中；HMI則主要完成人機界面功能。與DCS一樣，在SCADA系統中也設有工程師工作站。

(2)  在一個(gè)具體的應用系統中，一般會(huì )設置多臺RTU，HMI也會(huì )設置多臺。由于SCADA系統是面向大范圍的數據采集和監視，因此系統在地理位置上是分布較廣的，多臺RTU基本上按照測量點(diǎn)的地理分布而設置。多臺HMI之間是冗余的關(guān)系，系統中每臺HMI的配置和功能都是相同的，都可獨立完成數據的查詢(xún)、顯示等功能，這樣可以在任何一臺HMI出現故障時(shí)不影響系統的正常運行。各HMI可根據操作者的權限或功能進(jìn)行在線(xiàn)的設定，使其完成不同的工作。

(3)  與DCS不同的是，由于SCADA系統所采集的數據量一般都非常大，從幾千個(gè)I/O點(diǎn)直到幾萬(wàn)個(gè)I/O點(diǎn)，有些特大型系統甚至達到幾十萬(wàn)個(gè)I/O點(diǎn)。除了數據量大的特點(diǎn)外，SCADA系統還要對數據進(jìn)行大量的處理和計算，例如統計、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(gè)系統中配置多臺能夠滿(mǎn)足這種要求的HMI是不經(jīng)濟的，因此在每臺HMI上建立全系統的實(shí)時(shí)數據庫，即DCS所采用的多拷貝實(shí)時(shí)數據庫方式是不現實(shí)的。更重要的是，隨著(zhù)數據量的增加，作為數據源的RTU如 何保證每個(gè)實(shí)時(shí)數據庫的拷貝都能夠得到及時(shí)的、不產(chǎn)生偶爾遺漏的數據更新是相當困難的，其通信的開(kāi)銷(xiāo)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(kāi)銷(xiāo)很小，但這種方式所帶來(lái)的某個(gè)接收節點(diǎn)偶爾遺漏數據更新是經(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(gè)實(shí)時(shí)數據庫的拷 貝之間產(chǎn)生實(shí)時(shí)數據的不一致，還使得以實(shí)時(shí)數據為基礎的計算和處理結果產(chǎn)生不一致，進(jìn)而會(huì )給各個(gè)操作人員輸出不同的結果，使他們對現場(chǎng)的情況做出不一致的 判斷，這在實(shí)際運行中是不允許的。另外，由于SCADA系統對現場(chǎng)的控制都是通過(guò)操作人員在HMI工作站上發(fā)布操作命令實(shí)現的，因此，由操作命令引起的數據庫改變相當頻繁，而每次改變都要使所有的數據庫拷貝同步改變，顯然這是很困難而且很難保證正確的一項工作?？梢钥闯?，在DCS中行之有效的多拷貝方式的實(shí)時(shí)數據庫形式，在SCADA系統中將產(chǎn)生相當大的負面影響。因此SCADA系統中均采用了Client/Server的體系結構，系統中設服務(wù)器以管理集中的、單一拷貝的實(shí)時(shí)數據庫，并完成數據的處理和計算。而HMI則作為客戶(hù)端使用數據。集中的數據庫將保證多客戶(hù)端在同時(shí)進(jìn)行操作等數據庫更改時(shí)保持嚴格的互斥，以避免數據庫產(chǎn)生混亂。

(4)  由于沒(méi)有對現場(chǎng)進(jìn)行直接閉環(huán)控制的要求，因此RTU的功能比較簡(jiǎn)單，其最主要的功能，就是將現場(chǎng)測量所得到的數據按照實(shí)時(shí)性的要求送入集中的實(shí)時(shí)數據庫。這里，測量數據可以是其原始格式，即所謂的"生數據"。當然為了擴充現場(chǎng)端的就地處理功能，現在很多新型RTU具備了從"生數據"到"熟數據"的轉換功能，同時(shí)還具備了計算、控制、顯示等就地處理功能。但帶來(lái)的問(wèn)題是通信量的增加和通信規約的復雜化。

(5)  在DCS中特別強調的現場(chǎng)控制站FCS的自律性，在SCADA系統中并沒(méi)有太大的意義，這是由于在SCADA系統中RTU不能夠脫離主系統而獨立工作，因此一旦RTU和主系統之間的通信中斷，就只有等待通信的恢復。但在SCADA系統中，RTU的可靠性要求是相當高的，這是因為這類(lèi)設備往往是隨生產(chǎn)設備安裝在現場(chǎng)的，一般沒(méi)有單獨為RTU設置的電子設備間。系統對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(mǎn)足基本功能需求的前提下盡量簡(jiǎn)化，以最簡(jiǎn)潔的設計，最少的元器件，實(shí)現最需要的功能，以最大限度地滿(mǎn)足可靠性的要求。

(6)  SCADA系統的網(wǎng)絡(luò )分為兩個(gè)層次，底層是現場(chǎng)I/O網(wǎng)絡(luò )，其主要的作用是將各個(gè)RTU與服務(wù)器連接在一起，實(shí)現現場(chǎng)I/O與實(shí)時(shí)數據庫之間的數據通信。在傳統的SCADA系統中，底層網(wǎng)絡(luò )通常采用點(diǎn)對點(diǎn)的串行口加MODEM的通信方式，用音頻話(huà)路作為傳輸介質(zhì)，因此服務(wù)器必須具有多串口通信的能力，或利用通信前置機來(lái)完成多串口通信的功能。近年來(lái)已有越來(lái)越多的SCADA系統采用了局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)作為其底層的通信介質(zhì)。SCADA的上層網(wǎng)絡(luò )是HMI網(wǎng)絡(luò )，其主要作用是將服務(wù)器和各個(gè)HMI連接在一起，實(shí)現HMI與實(shí)時(shí)數據庫之間的數據通信。

4   綜合監控系統體系結構

    隨著(zhù)信息技術(shù)的不斷發(fā)展和計算機自動(dòng)控制系統、監督控制系統應用的不斷深入，傳統上以功能或形態(tài)劃分的多種計算機系統，其分界線(xiàn)現在已越來(lái)越模糊了。如過(guò)去單純?yōu)閷?shí)現閉環(huán)自動(dòng)控制的DCS和以監督控制及數據采集為主要功能的SCADA系統之間，就已經(jīng)出現了融合的趨勢，產(chǎn)生了綜合監控自動(dòng)化系統。這種系統在底層設置現場(chǎng)控制站以實(shí)現閉環(huán)控制，同時(shí)在上層采集全系統的數據，并進(jìn)行監督控制。對于這類(lèi)系統，如何結合DCS和SCADA的設計特點(diǎn)并將其有機結合，成為新一代的全數字化系統，是在體系結構設計中需要慎重考慮的問(wèn)題。隨著(zhù)開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )結構的不斷成熟和IP技術(shù)的高速發(fā)展，B/S結構已逐步成為計算機系統，特別是大型計算機系統的標準體系結構。這些技術(shù)的發(fā)展自然會(huì )有力地影響著(zhù)工業(yè)控制和自動(dòng)化系統，于是出現了基于Browser/Server結構的綜合監控自動(dòng)化系統體系結構。圖4所示為一種新型的B/S結構綜合監控自動(dòng)化系統體系結構：B/S結構的綜合監控自動(dòng)化系統的主要特點(diǎn)有：

        (1)  綜合監控自動(dòng)化系統由現場(chǎng)測控子系統和人機界面子系統這兩個(gè)主要部分組成?，F場(chǎng)測控子系統兼有RTU的數據采集功能和DCS的閉環(huán)控制功能；而人機界面子系統則主要完成人機界面，即HMI功能。與DCS和SCADA系統一樣，在綜合監控自動(dòng)化系統中也設有工程師工作站。

(2)  在一個(gè)具體的應用系統中，一般會(huì )設置多個(gè)現場(chǎng)測控子系統，HMI也會(huì )設置多臺。多個(gè)現場(chǎng)測控子系統基本上是按照測量控制點(diǎn)的地理分布而設置的。而HMI之間則是冗余的關(guān)系，系統中每臺HMI的配置和功能都是相同的，每臺HMI都可獨立完成數據的查詢(xún)、顯示等功能，這樣可以在任何一臺HMI出現故障時(shí)不影響系統的正常運行。

        (3)  由于現場(chǎng)測控子系統要對現場(chǎng)進(jìn)行直接的控制，因此就地的工程單位數據庫是必須的。這就要將現場(chǎng)I/O所得到的"生數據"轉換成"熟數據"。即計算機能夠識別并能夠進(jìn)行計算或處理的定點(diǎn)數、浮點(diǎn)數、布爾量等，同時(shí)在現場(chǎng)測控子系統中還建立了當地數據庫，用于存儲與控制回路和控制執行器有關(guān)的數據，以在現場(chǎng)實(shí)現與控制有關(guān)的處理與計算。

(4)  綜合監控自動(dòng)化系統同樣要求現場(chǎng)測控子系統具有極高的自律性，即一旦系統投入正常運行后，每個(gè)現場(chǎng)測控子系統都應該能夠獨立運行，不受外界的干擾，在網(wǎng)絡(luò )不通或HMI失效等情況下仍能夠正常執行控制功能。

(5)  綜合監控自動(dòng)化系統充分利用了局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)的成熟技術(shù)在現場(chǎng)測控子系統和HMI之間建立網(wǎng)絡(luò )連接，在軟件技術(shù)上采用面向對象的編程方法，因此在網(wǎng)絡(luò )通信中采用了對象代理機制。這一系列新技術(shù)的采用使得原來(lái)必須在集中的服務(wù)器上完成的數據處理和計算功能可以在分布數據庫的基礎上完成，而不再需要集中的數據庫系統。在HMI端，當需要了解現場(chǎng)的全面情況時(shí)，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將所需的各種數據集中在一起并計算出結果，這樣系統的核心就從服務(wù)器變成了網(wǎng)絡(luò )系統。如果說(shuō)，傳統的SCADA系統在規模上受到了服務(wù)器容量和處理能力的限制，則綜合監控自動(dòng)化系統的限制只在網(wǎng)絡(luò )的帶寬上，因此，整個(gè)系統的規模和處理能力實(shí)際上可以認為是無(wú)限的。

5   結語(yǔ)

    將以上所述四種體系結構歸納起來(lái)，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別在于其實(shí)時(shí)數據庫的形態(tài)不同，DCS采用了多拷貝的實(shí)時(shí)數據庫，DDC和SCADA系統采用了集中式的實(shí)時(shí)數據庫，綜合監控自動(dòng)化系統則采用了分布式的實(shí)時(shí)數據庫，而分布式實(shí)時(shí)數據庫目前已顯示出了強大的生命力。

    (2)  系統的功能正在逐步從單一向綜合的方向發(fā)展，許多過(guò)去要幾個(gè)不同系統才能夠實(shí)現的控制和自動(dòng)化功能，現在只需要一個(gè)系統即可完成。隨著(zhù)系統向著(zhù)高層次、大范圍、全功能的方向發(fā)展，計算機網(wǎng)絡(luò )的重要性在系統中將越來(lái)越明顯。

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