當今的冶金、石化、化工、電力、水泥、汽車、制藥、食品與飲料等工業的自動化系統，幾乎毫無例外的采用分布式控制系統。隨著電子技術、通訊技術和軟件技術的發展，分布式系統也發生了很大的變化，下面就這個題目進行一些探討。 集中式系統 　　 早期的儀表控制系統和電氣控制系統都是集中式的，原因是工業化大規模生產線還未形成，控制的物理面積比較小，所以沒有這種需求。設備的控制都是獨立的，控制系統都安裝在設備附近，輸入/輸出的走線距離，通常不會超過二十米，而且設備與設備之間、設備與車間/廠級之間也沒有通信要求，設備與操作人員通過按鈕、指示燈來進行交互，功能比較簡單，設備的加工和制造的產品，屬于“大批量，少品種”的狀態。因此，自動化的控制水平處于初級階段。 分布式系統輸入/輸出系統 　　 隨著流水線、自動線、生產線的發展和擴大，對自動化控制系統的要求也隨之提高。因為原來的輸入、輸出的走線距離為十幾米、幾十米，后來的要求提高到上百米，甚至幾百米，所以帶來的問題有兩個：一是輸入、輸出的距離過遠，信號衰減過大，導致了誤動作，甚至無法工作（現在的接線距離通常限制在四百米以內）；二是輸入、輸出線都采用并行接法，隨著距離的增加，電纜的費用也不斷增加，而且給后來的校線、調試、運行和維護都帶來問題，所以使得項目的整體擁有成本（TOC）大大的提高了。 　　 為了解決上述問題，自動化制造廠家推出了結構稱為遠程輸入/輸出系統（Remote Input/Output System），它的特點是CPU機架與輸入/輸出模塊（輸入/輸出機架）先進行物理上的分離，也就是用于遠程輸入/輸出點的輸入/輸出模塊不再安裝于本地機架，而是安裝于遠程機架。本地機架與遠程機架采用遠程通訊電纜來連接，遠程機架的輸入/輸出模塊再連接周圍的輸入/輸出點。這樣就把原先的并行電纜，改變成現在的串行電纜（遠程電纜），減少了接線成本。（理論上講，把并行連接改為串行連接，系統的可靠性是下降了，這也是結構變化所要付出的代價吧） 　　 我們要知道，這種結構上的變化是有技術含量的。因為遠程輸入模塊在了輸入信號后，要經過處理，先把它們轉換成數字信號，再把它們變成一種數據幀，常被稱之為某種特定的“協議”，具有規定的格式，然后經過遠程分站模塊、遠程通訊電纜，到遠程主站模塊，傳送到CPU站進行處理，處理后的結果再經過遠程主站模塊、遠程電纜，傳回給遠程分站模塊，經“翻譯”后，由遠程站上的輸出模塊輸出給執行機構。 　　 我們即得益于遠程系統，也受制于遠程系統。遠程系統中的遠程主站模塊、遠程電纜、遠程分站模塊成了整個系統的軟肋，所以要格外重視。我們考慮問題的原則是：擔心哪部分弱，容易出問題，就加強哪部分的實力。比如說：擔心遠程主站出問題，我們就對主站模塊做冗余；擔心電纜出問題，就對電纜進行冗余；擔心分站出問題，就對分站模塊冗余。應該說這種系統都是可以實現的，考慮到系統的造價問題，很多廠家采取了折衷的方案：遠程主站、遠程分站各為一個模塊，但有單口和雙口之分，用于連接一根或兩根遠程電纜，實現了電纜冗余。 　　 冗余的電纜也有不同的工作方式，無外乎有以下幾種方式：兩纜同時工作，把信號比較后，再進行輸出；兩纜同時工作，僅取一個信號進行輸出；兩纜一用一備，直到用的一根出了問題，才進行切換；兩纜一用一備，按時間間隔進行切換。用與備的切換完全由系統控制，自動進行，用戶一般無需任何操作。至于廠家采用哪種方式，即要考慮實現的技術難度，也要考慮實現的商業成本。各自都有各自的道理，這就是一種選擇吧，也是一種差異化競爭。總之，對于用戶而言，雙纜總是比單纜要可靠性高，心里覺著塌實。 　　 以上談的是硬件部分，下面再說說軟件部分。因為工業現場的環境比較惡劣，比如：灰塵、震動、沖擊、電壓波動等，最大影響就是來自現場的大設備，如：大電機的啟動和停止，會帶來一系列的連鎖反應：接觸器的吸合與斷開，軟驅動器啟動和停止，變頻器的運行和停止。還有一些高壓、中壓開關柜的運行等，都帶有很強的電氣干擾和電磁輻射。而它們通常也都與自動化系統的控制柜放在一起，而它們非常容易對低電平的通訊信號產生影響。因此，抗干擾就成了工業通訊要解決的首要難題。 　　 為了解決現場的干擾問題，除了在物理上要采用帶屏蔽的電纜、屏蔽線單端接地、信號線兩端加接終端電阻、動力線與信號線分開布線或者保持一定的間隔、自動化系統與其他系統分開接地外，還要在通信的協議上下功夫。前面提到：遠程協議都有規定的幀格式，而其中的一部分就是要對傳送數據的周期性進行檢驗，確保傳輸的過程準確無誤，這部分內容被稱為FCS（Frame Check Sequence）－幀檢測序列，它是一種檢測算法，專門用于通訊數據的檢查。常用的算法有兩種：循環冗余碼校驗（CRC：Cyclic Redundancy Check），和縱向冗余碼校驗（LRC：Longitudinal Redundancy Check），有8位、16位和32位之分，位數越多，校驗能力就越強。 　　 校驗的基本原理是：發送數據之前，在發送端系統要對傳送的數據幀中的數據進行計算，比如CRC的運算，把得出的結果放在FCS段，使之成為一個數據幀進行傳送；數據經過傳送，并被目的站接收后，在接收站對接收數據幀的數據進行運算，當然是和出發時的相同運算，得出的結果再和接收數據幀中的FCS內容進行比較，如果一致則說明傳輸無誤，這一幀的傳送任務完成，進行下一步的工作；如果不一致，則說明傳輸有誤，告訴傳送源請求數據重發。發送端通常會有一個重發的次數限制，比如3次，如果連續發生錯誤就說明線路有嚴重故障，甚至已經斷開，系統會停止再試，馬上向CPU和上位機操作員報警。 集散控制系統 　　 在過程控制行業，也稱為儀表控制行業，也從分立的儀表控制發展到了集成的控制系統，被稱之為dcs（Distributed Control System）系統。我國在引進這種技術時，為了闡述分散控制、集中管理這個理念，把它翻譯成：集散控制系統，而不是分布式控制系統。但我們從英文的內容看到：DCS是分布式控制系統的簡稱，強調的是“分布”的概念。 　　 什么是分布的真正含義呢？從概念上說，所謂分布就是要分散危險，也就是說，不能因為系統中的某個元件或部件出問題，而造成整個系統的癱瘓。從結構來看，就是把控制系統比較重要的部分，如CPU，分散到幾個CPU來實現；如存儲器，分散到多個模塊執行；如總線，變成冗余的網絡進行；如操作系統，變成基于實時網絡、多任務操作系統。 　　 下面就對比我們非常熟悉的PC機，來理解DCS系統的結構。當老師介紹PC機的構成時，可以知道是由中央處理器（CPU），內部存儲器（RAM），外部存儲器（硬盤），內部總線（ISA，VESA，PCI等）和輸入設備（鍵盤、鼠標、光驅、攝像頭等），輸出設備（顯示器、打印機、繪圖儀等）等構成；而DCS系統就是把上述的部件，變成網絡中的一個節點單元（每個都相當于獨立運行的PC機），來分散風險。 　　 比如：DCS系統中的過程控制器和邏輯控制器，相當于兩個CPU，分別完成儀表控制和電氣控制；應用數據管理器相當于內部存儲器；歷史數據管理器相當于外部存儲器；操作員站和工程師站相當于部分輸入/輸出單元；而所有的節點單元都通過實時的局域控制網絡――相當于PC內部在線，連接在一起，構成了基本的DCS系統。可以看出：DCS系統是PC經過放大了的系統。但從系統的實現上，發生了質的變化：不因為某個節點單元發生故障，而造成整個系統的失效。不像我們的PC機：經常死機，需要重新驅動！ 　　 DCS系統不光分散了危險，也分散了CPU的負載。PC機中的所有工作都由一個CPU來做，而DCS系統中，則由多個CPU來實現，從而降低了每個CPU的工作量。應該說，這也是非常有意義的，因為CPU的負載超過某個值時，如80％，可能會造成過熱、死機等問題，就是說：具有發生故障的潛在可能性。這也就是為什么很多游戲玩家，用“極品飛車”來測試CPU的性能，實際上，這是一種超負荷測試，來檢驗CPU的能力。從另外一個角度來說，僅僅使用集成度和時鐘頻率來提高CPU的性能的方法，遇到了物理和材料方面的極限，所以，無論是英特爾，還是AMD都采用雙核與多核技術來提高CPU的性能。這也從反方向證明了：通過多CPU的方法可以提高整個系統能力。 [align=center] 圖2：典型的DCS 結構[/align] 現場總線系統 　　 前面介紹了遠程輸入/輸出系統的基本概念和結構，如果再仔細分析就會發現，雖然系統解決了本地到遠程的接線問題，可到了遠程機架，還是采用傳統的機架、傳統的模塊、傳統的并行接線。我們會問：有沒有可能從根本上改變傳統的接線方式？有沒有不用并行連接，而只用串行連接的傳感器/執行器？這個答案就是：使用現場總線！ 　　 現場總線的歷史可以追溯到上世紀的八十年代，由于工業自動化界缺少IT界類似于IBM和微軟、英特爾這樣的重量級大腕，一時間，現場總線的種類多如牛毛，有點象春秋戰國時代的封建諸侯，各自為政，多達數十種，就連IEC通過的品種也有十八類。比如常用的有：Asi，Can，Modbus，InterBus，Profibus，FF，HART等。 [align=center] 圖3：Asi 典型配置[/align] 現場總線對于工業控制和自動化的最大貢獻是：它徹底顛覆了傳統的接線方式，并把智能分配給了傳感器和執行器。 　　 第一，前面提到，傳統的接線方式是并行的，而現場總線一律采用串行方式。只是考慮對傳統接線方式的兼容，才允許在某些節點上，可以轉成并行方式接線。從拓撲結構上看，有些現場總線除了支持總線方式之外，還支持樹形、星形、環形和混合形的方式。從距離上看，從100米到1000米、數千米不等；從速度上說，低的有9600波特率，高的有幾兆、十幾兆的波特率。如果把以太網技術也納入到現場總線里來的話，距離可以到幾十到上百公里，速度可以達到千兆和萬兆！ 　　 第二，傳感器和執行器的智能化。現場總線不光能夠傳送傳統的物理量的值，如：離散量、模擬量、脈沖量等，還可以傳送傳感器和執行器的狀態量。應該說：這是一次質的飛躍！因為這是一個從前非現場總線不可能完成的任務！ 　　 試想一下，很多傳感器裝在平常人難于觸及的地方，如：煙囪、地下、核實施等，如果傳感器能夠自己主動把運行狀態告知控制系統，那真是現場維護人員的喜訊，大大減少了系統維護的費用。具了解，某個廠家的變送器的診斷參數多達37個，什么斷線啦、溫度超限啦、元件虛焊啦，統統一網打盡。可以說，只要你關心的問題，它們全都包括。使用這種變送器的用戶，是否會因為這種產品的功能而爽呆了呢？ 　　 智能傳感器的出現，也為維護人員對設備的維護，由被動轉為了主動。試舉一例來說明之。每種傳感器都是有壽命的，比較重要的參數是：產品的電氣壽命和機械壽命，一來這兩個參數是不一樣的；二來到了壽命不一定這個傳感器就不能用了，可能還能持續一段時間，但具有潛在失效的可能性。傳統的維護方法有兩種，一種為：直到該傳感器出了故障，不能用或者影響生產時，才來查找問題發生的故障源，找到后，更換該產品，這勢必影響生產，帶來延時和產品質量的損失；另一種為：按時更換所有的傳感器產品，以防因為傳感器故障影響生產，但這種方式維護的費用比較高，有些產品甚至怎么用就更換，比較浪費。 　　 我們再來看看什么是主動的維護方法。充分利用傳感器的智能——處理器和存儲器，對其狀態進行監視。講一個最簡單的方法，傳感器不是有使用壽命嗎？比如說明書上標注的是：20萬次。那就對它的使用次數進行計數，快要達到這個次數時，如18萬次，就馬上提醒維護人員，告訴他們趕快更換這個傳感器，否則要發生故障了。這樣就可以把故障處理在它可能發生之前！當然了，即使故障由于其他的原因發生了，那么查找起來也比傳統的傳感器容易的多，因為它的故障狀態已經顯示在操作員的屏幕上了。 全分布式系統 　　 前面介紹的分布式輸入/輸出系統，由于歷史的原因，主站節點單元都放于環境較好的主機房里，通常還帶有空調系統，確保室內的溫度。這主要擔心CPU是有源元件，集成度不高，容易出問題。而輸入/輸出從站節點單元位于較為惡劣的現場，考慮的是輸入/輸出模塊大多數為無源的電阻、電容等元件構成，所以抗干擾的能力比較強，這就組成了傳統的遠程輸入/輸出的系統結構。 [align=center] 圖4：典型全分布式方案[/align] 今天再看這種系統結構，也還是有很大的問題：第一，過分倚賴遠程網絡，所有的輸入信號不管是否使用，不管時間長短，不管是否變化，每個掃描周期都要通過網絡送向主站；而經過運算的結果，再通過網絡，送向遠程分站，線路繁忙，效率低下。第二，過分倚賴主站CPU的作用，所有的運算都由它來完成，負擔較重，負載較大，而且一旦出現問題（包括CPU、網絡），因為這是一種主從結構，分站是波動的接受方，所以即使知道也無能為力，只能聽天由命。 　　 為了克服上述問題，全分布式系統更多地強調平衡、和諧和主動。改變的方式如下：在遠程分站，把通訊適配器改換成一個小CPU，把原來遠程主站單元向遠程分站發送數據的單向傳送，變為既可以主站往分站送，又可以分站單元往主站發送的雙向通訊。另外，分站的CPU也可以運行一些程序，分擔主站CPU的負載。 　　 這種結構的優點是： 　　 ■ 遠程分站的CPU可以分擔主站CPU的部分工作，這個百分比可以由用戶來決定。比如：主站CPU和分站CPU各自執行50％的程序。這樣就降低了主站CPU的負載。在最糟糕的情況，如主CPU停機或者遠程通訊完全中斷時，分站CPU承擔所有工作，系統仍然可以正常運行。 　　 ■ 因為有了分站CPU，分站的處理能力加強，可以按照應用需求減少遠程網絡的傳送數據，因為不是每個數據，每個掃描周期都要傳送給主站單元。比如：有些數字量在掃描周期里沒有變化，對程序沒有影響，就不用傳送；有些模擬量變化非常緩慢，我們可以給它們設置一個死區，在這個區域內，我們認為它沒有變化，所以也不用傳送。這樣就降低了網絡的負載。 　　 ■ 原來的結構，分站因為沒有CPU，完全處于被動，狀態是主站發，分站收，是一種單向通訊。用現在的新結構，除了原來的方式外，還可以增加分站主動向主站發送或索要信息，構成了一個反向通訊。這樣分站就增加了主動性，可以根據主站、網絡的情況，決定自己做什么工作，做多少工作，使得整個控制系統更加趨于平衡。運行更加趨于合理。 　　 ■ 在設備冗余的主站系統中，主站CPU進行切換時，如果沒有分站的CPU，可能會發生兩種情況：有擾動切換和無擾動切換。這種擾動是由于分布式網絡運行周期與主站CPU的掃描周期不同步而造成的，如果兩者同步就不會產生擾動，如果不同步就有可能產生擾動。而新結構增加了CPU，可以判斷主站的工作情況，然后采取對應的策略，所以可以消除不必要的擾動。 　　 從以上分析可以看出，從集中式I/O到分布式I/O（遠程I/O），從集中式CPU到本地分布式CPU（dcs），從遠程嵌入式CPU（現場總線），到遠程分布式CPU（新分布式系統），有著一種符合其規律的發展過程，這也是伴隨著芯片制造技術的提高，分站CPU抗干擾能力的增強，以及處理器價格的降低帶來結果。因此我們的項目設計人員、項目執行人員、項目咨詢人員和最終使用人員，應該與時俱進，轉變固有概念，把自動化系統構建的更為高效，更為合理，更為平衡，更為和諧。