當(dāng)今的冶金、石化、化工、電力、水泥、汽車、制藥、食品與飲料等工業(yè)的自動化系統(tǒng)，幾乎毫無例外的采用分布式控制系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)、通訊技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，分布式系統(tǒng)也發(fā)生了很大的變化，下面就這個題目進(jìn)行一些探討。 集中式系統(tǒng) 　　 早期的儀表控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)都是集中式的，原因是工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)線還未形成，控制的物理面積比較小，所以沒有這種需求。設(shè)備的控制都是獨(dú)立的，控制系統(tǒng)都安裝在設(shè)備附近，輸入/輸出的走線距離，通常不會超過二十米，而且設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與車間/廠級之間也沒有通信要求，設(shè)備與操作人員通過按鈕、指示燈來進(jìn)行交互，功能比較簡單，設(shè)備的加工和制造的產(chǎn)品，屬于“大批量，少品種”的狀態(tài)。因此，自動化的控制水平處于初級階段。 分布式系統(tǒng)輸入/輸出系統(tǒng) 　　 隨著流水線、自動線、生產(chǎn)線的發(fā)展和擴(kuò)大，對自動化控制系統(tǒng)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(yuǎn)，信號衰減過大，導(dǎo)致了誤動作，甚至無法工作（現(xiàn)在的接線距離通常限制在四百米以內(nèi)）；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(fèi)用也不斷增加，而且給后來的校線、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)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(jié)構(gòu)稱為遠(yuǎn)程輸入/輸出系統(tǒng)（Remote Input/Output System），它的特點(diǎn)是CPU機(jī)架與輸入/輸出模塊（輸入/輸出機(jī)架）先進(jìn)行物理上的分離，也就是用于遠(yuǎn)程輸入/輸出點(diǎn)的輸入/輸出模塊不再安裝于本地機(jī)架，而是安裝于遠(yuǎn)程機(jī)架。本地機(jī)架與遠(yuǎn)程機(jī)架采用遠(yuǎn)程通訊電纜來連接，遠(yuǎn)程機(jī)架的輸入/輸出模塊再連接周圍的輸入/輸出點(diǎn)。這樣就把原先的并行電纜，改變成現(xiàn)在的串行電纜（遠(yuǎn)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(tǒng)的可靠性是下降了，這也是結(jié)構(gòu)變化所要付出的代價吧） 　　 我們要知道，這種結(jié)構(gòu)上的變化是有技術(shù)含量的。因為遠(yuǎn)程輸入模塊在了輸入信號后，要經(jīng)過處理，先把它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再把它們變成一種數(shù)據(jù)幀，常被稱之為某種特定的“協(xié)議”，具有規(guī)定的格式，然后經(jīng)過遠(yuǎn)程分站模塊、遠(yuǎn)程通訊電纜，到遠(yuǎn)程主站模塊，傳送到CPU站進(jìn)行處理，處理后的結(jié)果再經(jīng)過遠(yuǎn)程主站模塊、遠(yuǎn)程電纜，傳回給遠(yuǎn)程分站模塊，經(jīng)“翻譯”后，由遠(yuǎn)程站上的輸出模塊輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 　　 我們即得益于遠(yuǎn)程系統(tǒng)，也受制于遠(yuǎn)程系統(tǒng)。遠(yuǎn)程系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程主站模塊、遠(yuǎn)程電纜、遠(yuǎn)程分站模塊成了整個系統(tǒng)的軟肋，所以要格外重視。我們考慮問題的原則是：擔(dān)心哪部分弱，容易出問題，就加強(qiáng)哪部分的實力。比如說：擔(dān)心遠(yuǎn)程主站出問題，我們就對主站模塊做冗余；擔(dān)心電纜出問題，就對電纜進(jìn)行冗余；擔(dān)心分站出問題，就對分站模塊冗余。應(yīng)該說這種系統(tǒng)都是可以實現(xiàn)的，考慮到系統(tǒng)的造價問題，很多廠家采取了折衷的方案：遠(yuǎn)程主站、遠(yuǎn)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(yuǎn)程電纜，實現(xiàn)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(jìn)行輸出；兩纜同時工作，僅取一個信號進(jìn)行輸出；兩纜一用一備，直到用的一根出了問題，才進(jìn)行切換；兩纜一用一備，按時間間隔進(jìn)行切換。用與備的切換完全由系統(tǒng)控制，自動進(jìn)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(xiàn)的技術(shù)難度，也要考慮實現(xiàn)的商業(yè)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?？傊瑢τ谟脩舳?，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(yè)現(xiàn)場的環(huán)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(xiàn)場的大設(shè)備，如：大電機(jī)的啟動和停止，會帶來一系列的連鎖反應(yīng)：接觸器的吸合與斷開，軟驅(qū)動器啟動和停止，變頻器的運(yùn)行和停止。還有一些高壓、中壓開關(guān)柜的運(yùn)行等，都帶有很強(qiáng)的電氣干擾和電磁輻射。而它們通常也都與自動化系統(tǒng)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(chǎn)生影響。因此，抗干擾就成了工業(yè)通訊要解決的首要難題。 　　 為了解決現(xiàn)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(tǒng)與其他系統(tǒng)分開接地外，還要在通信的協(xié)議上下功夫。前面提到：遠(yuǎn)程協(xié)議都有規(guī)定的幀格式，而其中的一部分就是要對傳送數(shù)據(jù)的周期性進(jìn)行檢驗，確保傳輸?shù)倪^程準(zhǔn)確無誤，這部分內(nèi)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(shù)據(jù)的檢查。常用的算法有兩種：循環(huán)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(shù)越多，校驗?zāi)芰驮綇?qiáng)。 　　 校驗的基本原理是：發(fā)送數(shù)據(jù)之前，在發(fā)送端系統(tǒng)要對傳送的數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，比如CRC的運(yùn)算，把得出的結(jié)果放在FCS段，使之成為一個數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳送；數(shù)據(jù)經(jīng)過傳送，并被目的站接收后，在接收站對接收數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)然是和出發(fā)時的相同運(yùn)算，得出的結(jié)果再和接收數(shù)據(jù)幀中的FCS內(nèi)容進(jìn)行比較，如果一致則說明傳輸無誤，這一幀的傳送任務(wù)完成，進(jìn)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(shù)據(jù)重發(fā)。發(fā)送端通常會有一個重發(fā)的次數(shù)限制，比如3次，如果連續(xù)發(fā)生錯誤就說明線路有嚴(yán)重故障，甚至已經(jīng)斷開，系統(tǒng)會停止再試，馬上向CPU和上位機(jī)操作員報警。 集散控制系統(tǒng) 　　 在過程控制行業(yè)，也稱為儀表控制行業(yè)，也從分立的儀表控制發(fā)展到了集成的控制系統(tǒng)，被稱之為dcs（Distributed Control System）系統(tǒng)。我國在引進(jìn)這種技術(shù)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(tǒng)，而不是分布式控制系統(tǒng)。但我們從英文的內(nèi)容看到：DCS是分布式控制系統(tǒng)的簡稱，強(qiáng)調(diào)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(tǒng)中的某個元件或部件出問題，而造成整個系統(tǒng)的癱瘓。從結(jié)構(gòu)來看，就是把控制系統(tǒng)比較重要的部分，如CPU，分散到幾個CPU來實現(xiàn)；如存儲器，分散到多個模塊執(zhí)行；如總線，變成冗余的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行；如操作系統(tǒng)，變成基于實時網(wǎng)絡(luò)、多任務(wù)操作系統(tǒng)。 　　 下面就對比我們非常熟悉的PC機(jī)，來理解DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)老師介紹PC機(jī)的構(gòu)成時，可以知道是由中央處理器（CPU），內(nèi)部存儲器（RAM），外部存儲器（硬盤），內(nèi)部總線（ISA，VESA，PCI等）和輸入設(shè)備（鍵盤、鼠標(biāo)、光驅(qū)、攝像頭等），輸出設(shè)備（顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等）等構(gòu)成；而DCS系統(tǒng)就是把上述的部件，變成網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)單元（每個都相當(dāng)于獨(dú)立運(yùn)行的PC機(jī)），來分散風(fēng)險。 　　 比如：DCS系統(tǒng)中的過程控制器和邏輯控制器，相當(dāng)于兩個CPU，分別完成儀表控制和電氣控制；應(yīng)用數(shù)據(jù)管理器相當(dāng)于內(nèi)部存儲器；歷史數(shù)據(jù)管理器相當(dāng)于外部存儲器；操作員站和工程師站相當(dāng)于部分輸入/輸出單元；而所有的節(jié)點(diǎn)單元都通過實時的局域控制網(wǎng)絡(luò)――相當(dāng)于PC內(nèi)部在線，連接在一起，構(gòu)成了基本的DCS系統(tǒng)?？梢钥闯觯篋CS系統(tǒng)是PC經(jīng)過放大了的系統(tǒng)。但從系統(tǒng)的實現(xiàn)上，發(fā)生了質(zhì)的變化：不因為某個節(jié)點(diǎn)單元發(fā)生故障，而造成整個系統(tǒng)的失效。不像我們的PC機(jī)：經(jīng)常死機(jī)，需要重新驅(qū)動！ 　　 DCS系統(tǒng)不光分散了危險，也分散了CPU的負(fù)載。PC機(jī)中的所有工作都由一個CPU來做，而DCS系統(tǒng)中，則由多個CPU來實現(xiàn)，從而降低了每個CPU的工作量。應(yīng)該說，這也是非常有意義的，因為CPU的負(fù)載超過某個值時，如80％，可能會造成過熱、死機(jī)等問題，就是說：具有發(fā)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(fù)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(shù)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(tǒng)能力。 [align=center] 圖2：典型的DCS 結(jié)構(gòu)[/align] 現(xiàn)場總線系統(tǒng) 　　 前面介紹了遠(yuǎn)程輸入/輸出系統(tǒng)的基本概念和結(jié)構(gòu)，如果再仔細(xì)分析就會發(fā)現(xiàn)，雖然系統(tǒng)解決了本地到遠(yuǎn)程的接線問題，可到了遠(yuǎn)程機(jī)架，還是采用傳統(tǒng)的機(jī)架、傳統(tǒng)的模塊、傳統(tǒng)的并行接線。我們會問：有沒有可能從根本上改變傳統(tǒng)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(zhí)行器？這個答案就是：使用現(xiàn)場總線！ 　　 現(xiàn)場總線的歷史可以追溯到上世紀(jì)的八十年代，由于工業(yè)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(xiàn)場總線的種類多如牛毛，有點(diǎn)象春秋戰(zhàn)國時代的封建諸侯，各自為政，多達(dá)數(shù)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，F(xiàn)F，HART等。 [align=center] 圖3：Asi 典型配置[/align] 現(xiàn)場總線對于工業(yè)控制和自動化的最大貢獻(xiàn)是：它徹底顛覆了傳統(tǒng)的接線方式，并把智能分配給了傳感器和執(zhí)行器。 　　 第一，前面提到，傳統(tǒng)的接線方式是并行的，而現(xiàn)場總線一律采用串行方式。只是考慮對傳統(tǒng)接線方式的兼容，才允許在某些節(jié)點(diǎn)上，可以轉(zhuǎn)成并行方式接線。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，有些現(xiàn)場總線除了支持總線方式之外，還支持樹形、星形、環(huán)形和混合形的方式。從距離上看，從100米到1000米、數(shù)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(wǎng)技術(shù)也納入到現(xiàn)場總線里來的話，距離可以到幾十到上百公里，速度可以達(dá)到千兆和萬兆！ 　　 第二，傳感器和執(zhí)行器的智能化。現(xiàn)場總線不光能夠傳送傳統(tǒng)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(zhí)行器的狀態(tài)量。應(yīng)該說：這是一次質(zhì)的飛躍！因為這是一個從前非現(xiàn)場總線不可能完成的任務(wù)！ 　　 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(yùn)行狀態(tài)告知控制系統(tǒng)，那真是現(xiàn)場維護(hù)人員的喜訊，大大減少了系統(tǒng)維護(hù)的費(fèi)用。具了解，某個廠家的變送器的診斷參數(shù)多達(dá)37個，什么斷線啦、溫度超限啦、元件虛焊啦，統(tǒng)統(tǒng)一網(wǎng)打盡?？梢哉f，只要你關(guān)心的問題，它們?nèi)及?。使用這種變送器的用戶，是否會因為這種產(chǎn)品的功能而爽呆了呢？ 　　 智能傳感器的出現(xiàn)，也為維護(hù)人員對設(shè)備的維護(hù)，由被動轉(zhuǎn)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(shù)是：產(chǎn)品的電氣壽命和機(jī)械壽命，一來這兩個參數(shù)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(xù)一段時間，但具有潛在失效的可能性。傳統(tǒng)的維護(hù)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(chǎn)時，才來查找問題發(fā)生的故障源，找到后，更換該產(chǎn)品，這勢必影響生產(chǎn)，帶來延時和產(chǎn)品質(zhì)量的損失；另一種為：按時更換所有的傳感器產(chǎn)品，以防因為傳感器故障影響生產(chǎn)，但這種方式維護(hù)的費(fèi)用比較高，有些產(chǎn)品甚至怎么用就更換，比較浪費(fèi)。 　　 我們再來看看什么是主動的維護(hù)方法。充分利用傳感器的智能——處理器和存儲器，對其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)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(biāo)注的是：20萬次。那就對它的使用次數(shù)進(jìn)行計數(shù)，快要達(dá)到這個次數(shù)時，如18萬次，就馬上提醒維護(hù)人員，告訴他們趕快更換這個傳感器，否則要發(fā)生故障了。這樣就可以把故障處理在它可能發(fā)生之前！當(dāng)然了，即使故障由于其他的原因發(fā)生了，那么查找起來也比傳統(tǒng)的傳感器容易的多，因為它的故障狀態(tài)已經(jīng)顯示在操作員的屏幕上了。 全分布式系統(tǒng) 　　 前面介紹的分布式輸入/輸出系統(tǒng)，由于歷史的原因，主站節(jié)點(diǎn)單元都放于環(huán)境較好的主機(jī)房里，通常還帶有空調(diào)系統(tǒng)，確保室內(nèi)的溫度。這主要擔(dān)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(jié)點(diǎn)單元位于較為惡劣的現(xiàn)場，考慮的是輸入/輸出模塊大多數(shù)為無源的電阻、電容等元件構(gòu)成，所以抗干擾的能力比較強(qiáng)，這就組成了傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程輸入/輸出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 [align=center] 圖4：典型全分布式方案[/align] 今天再看這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也還是有很大的問題：第一，過分倚賴遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)送向主站；而經(jīng)過運(yùn)算的結(jié)果，再通過網(wǎng)絡(luò)，送向遠(yuǎn)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(yùn)算都由它來完成，負(fù)擔(dān)較重，負(fù)載較大，而且一旦出現(xiàn)問題（包括CPU、網(wǎng)絡(luò)），因為這是一種主從結(jié)構(gòu)，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(tǒng)更多地強(qiáng)調(diào)平衡、和諧和主動。改變的方式如下：在遠(yuǎn)程分站，把通訊適配器改換成一個小CPU，把原來遠(yuǎn)程主站單元向遠(yuǎn)程分站發(fā)送數(shù)據(jù)的單向傳送，變?yōu)榧瓤梢灾髡就终舅?，又可以分站單元往主站發(fā)送的雙向通訊。另外，分站的CPU也可以運(yùn)行一些程序，分擔(dān)主站CPU的負(fù)載。 　　 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是： 　　 ■ 遠(yuǎn)程分站的CPU可以分擔(dān)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(zhí)行50％的程序。這樣就降低了主站CPU的負(fù)載。在最糟糕的情況，如主CPU停機(jī)或者遠(yuǎn)程通訊完全中斷時，分站CPU承擔(dān)所有工作，系統(tǒng)仍然可以正常運(yùn)行。 　　 ■ 因為有了分站CPU，分站的處理能力加強(qiáng)，可以按照應(yīng)用需求減少遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的傳送數(shù)據(jù)，因為不是每個數(shù)據(jù)，每個掃描周期都要傳送給主站單元。比如：有些數(shù)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(shè)置一個死區(qū)，在這個區(qū)域內(nèi)，我們認(rèn)為它沒有變化，所以也不用傳送。這樣就降低了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。 　　 ■ 原來的結(jié)構(gòu)，分站因為沒有CPU，完全處于被動，狀態(tài)是主站發(fā)，分站收，是一種單向通訊。用現(xiàn)在的新結(jié)構(gòu)，除了原來的方式外，還可以增加分站主動向主站發(fā)送或索要信息，構(gòu)成了一個反向通訊。這樣分站就增加了主動性，可以根據(jù)主站、網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)更加趨于平衡。運(yùn)行更加趨于合理。 　　 ■ 在設(shè)備冗余的主站系統(tǒng)中，主站CPU進(jìn)行切換時，如果沒有分站的CPU，可能會發(fā)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(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(chǎn)生擾動，如果不同步就有可能產(chǎn)生擾動。而新結(jié)構(gòu)增加了CPU，可以判斷主站的工作情況，然后采取對應(yīng)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(yuǎn)程I/O），從集中式CPU到本地分布式CPU（dcs），從遠(yuǎn)程嵌入式CPU（現(xiàn)場總線），到遠(yuǎn)程分布式CPU（新分布式系統(tǒng)），有著一種符合其規(guī)律的發(fā)展過程，這也是伴隨著芯片制造技術(shù)的提高，分站CPU抗干擾能力的增強(qiáng)，以及處理器價格的降低帶來結(jié)果。因此我們的項目設(shè)計人員、項目執(zhí)行人員、項目咨詢?nèi)藛T和最終使用人員，應(yīng)該與時俱進(jìn)，轉(zhuǎn)變固有概念，把自動化系統(tǒng)構(gòu)建的更為高效，更為合理，更為平衡，更為和諧。