我国DCS发展面临的机遇与挑战

中国自动化学会专家咨询工作委员会副主任委员 罗安

DCS作为一种由电子技术、信息技术、仪器仪表技术完美结合的控制系统，自其诞生到现在，已经过去了40年。在这漫长的40年中，各个方面的技术与产品发生了极大的改变，不间断的创新使得DCS的功能、性能以及安全性、可靠性、易用性、可维护性得到了极大的提升。同时，组成DCS的各种产品在工业设计方面也有了非常大的变化，DCS越来越向着小型化、轻量化的方向发展，甚至在外观上也越来越接近消费类电子产品了。我们现在谈DCS，已不再是传统概念的形态了（如大型机柜、控制台等等），而是逐步发展成为一种无处不在、无所不能、随手可得，并与主生产设备融为一体的高度智能化系统。

我国的DCS起步较晚，从九十年代初开始，在短短二十几年间，从无到有，由弱到强，在国际上众多知名的大型DCS厂家基本上占据市场的环境中，艰苦创业、奋力发展，以自主技术和自有品牌逐步打开市场，现在已经初步具备了可与国际知名大公司同场竞技的能力。随着科技的高速发展，DCS也处在一个飞速前进的过程中，特别是一些具有颠覆性的新技术，随时对传统DCS造成威胁。如何在这样的环境下保持我们已经取得的成果，并在此基础上更进一步，是我们必须严肃面对的问题。新技术，尤其是颠覆性的新技术，是后来居上的绝好机遇，同时也是对处在前进路上，在发展过程中的企业所面临的巨大挑战。如何认清未来，是我们要认真研究的问题。

事实证明之一般原理在知识产权司法审判中的适用——以《红色娘子军》著作权案为例 ...............陈界融 11.35

铅笔，顾名思义，应当是用铅做成的笔。然而，我们现在用的铅笔笔芯的主要原料却是石墨。之所以称其为“铅笔”，是因为很早以前人们的确是用铅写字的。据记载，在1900多年前的东汉时期，我国就有人使用铅笔了。但这种名副其实的铅笔并不好用，铅条很容易折断，写出来的字迹颜色也比较淡。直到16世纪，人们发现了石墨，铅笔改良的序幕就此拉开。那么，现在我们用的铅笔到底是怎么制成的呢？

网络技术将对DCS未来发展起决定作用

应该说，DCS的产生是控制系统发展历程中的一次巨大的革命。控制系统是随着机器生产的发生发展而产生并成长的，也就是说，自从机器开始代替人工，生产方式由手工逐步转变为机械，控制系统就随之发生发展了。从体系结构看，控制系统经历了一个“分散-集中-分散”的过程，DCS就是控制系统由集中到分散的里程碑。与早期以仪表为基础的分散形态的系统不同，DCS是建立在比较完备并具有强大通信能力的网络基础之上的，因此可以说，通信能力始终是一个控制系统的主导因素。早期的基地式仪表控制系统，各个测量仪表和执行器完全分散，但互相之间不具备通信能力，因此其控制只能是局部的、单参数的。而在电动单元仪表控制系统时代，由于现场数据可以通过模拟信号进行传输，因此能够实现比较复杂的、多参数的、范围较大的控制。而随着模拟信号的逐步数字化，数字化的信号传输和处理逐步取代了模拟信号的传输和处理，在此基础上诞生了分布式控制系统，即DCS。应该说DCS早已突破了仪表控制系统的范畴，当前所说的DCS也并不局限于回路控制，而是成为了集控制、信息处理、生产管理于一身的庞大复杂的系统。

早期的DCS比较集中于流程工业的生产过程控制，其核心是回路控制，经典的控制算法是PID调节。除DCS之外，在工业界还有集中关注于离散制造的PLC系统、主要用于生产过程的监督控制（如能量管控、物流管控、水网/电网/煤气管网调度等）的SCADA系统，以及一些专用的控制系统等。随着这些系统在数字化、网络化、信息化方面的进展，他们之间的界限已经越来越模糊了，其功能的互相交叉，所使用的设备相互融合，现代控制系统已经逐步成为一种集控制与管理于一身，既可进行回路控制，又可进行逻辑控制、离散控制的综合性的大型系统。

推荐理由:作者王君不仅是“百年中国语文人”“中学语文特级教师”“青春语文创始人”，更是一位在教育上亲力亲为的母亲。每一封信都是王君在日常中遇到的一个困惑，也是你我可能会遇到或曾经遇到的，她以自身实例进行讲述，每一个字都坦诚而真切，既有借鉴的意义，又有教育的温度。该书给亲子关系和家庭教育提供了一个新的思路和视角：原来好的家庭教育是孩子和父母的双向教育。爱，耐心和温情应该是家庭的主题。

罗安，研究员级高级工程师，享受国家政府津贴专家。曾任北京和利时系统工程股份有限公司总工程师。长期从事自动化控制系统的研究开发、工程应用工作，七十年代开始研制实施用于生产过程的计算机控制系统，建成了我国第一批掌握自主知识产权的实用化控制系统。作为主要人员开发的大庆炼油厂油品贮运自动化系统、北京供电局电网调度自动化系统等曾获国家科技进步二等奖、电子工业部科技进步一等奖。从“九五”期间开始，致力于国家重大技术装备控制系统的国产化、自主化，先后主持研究西气东输站场自动化控制系统、核电站计算机监测系统的开发与应用、三峡电站和梯级综合自动化系统实施方案研究、新一代开放式数控系统开发、城市轨道交通综合自动化等大型项目。担任“九五”科技攻关秦山二期监测系统开发的技术负责人，开发研究并形成了自主化的产品。该项目是国家“九五”期间优秀科技攻关项目，于2004年获电子信息产业科技进步一等奖，本人得到国家有关部委“九五”期间优秀科技人员表彰。著有《分布式控制系统（DCS）设计与应用实例》（第二作者）及《化工过程控制系统》（第二作者）。

随着DCS分散程度的不断提高，系统对网络的需求会越来越大，特别是方便灵活的无线网络。近年来，现场总线技术发展很快，其最主要的目标，是用数字传输技术彻底取代模拟信号传输技术。应该说，从传感器到控制处理单元，或从控制处理单元到现场执行器之间的信号传输是整个DCS系统中未实现数字化的最后一个部分。如果这一部分实现了数字化，将使DCS从现场得到更加丰富的信息，系统控制的精细化程度、广泛性、深入程度等也都将得到极大的提升。更重要的是，随着数字化技术延伸到现场端，DCS的形态也将发生巨大的变化。将来的DCS将成为一个建立在具有巨大数量的嵌入式智能现场设备（智能检测设备和智能控制器）基础上的庞大的网络系统。从表面看，系统又回到了基地式仪表控制系统的完全分散和与被控生产装置紧密结合的形态，所不同的是，各个测量控制点都具备很强的网络通信能力，都是控制系统整体网络上的一个个智能节点，它们既可以实现局部控制，也可以实现整体的协调动作，使整个系统形成一个有机的整体。

面临如此巨大的变革，机遇是显而易见的，关键是我们必须准确地预见到未来的系统形态及系统各个组成部分的产品形态，并正确定位其功能、性能、成本和各个方面的外部特性，以使产品真正符合未来市场的需求。

在系统处在巨大变革过程的时期，存在着诸多矛盾，解决好这些矛盾，是实现未来设想的关键。可以预见，未来DCS面临的最大问题将是网络安全或信息安全的问题。

在传统DCS中，所使用的网络都是专用的，包括物理层、数据链路层以及中、高各层的协议。之所以如此，是DCS首先必须保证系统的安全性、可靠性和实时性。与专用网对应的，是开放网络。目前的开放网络都是建立在ISO所制定的OSI七层协议框架之内的。目前最广泛使用的，在物理层有Ethernet/IEEE 802.2，在网络层有IP，在传输层有TCP/UDP等。传统DCS之所以在很长一段时间里不采用开放网络，主要原因是开放网络不能保证实时性。但开放网络的优势是巨大的。首先是其技术发展十分迅速，如Ethernet的传输速率在短短的十几年中就从10Mbps上升为1000Mbps，其传输介质也从早期的同轴电缆发展到现在的双绞线、光纤等多种方式。其次是开放网络的成本优势，一般来说，开放网络比专用网络的成本要低一个数量级，这是由于开放网络的用户数量巨大，从事研发、生产、技术支持和运行维护的各类资源十分丰富。对于开放网络在DCS中应用的主要障碍——实时性的问题，随着网络速率的不断提升，已经得到了较好的解决。因此现在大多数DCS都采用了开放网络作为自己的系统主架构，特别是在监控层及更高层的网络架构上。

在开放网络的基础上，一些系统更进一步将公共网络引入了自己的主架构中，如一些SCADA系统，在主站与远程站之间的通信中，往往采用电信网络等公共网络。这大大降低了系统的网络构建的时间和成本，也大大降低了网络的运行维护成本。

通过DCS的发展历程，我们可以看出，信息技术，尤其是网络技术一直在主导着DCS的技术方向，因此要把握DCS的未来，就必须认真研究网络技术未来的走向。

网络安全或信息安全将成为巨大挑战

趋势一：从建设以首都为核心的世界级城市群到以北京、天津为中心引领京津冀城市群发展，带动环渤海地区协同发展，京津冀协同发展将在更高站位、更深层次、更大范围上不断深化。

由于将来DCS会在很大程度上依赖网络，虽然这将极大提升系统的功能、控制规模和控制的精细程度，但系统在安全性、可靠性、实时性等关键性能上将完全取决于网络。特别是将来DCS所采用的网络产品及网络协议基本上走开放路线，公共网络也不可避免地会引入到系统之中。那么，针对网络的攻击或网络上存在的微小缺陷或漏洞都将是对系统最大的威胁，而开放网络乃至公共网络都是很容易遭受攻击的。

对此，我们不能认为将来DCS的网络体系会因为信息安全问题而放弃对开放性的追求。我们可以简单回顾一下DCS的人机界面工作站及服务器的发展历程。大约在上世纪九十年代，就有过DCS的这些主站设备要不要走开放路线的争论。持反对意见的人认为像Windows这样的软件虽然开放，但可靠性差、性能不高、存在很多Bug等。但经过近二十年的发展，大多数DCS还是聚集到了Windows平台，尽管其过程有诸多坎坷。

我们现在还无法预见DCS在网络化的进程中会遇到什么问题，但可以肯定的一点是，网络必须分层次，靠近现场的底层网络必须具有最高的安全性、可靠性和实时性。由于底层网络的功能相对简单，因此对底层网络的要求不是更多更复杂的功能，对于其开放性也不应该是第一位的考虑。相对简单、封闭的底层网络比较有利于系统安全性的保证。而对于系统高层的网络系统，则可以考虑更多的功能和更加开放的协议。

总之，现在DCS正处在一个重大的转型期，在此过程中，机遇和挑战并存。如何抓住机遇谋求发展，在发展过程中如何看清正确的方向，并沿着正确的路线稳步前进，是我们每个从业者需要认真对待的重大问题。