集中式係統
　　早(zao)期(qi)的(de)儀(yi)表(biao)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)和(he)電(dian)氣(qi)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)都(dou)是(shi)集(ji)中(zhong)式(shi)的(de)，原(yuan)因(yin)是(shi)工(gong)業(ye)化(hua)大(da)規(gui)模(mo)生(sheng)產(chan)線(xian)還(hai)未(wei)形(xing)成(cheng)，控(kong)製(zhi)的(de)物(wu)理(li)麵(mian)積(ji)比(bi)較(jiao)小(xiao)
，所(suo)以(yi)沒(mei)有(you)這(zhe)種(zhong)需(xu)求(qiu)。設(she)備(bei)的(de)控(kong)製(zhi)都(dou)是(shi)獨(du)立(li)的(de)
，控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)都(dou)安(an)裝(zhuang)在(zai)設(she)備(bei)附(fu)近(jin)
，輸(shu)入(ru)/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

，設備的加工和製造的產品，屬於“大批量，少品種”的狀態。因此
，自動化的控製水平處於初級階段。


圖1：典型遠程輸入/ 輸出係統

　　分布式係統輸入/輸出係統
　　隨著流水線、自動線、生產線的發展和擴大，對自動化控製係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，後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製在四百米以內）
；二是輸入、輸出線都采用並行接法
，隨著距離的增加
，電纜的費用也不斷增加，而且給後來的校線

、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
，自動化製造廠家推出了結構稱為遠程輸入/輸出係統（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，也就是用於遠程輸入/輸出點的輸入/輸出模塊不再安裝於本地機架，而是安裝於遠程機架。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。這樣就把原先的並行電纜
，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，把並行連接改為串行連接，係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wo們men要yao知zhi道dao
，這zhe種zhong結jie構gou上shang的de變bian化hua是shi有you技ji術shu含han量liang的de。因yin為wei遠yuan程cheng輸shu入ru模mo塊kuai在zai了le輸shu入ru信xin號hao後hou
，要yao經jing過guo處chu理li
，先xian把ba它ta們men轉zhuan換huan成cheng數shu字zi信xin號hao，再zai把ba它ta們men變bian成cheng一yi種zhong數shu據ju幀zhen，常chang被bei稱cheng之zhi為wei某mou種zhong特te定ding的de“協議”
，具有規定的格式，然後經過遠程分站模塊、遠程通訊電纜，到遠程主站模塊，傳送到CPU站進行處理
，處理後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”後，由遠程站上的輸出模塊輸出給執行機構。
　　我們即得益於遠程係統，也受製於遠程係統。遠程係統中的遠程主站模塊、遠程電纜
、遠程分站模塊成了整個係統的軟肋
，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餘；擔心電纜出問題，就對電纜進行冗餘；擔心分站出問題，就對分站模塊冗餘。應該說這種係統都是可以實現的
，考慮到係統的造價問題，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
，用於連接一根或兩根遠程電纜
，實現了電纜冗餘。
　　冗餘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
，把信號比較後，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；lianglanyiyongyibei
，anshijianjiangejinxingqiehuan。yongyubeideqiehuanwanquanyouxitongkongzhi，zidongjinxing，yonghuyibanwuxurenhecaozuo。zhiyuchangjiacaiyongnazhongfangshi，jiyaokaolvshixiandejishunandu
，yeyaokaolvshixiandeshangyechengben。gezidouyougezidedaoli
，zhejiushiyizhongxuanzeba，yeshiyizhongchayihuajingzheng。zongzhi，duiyuyonghueryan
，shuanglanzongshibidanlanyaokekaoxinggao，xinlijiaozhetashi。
　　以上談的是硬件部分

，下麵再說說軟件部分。因為工業現場的環境比較惡劣，比如：灰塵、震動、衝擊
、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，會帶來一係列的連鎖反應：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(zhong)壓(ya)開(kai)關(guan)櫃(gui)的(de)運(yun)行(xing)等(deng)，都(dou)帶(dai)有(you)很(hen)強(qiang)的(de)電(dian)氣(qi)幹(gan)擾(rao)和(he)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)。而(er)它(ta)們(men)通(tong)常(chang)也(ye)都(dou)與(yu)自(zi)動(dong)化(hua)係(xi)統(tong)的(de)控(kong)製(zhi)櫃(gui)放(fang)在(zai)一(yi)起(qi)，而(er)它(ta)們(men)非(fei)常(chang)容(rong)易(yi)對(dui)低(di)電(dian)平(ping)的(de)通(tong)訊(xun)信(xin)號(hao)產(chan)生(sheng)影(ying)響(xiang)。因(yin)此(ci)，抗(kang)幹(gan)擾(rao)就(jiu)成(cheng)了(le)工(gong)業(ye)通(tong)訊(xun)要(yao)解(jie)決(jue)的(de)首(shou)要(yao)難(nan)題(ti)。
　　為了解決現場的幹擾問題，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、自動化係統與其他係統分開接地外，還要在通信的協議上下功夫。前麵提到：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
，專門用於通訊數據的檢查。常用的算法有兩種：循環冗餘碼校驗（CRC：Cyclic Redundancy Check），和縱向冗餘碼校驗（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
，在發送端係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shu據ju經jing過guo傳chuan送song
，並bing被bei目mu的de站zhan接jie收shou後hou，在zai接jie收shou站zhan對dui接jie收shou數shu據ju幀zhen的de數shu據ju進jin行xing運yun算suan，當dang然ran是shi和he出chu發fa時shi的de相xiang同tong運yun算suan，得de出chu的de結jie果guo再zai和he接jie收shou數shu據ju幀zhen中zhong的deFCS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製
，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

，係統會停止再試，馬上向CPU和上位機操作員報警。

　　集散控製係統
　　在過程控製行業，也稱為儀表控製行業，也從分立的儀表控製發展到了集成的控製係統，被稱之為dcs（Distributed Control System）係統。我國在引進這種技術時，為了闡述分散控製
、集中管理這個理念，把它翻譯成：集散控製係統
，而不是分布式控製係統。但我們從英文的內容看到：DCS是分布式控製係統的簡稱，強調的是“分布”的概念。
　　什(shen)麼(me)是(shi)分(fen)布(bu)的(de)真(zhen)正(zheng)含(han)義(yi)呢(ne)？從(cong)概(gai)念(nian)上(shang)說(shuo)，所(suo)謂(wei)分(fen)布(bu)就(jiu)是(shi)要(yao)分(fen)散(san)危(wei)險(xian)，也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)
，不(bu)能(neng)因(yin)為(wei)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)某(mou)個(ge)元(yuan)件(jian)或(huo)部(bu)件(jian)出(chu)問(wen)題(ti)
，而(er)造(zao)成(cheng)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)癱(tan)瘓(huan)。從(cong)結(jie)構(gou)來(lai)看(kan)
，就(jiu)是(shi)把(ba)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)比(bi)較(jiao)重(zhong)要(yao)的(de)部(bu)分(fen)
，如(ru)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，變成冗餘的網絡進行
；如操作係統
，變成基於實時網絡、多任務操作係統。
　　下麵就對比我們非常熟悉的PC機，來理解DCS係統的結構。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係統就是把上述的部件，變成網絡中的一個節點單元（每個都相當於獨立運行的PC機），來分散風險。
　　比如：DCS係統中的過程控製器和邏輯控製器
，相當於兩個CPU，分別完成儀表控製和電氣控製
；應用數據管理器相當於內部存儲器；曆史數據管理器相當於外部存儲器；操作員站和工程師站相當於部分輸入/輸出單元；而所有的節點單元都通過實時的局域控製網絡――相當於PC內部在線，連接在一起
，構成了基本的DCS係統。可以看出：DCS係統是PC經過放大了的係統。但從係統的實現上，發生了質的變化：不因為某個節點單元發生故障，而造成整個係統的失效。不像我們的PC機：經常死機，需要重新驅動！
　　DCS係統不光分散了危險
，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係統中
，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。這也就是為什麼很多遊戲玩家，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鍾頻率來提高CPU的性能的方法，遇到了物理和材料方麵的極限，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係統能力。


圖2：典型的DCS 結構

　　現場總線係統
　　前麵介紹了遠程輸入/輸(shu)出(chu)係(xi)統(tong)的(de)基(ji)本(ben)概(gai)念(nian)和(he)結(jie)構(gou)，如(ru)果(guo)再(zai)仔(zai)細(xi)分(fen)析(xi)就(jiu)會(hui)發(fa)現(xian)，雖(sui)然(ran)係(xi)統(tong)解(jie)決(jue)了(le)本(ben)地(di)到(dao)遠(yuan)程(cheng)的(de)接(jie)線(xian)問(wen)題(ti)
，可(ke)到(dao)了(le)遠(yuan)程(cheng)機(ji)架(jia)，還(hai)是(shi)采(cai)用(yong)傳(chuan)統(tong)的(de)機(ji)架(jia)
、傳統的模塊、傳統的並行接線。我們會問：有沒有可能從根本上改變傳統的接線方式
？有沒有不用並行連接，而隻用串行連接的傳感器/執行器？這個答案就是：使用現場總線！
　　現場總線的曆史可以追溯到上世紀的八十年代
，由於工業自動化界缺少IT界類似於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。

圖3：Asi 典型配置

　　現場總線對於工業控製和自動化的最大貢獻是：它徹底顛覆了傳統的接線方式，並把智能分配給了傳感器和執行器。
　　第di一yi，前qian麵mian提ti到dao
，傳chuan統tong的de接jie線xian方fang式shi是shi並bing行xing的de
，而er現xian場chang總zong線xian一yi律lv采cai用yong串chuan行xing方fang式shi。隻zhi是shi考kao慮lv對dui傳chuan統tong接jie線xian方fang式shi的de兼jian容rong

，才cai允yun許xu在zai某mou些xie節jie點dian上shang，可ke以yi轉zhuan成cheng並bing行xing方fang式shi接jie線xian。從cong拓tuo撲pu結jie構gou上shang看kan
，有you些xie現xian場chang總zong線xian除chu了le支zhi持chi總zong線xian方fang式shi之zhi外wai，還hai支zhi持chi樹shu形xing、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裏來的話，距離可以到幾十到上百公裏
，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、脈衝量等
，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於觸及的地方，如：煙囪、地下、核he實shi施shi等deng，如ru果guo傳chuan感gan器qi能neng夠gou自zi己ji主zhu動dong把ba運yun行xing狀zhuang態tai告gao知zhi控kong製zhi係xi統tong
，那na真zhen是shi現xian場chang維wei護hu人ren員yuan的de喜xi訊xun，大da大da減jian少shao了le係xi統tong維wei護hu的de費fei用yong。具ju了le解jie
，某mou個ge廠chang家jia的de變bian送song器qi的de診zhen斷duan參can數shu多duo達da37個，什麼斷線啦、溫度超限啦、yuanjianxuhanla，tongtongyiwangdajin。keyishuo，zhiyaoniguanxindewenti，tamenquandoubaokuo。shiyongzhezhongbiansongqideyonghu，shifouhuiyinweizhezhongchanpindegongnengershuangdailene？
　　智(zhi)能(neng)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)出(chu)現(xian)，也(ye)為(wei)維(wei)護(hu)人(ren)員(yuan)對(dui)設(she)備(bei)的(de)維(wei)護(hu)，由(you)被(bei)動(dong)轉(zhuan)為(wei)了(le)主(zhu)動(dong)。試(shi)舉(ju)一(yi)例(li)來(lai)說(shuo)明(ming)之(zhi)。每(mei)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)是(shi)有(you)壽(shou)命(ming)的(de)，比(bi)較(jiao)重(zhong)要(yao)的(de)參(can)數(shu)是(shi)：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(zhi)到(dao)該(gai)傳(chuan)感(gan)器(qi)出(chu)了(le)故(gu)障(zhang)
，不(bu)能(neng)用(yong)或(huo)者(zhe)影(ying)響(xiang)生(sheng)產(chan)時(shi)，才(cai)來(lai)查(zha)找(zhao)問(wen)題(ti)發(fa)生(sheng)的(de)故(gu)障(zhang)源(yuan)，找(zhao)到(dao)後(hou)
，更(geng)換(huan)該(gai)產(chan)品(pin)，這(zhe)勢(shi)必(bi)影(ying)響(xiang)生(sheng)產(chan)，帶(dai)來(lai)延(yan)時(shi)和(he)產(chan)品(pin)質(zhi)量(liang)的(de)損(sun)失(shi)

；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

，有些產品甚至怎麼用就更換，比較浪費。
　　我們再來看看什麼是主動的維護方法。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！dangranle，jishiguzhangyouyuqitadeyuanyinfashengle，namezhazhaoqilaiyebichuantongdechuanganqirongyideduo，yinweitadeguzhangzhuangtaiyijingxianshizaicaozuoyuandepingmushangle。

　　全分布式係統
　　前麵介紹的分布式輸入/輸出係統，由於曆史的原因
，主站節點單元都放於環境較好的主機房裏，通常還帶有空調係統，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於較為惡劣的現場
，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，所以抗幹擾的能力比較強，這就組成了傳統的遠程輸入/輸出的係統結構。


圖4：典型全分布式方案
　　今天再看這種係統結構，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，隻能聽天由命。
　　為了克服上述問題，全分布式係統更多地強調平衡、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(ba)原(yuan)來(lai)遠(yuan)程(cheng)主(zhu)站(zhan)單(dan)元(yuan)向(xiang)遠(yuan)程(cheng)分(fen)站(zhan)發(fa)送(song)數(shu)據(ju)的(de)單(dan)向(xiang)傳(chuan)送(song)，變(bian)為(wei)既(ji)可(ke)以(yi)主(zhu)站(zhan)往(wang)分(fen)站(zhan)送(song)，又(you)可(ke)以(yi)分(fen)站(zhan)單(dan)元(yuan)往(wang)主(zhu)站(zhan)發(fa)送(song)的(de)雙(shuang)向(xiang)通(tong)訊(xun)。另(ling)外(wai)
，分(fen)站(zhan)的(de)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，係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裏沒有變化，對程序沒有影響，就不用傳送；有(you)些(xie)模(mo)擬(ni)量(liang)變(bian)化(hua)非(fei)常(chang)緩(huan)慢(man)，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)給(gei)它(ta)們(men)設(she)置(zhi)一(yi)個(ge)死(si)區(qu)，在(zai)這(zhe)個(ge)區(qu)域(yu)內(nei)
，我(wo)們(men)認(ren)為(wei)它(ta)沒(mei)有(you)變(bian)化(hua)，所(suo)以(yi)也(ye)不(bu)用(yong)傳(chuan)送(song)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)降(jiang)低(di)了(le)網(wang)絡(luo)的(de)負(fu)載(zai)。
　　■ 原來的結構，分站因為沒有CPU，完(wan)全(quan)處(chu)於(yu)被(bei)動(dong)，狀(zhuang)態(tai)是(shi)主(zhu)站(zhan)發(fa)
，分(fen)站(zhan)收(shou)
，是(shi)一(yi)種(zhong)單(dan)向(xiang)通(tong)訊(xun)。用(yong)現(xian)在(zai)的(de)新(xin)結(jie)構(gou)，除(chu)了(le)原(yuan)來(lai)的(de)方(fang)式(shi)外(wai)，還(hai)可(ke)以(yi)增(zeng)加(jia)分(fen)站(zhan)主(zhu)動(dong)向(xiang)主(zhu)站(zhan)發(fa)送(song)或(huo)索(suo)要(yao)信(xin)息(xi)
，構(gou)成(cheng)了(le)一(yi)個(ge)反(fan)向(xiang)通(tong)訊(xun)。這(zhe)樣(yang)分(fen)站(zhan)就(jiu)增(zeng)加(jia)了(le)主(zhu)動(dong)性(xing)
，可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)主(zhu)站(zhan)
、網絡的情況，決定自己做什麼工作

，做多少工作
，使得整個控製係統更加趨於平衡。運行更加趨於合理。
　　■ 在設備冗餘的主站係統中，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。這種擾動是由於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，然後采取對應的策略，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（新分布式係統）
，有著一種符合其規律的發展過程，這也是伴隨著芯片製造技術的提高，分站CPU抗幹擾能力的增強

，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、項目谘詢人員和最終使用人員，應該與時俱進
，轉變固有概念
，把自動化係統構建的更為高效，更為合理

，更為平衡，更為和諧。