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控制系統(tǒng)是制造企業(yè)生產(chǎn)過程中的神經(jīng)中樞、運行中心和安全屏障，實現(xiàn)監(jiān)測、控制、優(yōu)化整個工藝流程和產(chǎn)品質(zhì)量的功能，是確保重大工程和重大裝備安全可靠和高效優(yōu)化運行的不可或缺的關(guān)鍵通用硬軟件平臺與系統(tǒng)。隨著控制系統(tǒng)技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，其在工控領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟。然而，隨著智能制造時代的來臨，IT與OT的融合發(fā)展已成大勢所趨，控制系統(tǒng)作為智能制造的基礎(chǔ)層、自動化控制層的核心，不可避免地面臨著新的挑戰(zhàn)。智能制造是以數(shù)據(jù)為核心，實現(xiàn)全局?jǐn)?shù)據(jù)的完整、互聯(lián)互通才能更好地協(xié)調(diào)整個生產(chǎn)過程。控制系統(tǒng)則是擔(dān)任了整體智能制造架構(gòu)之中硬能力的核心環(huán)節(jié)，需要具有更強大的數(shù)據(jù)采集、存儲、計算以及分析能力，更好地支撐上層智能化軟件的發(fā)展。從本期聚焦控制系統(tǒng)專題對多位專家的采訪中，我們不難發(fā)現(xiàn)，圍繞著數(shù)據(jù)的采集、存儲、計算、分析能力，控制系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展趨勢已日趨顯現(xiàn)，同時數(shù)據(jù)安全問題也正引發(fā)各企業(yè)的關(guān)注和重視。

侯子良：新一代控制系統(tǒng)基本特征

中國自動化學(xué)會發(fā)電自動化專委會侯子良

筆者曾在《分散控制系統(tǒng)（DCS）正走向衰亡》一文中預(yù)示，經(jīng)歷四十多年發(fā)展的DCS時代行將結(jié)束，控制系統(tǒng)正經(jīng)歷質(zhì)變，新一代控制系統(tǒng) ——智能控制系統(tǒng)（Intelligent ControlSystem，簡稱ICS）將孕育而出。它必然產(chǎn)生的核心基礎(chǔ)是計算機信息技術(shù)和人工智能技術(shù)這兩方面的高度發(fā)展。它至少具有下列五個鮮明的基本特征：

（1）人工智能技術(shù)高度融合，極大提高控制系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)的智能化水平

除了控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)PID和簡單邏輯算法進(jìn)入到廣泛和深度應(yīng)用各種智能算法和大數(shù)據(jù)技術(shù)外，監(jiān)視系統(tǒng)也開始進(jìn)入智能化，廣泛應(yīng)用智能預(yù)測、預(yù)警和設(shè)備診斷等技術(shù)。

（2）“分散”控制結(jié)構(gòu)將被“集中分散”擬人控制結(jié)構(gòu)取代

片面強調(diào)分散的觀念將被顛覆，取而代之的是集中和分散相結(jié)合的控制架構(gòu)。這意味著，除了在過程控制器中進(jìn)行分散智能控制外，上層實時歷史數(shù)據(jù)站和高級應(yīng)用服務(wù)器等將集中主導(dǎo)更為復(fù)雜和高級的智能控制應(yīng)用，并成為新一代控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中控制層的大腦和重要組成部分，一個擬人的控制系統(tǒng)架構(gòu)開始出現(xiàn)。

（3）監(jiān)控系統(tǒng)（Monitoring and ControlSystem）和監(jiān)管信息系統(tǒng)（Supervisory Information System）間功能將重新分配

從原則上講，開環(huán)監(jiān)視功能應(yīng)嚴(yán)格按實時性要求和安全等級差異，合理的在監(jiān)控系統(tǒng)（常簡稱控制系統(tǒng)）和監(jiān)管信息系統(tǒng)間分配。例如，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、機組故障診斷，以及智能報警（或預(yù)警）等大部分功能明顯應(yīng)列入到控制系統(tǒng)中。但是，20多年前，當(dāng)我們提出電廠監(jiān)管信息系統(tǒng)（SIS）概念時，由于當(dāng)年DCS所處時代的計算機信息技術(shù)水平的限制，為了確保DCS可靠性，不得不將上述功能列入到SIS功能范圍內(nèi)(文獻(xiàn)2)。20年后的今天，上述大部分功能，不僅應(yīng)當(dāng)而且也具備條件，重新配置回新一代控制系統(tǒng)的范疇內(nèi)了。

（4）控制系統(tǒng)將從封閉走向開放

控制系統(tǒng)進(jìn)入DCS時代，DCS廠家不僅提供硬件平臺，而且負(fù)責(zé)控制算法和邏輯的設(shè)計、組態(tài)及調(diào)試，這極大束縛了廣大技術(shù)隊伍的積極性。當(dāng)前，在我國專家倡導(dǎo)下，新一代控制系統(tǒng)開始融入一個包含智能算法群和智能計算引擎，并能確保第三方開發(fā)的智能算法知識產(chǎn)權(quán)的通用優(yōu)化控制平臺。開放的平臺使我國龐大的科技隊伍可借此開發(fā)自己特色的智能化系統(tǒng)，作為通用產(chǎn)品嵌入到廠家提供的ICS中。由此，招標(biāo)技術(shù)規(guī)范要求也將可能由單一化向個性化發(fā)展。控制系統(tǒng)將從封閉走向開放，必將大大加快控制系統(tǒng)智能化發(fā)展進(jìn)程。

（5）功能安全、本質(zhì)安全和信息安全有機融合和強化

不言而喻，新一代控制系統(tǒng)信息安全技術(shù)應(yīng)深度有機融合，并滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。除此之外，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化，出現(xiàn)了一些新的確保系統(tǒng)功能安全的要求。例如，上層實時歷史數(shù)據(jù)站和高級應(yīng)用服務(wù)器等已不再只是傳統(tǒng)的開環(huán)監(jiān)視功能，而將主導(dǎo)更為復(fù)雜和高級的閉環(huán)智能控制功能，由此相關(guān)功能安全等級要求進(jìn)一步提高。

羅安：未來DCS，接入和安全是兩個挑戰(zhàn)性課題

和利時集團(tuán)原總工程師、中國自動化學(xué)會專家咨詢工作委員會羅安

DCS最早是作為一種過程自動化系統(tǒng)推出的，隨著其應(yīng)用的范圍不斷擴(kuò)大、其功能的不斷完善以及應(yīng)用程度的不斷加深，DCS的基本概念已突破了原來的范疇而發(fā)展成為一種集成化的整體自動化系統(tǒng)。而近年來隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)并在DCS中得到廣泛應(yīng)用及與系統(tǒng)的深度結(jié)合，DCS的概念已經(jīng)從一個系統(tǒng)發(fā)展成為一種體系架構(gòu)，成為一種廣泛應(yīng)用于不同生產(chǎn)過程的整體解決方案，信息化與智能化是新一代DCS的最顯著特點。

DCS是從儀表控制系統(tǒng)脫胎而來的，儀表廠家利用強大的數(shù)字處理技術(shù)不僅用軟件實現(xiàn)了模擬儀表的各種測量控制功能，而且在控制功能的全面性、復(fù)雜性、可靠性及穩(wěn)定性等各個方面都實現(xiàn)了質(zhì)的提升。除此之外，數(shù)字處理技術(shù)還開辟了一個全新的領(lǐng)域，即數(shù)字通信領(lǐng)域，進(jìn)而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)功能，而正是有了網(wǎng)絡(luò)功能，儀表控制系統(tǒng)方能全面進(jìn)化為分布式控制系統(tǒng)，即DCS。

傳統(tǒng)DCS是以控制器為核心的，因此所有系統(tǒng)配置都圍繞著控制器及其所承擔(dān)的控制功能進(jìn)行，而現(xiàn)代DCS則是以網(wǎng)絡(luò)為核心的。對于一個應(yīng)用現(xiàn)場，系統(tǒng)設(shè)計師首先要根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計，特別要根據(jù)整個系統(tǒng)中各種信息的分布、發(fā)生、流動以及對信息實時性、流量密度等方面的要求對網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置進(jìn)行嚴(yán)格細(xì)致的分析、選擇及優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上完成對整個系統(tǒng)的設(shè)計。

未來的DCS將有兩個最顯著的特點，一是在DCS網(wǎng)絡(luò)上掛接的節(jié)點種類和數(shù)量將比以往大大增加，其種類不僅是控制站、操作員站、工程師站及實時/歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器這幾種傳統(tǒng)節(jié)點，還可能包括數(shù)字化儀表、智能儀表、嵌入式測控單元、遠(yuǎn)程終端單元RTU、智能電子設(shè)備IED、PLC等多種不同構(gòu)成、不同用途的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。而在今后，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到物聯(lián)網(wǎng)，生產(chǎn)現(xiàn)場的每一個機器、設(shè)備、裝置都將成為一個獨立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，都具有獨立的節(jié)點功能、行為模式以及對外界進(jìn)行信息交換的需求。在一個具有一定規(guī)模的應(yīng)用現(xiàn)場，這些節(jié)點的數(shù)量可能會大大多于傳統(tǒng)DCS的節(jié)點數(shù)量。這就要求系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)必須具有更高的速度和效率，將現(xiàn)場產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及二次計算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以控制應(yīng)用所要求的速度及盡可能高的效率、盡量小的網(wǎng)絡(luò)傳輸開銷送達(dá)需要數(shù)據(jù)的各個節(jié)點。這對于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計及通信體系、通信規(guī)約的設(shè)計和選用都提出了極高的要求。

系統(tǒng)的第二個特點，是系統(tǒng)內(nèi)部、外部的通信接口無論是種類和數(shù)量，都更多，更復(fù)雜。系統(tǒng)內(nèi)部種類繁多的各種節(jié)點之間需要高效通信，同時系統(tǒng)對外部的其他系統(tǒng)也需要大量地交換數(shù)據(jù)。無論是內(nèi)部還是外部，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)都需要兼容多廠家的產(chǎn)品，因此幾乎所有DCS都需要容納更多的網(wǎng)絡(luò)通信模式及通信規(guī)約。在多種通信模式中，有的需要實時通信，有的沒有實時要求；有的采取周期通信模式，而有的采取隨機通信模式；有點對點通信、也有組播或廣播通信；有的通信采取主從方式，而有些通信則采取對等方式，等等。同時，通信介質(zhì)也將是多種多樣，如何在這種條件下保證系統(tǒng)通信的暢通與高效，將是系統(tǒng)設(shè)計的最大難題。

對于未來的DCS，接入和安全是兩個極具挑戰(zhàn)性的課題。隨著生產(chǎn)現(xiàn)場的改變和生產(chǎn)需求的改變，系統(tǒng)的構(gòu)成也會發(fā)生變化，新節(jié)點的接入是不可避免的。如何實現(xiàn)即插即用，不對系統(tǒng)造成干擾，這在系統(tǒng)設(shè)計時是必須認(rèn)真考慮并妥善解決的問題。關(guān)于安全，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，特別是將來工業(yè)無線網(wǎng)的大量應(yīng)用，已經(jīng)使系統(tǒng)邊界變得復(fù)雜而且模糊，這對于保證系統(tǒng)的信息安全將是非常不利的。因此在系統(tǒng)設(shè)計時需要仔細(xì)研究，制定完善的信息安全保證方案，在系統(tǒng)使用運行過程中，還需要隨時進(jìn)行風(fēng)險評估及適應(yīng)性改進(jìn)。

王文海：打造高端控制裝備及系統(tǒng)

杭州優(yōu)穩(wěn)自動化系統(tǒng)有限公司董事長王文海

雖然構(gòu)成自動化系統(tǒng)的技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化，但系統(tǒng)的核心目的并未改變，仍然是圍繞著提高產(chǎn)品的性能質(zhì)量、滿足多方面?zhèn)€性化需求、提高生產(chǎn)效率、生產(chǎn)過程的節(jié)能環(huán)保及安全保證等各個方面，利用新技術(shù)新設(shè)備持續(xù)不斷地進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)提升。

控制裝備及系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)裝備以及冶金、能源、石化、國防等領(lǐng)域重大工程的神經(jīng)中樞、運行中心和安全屏障，主要功能是監(jiān)測、控制、優(yōu)化整個工藝流程和產(chǎn)品質(zhì)量，是確保重大工程和重大裝備安全可靠和高效優(yōu)化運行的不可或缺的關(guān)鍵通用硬軟件平臺與系統(tǒng)，是實現(xiàn)重大工程和重大裝備節(jié)能、降耗、減排的有效途徑。

控制系統(tǒng)發(fā)展回顧

國產(chǎn)控制系統(tǒng)經(jīng)30余年科技創(chuàng)新、技術(shù)研發(fā)與工程應(yīng)用，在各行業(yè)發(fā)揮了重大的作用。

第一階段：功能實現(xiàn)，主要解決可靠性、可用性問題，具體來說就是研發(fā)控制系統(tǒng)硬件以滿足工業(yè)控制現(xiàn)場的功能要求；

第二階段：性能提升，主要解決控制系統(tǒng)的開放化、標(biāo)準(zhǔn)化及規(guī)模化應(yīng)用的問題，逐步滿足單站、分布式、規(guī)?；瘧?yīng)用對數(shù)據(jù)、編程、監(jiān)控、操作等功能的性能需求，進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的性能；

第三階段：自主設(shè)計，主要解決工業(yè)控制系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用的核心模塊、核心軟硬件被國外廠商壟斷的問題，提高自主設(shè)計、自主開發(fā)、自主可控能力，同時解決高端控制裝備的“三高一大”問題——高可靠性、高安全性、高適應(yīng)性和大規(guī)模化應(yīng)用；

第四階段：綜合安全，工業(yè)控制系統(tǒng)影響物理世界，關(guān)系國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施安全，逐漸成為不對稱攻擊的手段，因此需要在保證功能安全的同時保障信息安全，實現(xiàn)功能安全結(jié)合信息安全的綜合安全，與此同時，實現(xiàn)為專有裝備構(gòu)造成套專用的控制裝置及系統(tǒng)的性能提升及可復(fù)制性。

今后，在智能制造的背景下，智能控制將成為核心需求，智能控制技術(shù)包括廣域協(xié)同、自主智能、內(nèi)生安全。

廣域協(xié)同——工廠內(nèi)多域系統(tǒng)、工廠間廣域系統(tǒng)的協(xié)同控制。

自主智能——支撐智能制造需要單元設(shè)備、單元過程智能化。

內(nèi)生安全——提高智能制造系統(tǒng)的可用性需要增強體系安全。

控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢

廣域協(xié)同

優(yōu)穩(wěn)公司布局的廣域協(xié)同高端大規(guī)?？删幊套詣踊到y(tǒng)架構(gòu)采用無服務(wù)器的對等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各控制器分布自治，基于冗余總線網(wǎng)絡(luò)與分布式全局?jǐn)?shù)據(jù)庫，實現(xiàn)分散控制與協(xié)同控制，保證高可靠性、高安全性、高適應(yīng)性與大規(guī)?；?，支持動態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)與廣域云平臺。

過程優(yōu)化云平臺支持無約束以及約束穩(wěn)態(tài)優(yōu)化、動態(tài)優(yōu)化、智能優(yōu)化問題的求解，給出并執(zhí)行最優(yōu)化決策方案，是廣域協(xié)同的高端大規(guī)?？删幊套詣踊到y(tǒng)的控制參數(shù)最優(yōu)設(shè)定、系統(tǒng)最優(yōu)化的核心。

自主智能

結(jié)合現(xiàn)代控制理論，應(yīng)用人工智能技術(shù)，以微處理器為基礎(chǔ)的智能化設(shè)備紛紛涌現(xiàn)；先進(jìn)控制策略、故障診斷、過程優(yōu)化、計算機輔助設(shè)計、仿真培訓(xùn)和在線維修技術(shù)等日益得到廣泛應(yīng)用；隨著數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、推理機能的發(fā)展，尤其是知識庫系統(tǒng)和專家系統(tǒng)的應(yīng)用，如自學(xué)習(xí)控制、遠(yuǎn)距離診斷、自尋優(yōu)等，人工智能將在控制系統(tǒng)各級實現(xiàn)；控制系統(tǒng)架構(gòu)扁平化趨勢下，分散控制向分散智能發(fā)展；具體包括：自診斷、自修復(fù)、自校正、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自協(xié)調(diào)、自組織、自決策等。

內(nèi)生安全

工控系統(tǒng)的重要性、脆弱的安全狀況以及日益嚴(yán)重的攻擊威脅，引起世界各國的高度重視，并在政策、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)等方面展開積極應(yīng)對。

控制系統(tǒng)縱深防御：從工業(yè)防火墻、入侵檢測到態(tài)勢感知等系列產(chǎn)品；

控制系統(tǒng)內(nèi)建安全：自身安全的設(shè)計、開發(fā)和認(rèn)證，包括通信健壯性CRT認(rèn)證、嵌入式設(shè)備安全保障認(rèn)證EDSA和SSA、安全開發(fā)生命周期保障認(rèn)證SDLA；

新一代主動防御技術(shù)：改變游戲規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)安全防御技術(shù)，移動目標(biāo)防御MTD，自主智能功放等；

國內(nèi)推出工控安全防護(hù)產(chǎn)品和大規(guī)模漏洞挖掘平臺等，提出控制裝備內(nèi)建安全、擬態(tài)防御、自重構(gòu)可信賴、使命確保，可信計算等創(chuàng)新性主動防御技術(shù)。

優(yōu)穩(wěn)研究構(gòu)建結(jié)合功能安全、信息安全、操作安全，覆蓋工控系統(tǒng)管理層、監(jiān)控層、控制層、器件（部件）層，貫穿控制工程的設(shè)計、運行、服務(wù)等全生命周期，全面保障工控系統(tǒng)的安全性、可靠性、實時性以及可用性的主動防御內(nèi)生安全的工控系統(tǒng)安全防范核心技術(shù)體系。并與浙江大學(xué)工業(yè)自動化國家工程研究中心聯(lián)合攻關(guān)，基于安全增強、動態(tài)重構(gòu)、工程模型檢測，構(gòu)建自主可控融合增強的內(nèi)生安全防御體系；結(jié)合可編程電子控制模塊、安全協(xié)議棧與控制核心網(wǎng)絡(luò)、編程開發(fā)與運行操作軟件環(huán)境，進(jìn)行內(nèi)生安全設(shè)計；保障工控系統(tǒng)在“有毒帶菌”環(huán)境下的運行安全。

摘自《自動化博覽》2019年7月刊