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從大的方面講，計算機工業控制自動化系統的體系結構主要分為四大類：集中式控制系統DDC體系結構；分布式控制系統DCS體系結構；監督控制和數據采集SCADA系統體系結構；基于B/S結構的綜合監控系統體系結構。
這四種體系結構有其各自不同的發展背景和特點，自然也有著不同的適用范圍。
1 集中式控制系統DDC體系結構
DDC是Direct Digital Control，即直接數字控制的縮寫，它是計算機進入控制和自動化領域以來最早應用的體系結構。DDC完全以單個的計算機為核心，利用計算機的硬件和軟件平臺構筑控制系統。DDC系統利用計算機的輸入輸出通道和過程I/O設備將計算機和現場連接起來，將被控過程的數據送入計算機；利用計算機的處理和存儲空間建立集中的實時數據庫；利用計算機的計算和處理能力進行控制計算和各種處理，如人機界面顯示、報警、統計、報表等。在DDC系統中，所有的部分，從計算機的CPU到存儲器、外部設備、過程I/O等都是通過計算機總線實現連接的，因此系統的規模受到了很大的限制，而且對外的通信功能也很弱，目前只有在規模比較小且對外通信聯系比較少的應用中使用DDC體系結構。典型的DDC體系結構如圖1所示。
DDC系統的軟件是比較復雜的，因為所有的功能都集中在一臺計算機中完成，因此需要一個相當龐大復雜的軟件系統，這個系統要實現各種功能，而且要很好地協調各個功能之間的關系，包括對計算機資源（CPU時間、計算機總線時間、內存和外存空間等）的使用和運行中的相互影響等，其實現難度是相當高的。因此目前DDC體系結構只用在規模較小、功能比較單一的控制場合，特別是一些嵌入式控制領域。一般來說，嵌入式控制的現場I/O數量很少，相應的功能也比較單一，因此不需要龐大而復雜的數據庫，特別是人機界面HMI非常簡單甚至沒有。在這種應用場合，正好發揮了DDC構造簡單，成本低廉的優勢。
2 分布式控制系統DCS體系結構
DCS的 目標，是對生產設備或裝置的運行狀態進行直接的自動控制，以優化這些設備或裝置的生產效率，達到保證生產設備或裝置運行的安全以及人身安全、增加產量、提 高質量、降低能源消耗、減少環境污染的目的。由于是計算機直接對生產過程進行控制，因此要針對被控過程建立數學模型，以便計算機根據模型進行計算并實施控 制。DCS體系結構是由直接數字控制（即DDC）系統發展而來的，其主要特點是面向現場的自動控制，減少人工干預，如閉環控制（CloseLoop Control）系統。在這類系統中，人機界面只是一種輔助性的功能，系統對人的輸出只是為了操作人員監視系統的運行是否正常，是否需要對某些異常情況進行處理；而人對系統的輸入是為了改變一些控制參數或在手動與自動之間進行切換，一般情況下并不直接向現場發出控制命令。典型的DCS體系結構示意圖如圖2所示：
在這里，我們可以看到它的幾個重要特點：
(1) 直接數字控制系統由現場I/O、現場控制、人機界面等三個主要部分組成。DCS將DDC中由單一計算機實現的現場I/O、現場控制、人機界面等功能分別由兩類不同的計算機完成。其中的一類完成現場I/O和現場控制功能，一般稱之為現場控制站（FCS）或分散過程處理單元（DPU）；另一類計算機完成系統的人機界面功能，一般稱之為操作員工作站（OPS）或直接稱為HMI。另外，為了應用工程的二次開發（即系統組態）和系統運行期間對系統本身運行狀態的監視，系統還設有工程師工作站。
(2) 在一個具體的應用系統中，一般會設置多臺FCS，HMI也會設置多臺。FCS之間是分擔處理量的關系，即一個系統的眾多I/O點和控制回路要分給幾臺、十幾臺甚至幾十臺FCS去完成，主要的目的是提高處理能力和分散FCS出現故障時的危險性；而HMI之間則是冗余的關系，系統中每臺HMI的配置和功能都是相同的，因此每臺HMI上都有全系統的實時數據庫，每臺HMI都可獨立完成數據的查詢、顯示等功能，這樣可以在任何一臺HMI出現故障時不影響系統的正常運行。
(3) 由于FCS要對現場進行直接的控制，因此在FCS中要執行各種控制算法，這就必須將現場I/O所得到的"生數據"，即在A/D變換后還未經過工程量轉換的二進制格式數據轉換成"熟數據"，即計算機能夠識別并能夠進行計算或處理的定點數、浮點數、布爾量等，同時在FCS中還建立了當地數據庫，用于存儲與控制回路和控制執行器有關的數據，以在FCS中實現與控制有關的數學模型計算和控制操作。
(4) DCS要求FCS具有極高的自律性，即一旦系統投入正常運行后，每個FCS都應該能夠獨立運行，不受外界的干擾。在網絡不通或HMI失效等情況下仍能夠正常執行控制功能，這是對DCS的最基本要求。因此，在一個具體的DCS應用中，只要保證了FCS的高度自律性，這個控制系統就有了最基本的可靠性保證。
(5) 由于HMI需要了解掌握全系統的情況，因此在HMI中需要建立中央數據庫，它被設計成多拷貝的方式，即每臺HMI上都有一份自己的中央數據庫拷貝，這一方面是為了快速、方便、可靠，另一方面也是由于DCS的人機界面對于系統完成最主要控制功能并不起決定性作用，而且處于一種數據接受者的地位，因此其數據的更新可由FCS通過網絡對HMI進行廣播或群發來完成。
(6) DCS的網絡連接各個FCS和HMI，從邏輯關系上看，FCS和HMI分屬兩個不同的層次，但在物理上，系統中所有的節點，不論是FCS還是HMI，其地位都是對等的，互相之間均可實現信息的發送和接收。
(7) DCS一般用于設備級或裝置級的控制，因此對系統的要求是自動化程度高，控制響應速度快和可靠性高。對其規模卻不要求很大，一般在3 000個I/O點以內，個別規模特別大的DCS可達到5 000個I/O點左右。
(8) 在使用DCS對生產設備或裝置進行控制時，操作人員一般不會去直接控制執行器（實際上人的控制也不可能達到那樣高的速度），人工干預只是調整回路控制的參數或改變生產工況。在某些情況下，操作員為了特殊的需要才會將自動控制切換成手動控制，由人工進行直接的操作和控制。
3 監督控制系統SCADA體系結構
與DCS不同，SCADA系統以對生產過程現場的監視為主，是向操作控制人員提供現場信息并由操作控制人員決定要實施的控制，最后由人發出指令對現場的執行器進行操作的系統。在SCADA系 統中，操作控制人員是對現場實施控制的主體，而計算機系統則處于從屬和輔助的地位，這種由人控制而非系統直接控制的方式被稱為監督控制。監督控制的對象一 般是比較大范圍的、由多臺生產設備或裝置組成的系統，其目標首先是保證生產過程的安全，而對生產過程的優化，則是一種更大范圍的、更高層次的優化。一般這 種控制是找不出合適的數學模型的，只能依靠人的判斷和決策。在SCADA系 統中，人機界面是最重要的功能，因為操作控制人員要完全依靠人機界面來了解現場的情況，并通過人機界面發布指令以實現對現場的控制。因此現場數據的準確 性、完整性、一致性、實時性和人機界面的表現能力、使操作人員迅速準確全面理解現場狀態的能力、操作方便性、防止人為錯誤的能力等特性都是至關重要的。典 型的SCADA系統體系結構如圖3所示，可以看出，這是一個Client/Server體系結構。
SCADA系統的主要特點有：
(1) SCADA系統由現場I/O站、主服務器和人機界面等三個主要部分組成。現場I/O站一般稱之為RTU，即遠程終端單元；主服務器上建有全局數據庫，系統中所有的實時數據均集中到主服務器中；HMI則主要完成人機界面功能。與DCS一樣，在SCADA系統中也設有工程師工作站。
(2) 在一個具體的應用系統中，一般會設置多臺RTU，HMI也會設置多臺。由于SCADA系統是面向大范圍的數據采集和監視，因此系統在地理位置上是分布較廣的，多臺RTU基本上按照測量點的地理分布而設置。多臺HMI之間是冗余的關系，系統中每臺HMI的配置和功能都是相同的，都可獨立完成數據的查詢、顯示等功能，這樣可以在任何一臺HMI出現故障時不影響系統的正常運行。各HMI可根據操作者的權限或功能進行在線的設定，使其完成不同的工作。
(3) 與DCS不同的是，由于SCADA系統所采集的數據量一般都非常大，從幾千個I/O點直到幾萬個I/O點，有些特大型系統甚至達到幾十萬個I/O點。除了數據量大的特點外，SCADA系統還要對數據進行大量的處理和計算，例如統計、分析、排序、篩選等，這些都需要巨大的存儲容量和強大的處理能力。顯然在一個系統中配置多臺能夠滿足這種要求的HMI是不經濟的，因此在每臺HMI上建立全系統的實時數據庫，即DCS所采用的多拷貝實時數據庫方式是不現實的。更重要的是，隨著數據量的增加，作為數據源的RTU如 何保證每個實時數據庫的拷貝都能夠得到及時的、不產生偶爾遺漏的數據更新是相當困難的，其通信的開銷也大得驚人。因為在這種情況下，不允許采用廣播方式， 雖然廣播方式的通信開銷很小，但這種方式所帶來的某個接收節點偶爾遺漏數據更新是經常發生的，而這種遺漏的后果將是災難性的，它不僅使各個實時數據庫的拷 貝之間產生實時數據的不一致，還使得以實時數據為基礎的計算和處理結果產生不一致，進而會給各個操作人員輸出不同的結果，使他們對現場的情況做出不一致的 判斷，這在實際運行中是不允許的。另外，由于SCADA系統對現場的控制都是通過操作人員在HMI工作站上發布操作命令實現的，因此，由操作命令引起的數據庫改變相當頻繁，而每次改變都要使所有的數據庫拷貝同步改變，顯然這是很困難而且很難保證正確的一項工作。可以看出，在DCS中行之有效的多拷貝方式的實時數據庫形式，在SCADA系統中將產生相當大的負面影響。因此SCADA系統中均采用了Client/Server的體系結構，系統中設服務器以管理集中的、單一拷貝的實時數據庫，并完成數據的處理和計算。而HMI則作為客戶端使用數據。集中的數據庫將保證多客戶端在同時進行操作等數據庫更改時保持嚴格的互斥，以避免數據庫產生混亂。
(4) 由于沒有對現場進行直接閉環控制的要求，因此RTU的功能比較簡單，其最主要的功能，就是將現場測量所得到的數據按照實時性的要求送入集中的實時數據庫。這里，測量數據可以是其原始格式，即所謂的"生數據"。當然為了擴充現場端的就地處理功能，現在很多新型RTU具備了從"生數據"到"熟數據"的轉換功能，同時還具備了計算、控制、顯示等就地處理功能。但帶來的問題是通信量的增加和通信規約的復雜化。
(5) 在DCS中特別強調的現場控制站FCS的自律性，在SCADA系統中并沒有太大的意義，這是由于在SCADA系統中RTU不能夠脫離主系統而獨立工作，因此一旦RTU和主系統之間的通信中斷，就只有等待通信的恢復。但在SCADA系統中，RTU的可靠性要求是相當高的，這是因為這類設備往往是隨生產設備安裝在現場的，一般沒有單獨為RTU設置的電子設備間。系統對RTU的要求是抗惡劣環境、工作可靠、免維護。因此RTU的設計是在滿足基本功能需求的前提下盡量簡化，以最簡潔的設計，最少的元器件，實現最需要的功能，以最大限度地滿足可靠性的要求。
(6) SCADA系統的網絡分為兩個層次，底層是現場I/O網絡，其主要的作用是將各個RTU與服務器連接在一起，實現現場I/O與實時數據庫之間的數據通信。在傳統的SCADA系統中，底層網絡通常采用點對點的串行口加MODEM的通信方式，用音頻話路作為傳輸介質，因此服務器必須具有多串口通信的能力，或利用通信前置機來完成多串口通信的功能。近年來已有越來越多的SCADA系統采用了局域網和廣域網作為其底層的通信介質。SCADA的上層網絡是HMI網絡，其主要作用是將服務器和各個HMI連接在一起，實現HMI與實時數據庫之間的數據通信。
4 綜合監控系統體系結構
隨著信息技術的不斷發展和計算機自動控制系統、監督控制系統應用的不斷深入，傳統上以功能或形態劃分的多種計算機系統，其分界線現在已越來越模糊了。如過去單純為實現閉環自動控制的DCS和以監督控制及數據采集為主要功能的SCADA系統之間，就已經出現了融合的趨勢，產生了綜合監控自動化系統。這種系統在底層設置現場控制站以實現閉環控制，同時在上層采集全系統的數據，并進行監督控制。對于這類系統，如何結合DCS和SCADA的設計特點并將其有機結合，成為新一代的全數字化系統，是在體系結構設計中需要慎重考慮的問題。隨著開放式網絡結構的不斷成熟和IP技術的高速發展，B/S結構已逐步成為計算機系統，特別是大型計算機系統的標準體系結構。這些技術的發展自然會有力地影響著工業控制和自動化系統，于是出現了基于Browser/Server結構的綜合監控自動化系統體系結構。圖4所示為一種新型的B/S結構綜合監控自動化系統體系結構：B/S結構的綜合監控自動化系統的主要特點有：
(1) 綜合監控自動化系統由現場測控子系統和人機界面子系統這兩個主要部分組成。現場測控子系統兼有RTU的數據采集功能和DCS的閉環控制功能；而人機界面子系統則主要完成人機界面，即HMI功能。與DCS和SCADA系統一樣，在綜合監控自動化系統中也設有工程師工作站。
(2) 在一個具體的應用系統中，一般會設置多個現場測控子系統，HMI也會設置多臺。多個現場測控子系統基本上是按照測量控制點的地理分布而設置的。而HMI之間則是冗余的關系，系統中每臺HMI的配置和功能都是相同的，每臺HMI都可獨立完成數據的查詢、顯示等功能，這樣可以在任何一臺HMI出現故障時不影響系統的正常運行。
(3) 由于現場測控子系統要對現場進行直接的控制，因此就地的工程單位數據庫是必須的。這就要將現場I/O所得到的"生數據"轉換成"熟數據"。即計算機能夠識別并能夠進行計算或處理的定點數、浮點數、布爾量等，同時在現場測控子系統中還建立了當地數據庫，用于存儲與控制回路和控制執行器有關的數據，以在現場實現與控制有關的處理與計算。
(4) 綜合監控自動化系統同樣要求現場測控子系統具有極高的自律性，即一旦系統投入正常運行后，每個現場測控子系統都應該能夠獨立運行，不受外界的干擾，在網絡不通或HMI失效等情況下仍能夠正常執行控制功能。
(5) 綜合監控自動化系統充分利用了局域網或廣域網的成熟技術在現場測控子系統和HMI之間建立網絡連接，在軟件技術上采用面向對象的編程方法，因此在網絡通信中采用了對象代理機制。這一系列新技術的采用使得原來必須在集中的服務器上完成的數據處理和計算功能可以在分布數據庫的基礎上完成，而不再需要集中的數據庫系統。在HMI端，當需要了解現場的全面情況時，可通過網絡將所需的各種數據集中在一起并計算出結果，這樣系統的核心就從服務器變成了網絡系統。如果說，傳統的SCADA系統在規模上受到了服務器容量和處理能力的限制，則綜合監控自動化系統的限制只在網絡的帶寬上，因此，整個系統的規模和處理能力實際上可以認為是無限的。
5 結語
將以上所述四種體系結構歸納起來，可以總結出它們之間的主要異同和發展趨勢：
(1) 四種體系結構最主要的區別在于其實時數據庫的形態不同，DCS采用了多拷貝的實時數據庫，DDC和SCADA系統采用了集中式的實時數據庫，綜合監控自動化系統則采用了分布式的實時數據庫，而分布式實時數據庫目前已顯示出了強大的生命力。
(2) 系統的功能正在逐步從單一向綜合的方向發展，許多過去要幾個不同系統才能夠實現的控制和自動化功能，現在只需要一個系統即可完成。隨著系統向著高層次、大范圍、全功能的方向發展，計算機網絡的重要性在系統中將越來越明顯。
(3) 數字技術和IT業的成熟標準已越來越多地被控制系統所采用，如面向對象的編程方法和對象代理機制等。底層數字化的全面實現和開放互連標準的廣泛使用將使長期以來存在的"信息孤島"和"分島控制"等局面得到根本性的改觀，一體化的控制、管理、信息系統將得以實現。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號