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控制系統是制造企業生產過程中的神經中樞、運行中心和安全屏障，實現監測、控制、優化整個工藝流程和產品質量的功能，是確保重大工程和重大裝備安全可靠和高效優化運行的不可或缺的關鍵通用硬軟件平臺與系統。隨著控制系統技術的不斷完善與發展，其在工控領域的應用日趨成熟。然而，隨著智能制造時代的來臨，IT與OT的融合發展已成大勢所趨，控制系統作為智能制造的基礎層、自動化控制層的核心，不可避免地面臨著新的挑戰。智能制造是以數據為核心，實現全局數據的完整、互聯互通才能更好地協調整個生產過程。控制系統則是擔任了整體智能制造架構之中硬能力的核心環節，需要具有更強大的數據采集、存儲、計算以及分析能力，更好地支撐上層智能化軟件的發展。從本期聚焦控制系統專題對多位專家的采訪中，我們不難發現，圍繞著數據的采集、存儲、計算、分析能力，控制系統向網絡化、智能化的發展趨勢已日趨顯現，同時數據安全問題也正引發各企業的關注和重視。

侯子良：新一代控制系統基本特征

中國自動化學會發電自動化專委會侯子良

筆者曾在《分散控制系統（DCS）正走向衰亡》一文中預示，經歷四十多年發展的DCS時代行將結束，控制系統正經歷質變，新一代控制系統 ——智能控制系統（Intelligent ControlSystem，簡稱ICS）將孕育而出。它必然產生的核心基礎是計算機信息技術和人工智能技術這兩方面的高度發展。它至少具有下列五個鮮明的基本特征：

（1）人工智能技術高度融合，極大提高控制系統和監視系統的智能化水平

除了控制系統由傳統PID和簡單邏輯算法進入到廣泛和深度應用各種智能算法和大數據技術外，監視系統也開始進入智能化，廣泛應用智能預測、預警和設備診斷等技術。

（2）“分散”控制結構將被“集中分散”擬人控制結構取代

片面強調分散的觀念將被顛覆，取而代之的是集中和分散相結合的控制架構。這意味著，除了在過程控制器中進行分散智能控制外，上層實時歷史數據站和高級應用服務器等將集中主導更為復雜和高級的智能控制應用，并成為新一代控制系統網絡架構中控制層的大腦和重要組成部分，一個擬人的控制系統架構開始出現。

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

從原則上講，開環監視功能應嚴格按實時性要求和安全等級差異，合理的在監控系統（常簡稱控制系統）和監管信息系統間分配。例如，設備狀態監測、機組故障診斷，以及智能報警（或預警）等大部分功能明顯應列入到控制系統中。但是，20多年前，當我們提出電廠監管信息系統（SIS）概念時，由于當年DCS所處時代的計算機信息技術水平的限制，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(文獻2)。20年后的今天，上述大部分功能，不僅應當而且也具備條件，重新配置回新一代控制系統的范疇內了。

（4）控制系統將從封閉走向開放

控制系統進入DCS時代，DCS廠家不僅提供硬件平臺，而且負責控制算法和邏輯的設計、組態及調試，這極大束縛了廣大技術隊伍的積極性。當前，在我國專家倡導下，新一代控制系統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的智能算法知識產權的通用優化控制平臺。開放的平臺使我國龐大的科技隊伍可借此開發自己特色的智能化系統，作為通用產品嵌入到廠家提供的ICS中。由此，招標技術規范要求也將可能由單一化向個性化發展。控制系統將從封閉走向開放，必將大大加快控制系統智能化發展進程。

（5）功能安全、本質安全和信息安全有機融合和強化

不言而喻，新一代控制系統信息安全技術應深度有機融合，并滿足相關標準要求。除此之外，由于系統結構的變化，出現了一些新的確保系統功能安全的要求。例如，上層實時歷史數據站和高級應用服務器等已不再只是傳統的開環監視功能，而將主導更為復雜和高級的閉環智能控制功能，由此相關功能安全等級要求進一步提高。

羅安：未來DCS，接入和安全是兩個挑戰性課題

和利時集團原總工程師、中國自動化學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推出的，隨著其應用的范圍不斷擴大、其功能的不斷完善以及應用程度的不斷加深，DCS的基本概念已突破了原來的范疇而發展成為一種集成化的整體自動化系統。而近年來隨著新技術的不斷涌現并在DCS中得到廣泛應用及與系統的深度結合，DCS的概念已經從一個系統發展成為一種體系架構，成為一種廣泛應用于不同生產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是從儀表控制系統脫胎而來的，儀表廠家利用強大的數字處理技術不僅用軟件實現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、復雜性、可靠性及穩定性等各個方面都實現了質的提升。除此之外，數字處理技術還開辟了一個全新的領域，即數字通信領域，進而實現了網絡功能，而正是有了網絡功能，儀表控制系統方能全面進化為分布式控制系統，即DCS。

傳統DCS是以控制器為核心的，因此所有系統配置都圍繞著控制器及其所承擔的控制功能進行，而現代DCS則是以網絡為核心的。對于一個應用現場，系統設計師首先要根據應用需求進行網絡架構的設計，特別要根據整個系統中各種信息的分布、發生、流動以及對信息實時性、流量密度等方面的要求對網絡的設置進行嚴格細致的分析、選擇及優化，在此基礎上完成對整個系統的設計。

未來的DCS將有兩個最顯著的特點，一是在DCS網絡上掛接的節點種類和數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/歷史數據服務器這幾種傳統節點，還可能包括數字化儀表、智能儀表、嵌入式測控單元、遠程終端單元RTU、智能電子設備IED、PLC等多種不同構成、不同用途的網絡節點。而在今后，網絡技術由互聯網發展到物聯網，生產現場的每一個機器、設備、裝置都將成為一個獨立的網絡節點，都具有獨立的節點功能、行為模式以及對外界進行信息交換的需求。在一個具有一定規模的應用現場，這些節點的數量可能會大大多于傳統DCS的節點數量。這就要求系統網絡必須具有更高的速度和效率，將現場產生的數據及二次計算產生的數據以控制應用所要求的速度及盡可能高的效率、盡量小的網絡傳輸開銷送達需要數據的各個節點。這對于網絡架構的設計及通信體系、通信規約的設計和選用都提出了極高的要求。

系統的第二個特點，是系統內部、外部的通信接口無論是種類和數量，都更多，更復雜。系統內部種類繁多的各種節點之間需要高效通信，同時系統對外部的其他系統也需要大量地交換數據。無論是內部還是外部，系統網絡都需要兼容多廠家的產品，因此幾乎所有DCS都需要容納更多的網絡通信模式及通信規約。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，通信介質也將是多種多樣，如何在這種條件下保證系統通信的暢通與高效，將是系統設計的最大難題。

對于未來的DCS，接入和安全是兩個極具挑戰性的課題。隨著生產現場的改變和生產需求的改變，系統的構成也會發生變化，新節點的接入是不可避免的。如何實現即插即用，不對系統造成干擾，這在系統設計時是必須認真考慮并妥善解決的問題。關于安全，由于系統的復雜性，特別是將來工業無線網的大量應用，已經使系統邊界變得復雜而且模糊，這對于保證系統的信息安全將是非常不利的。因此在系統設計時需要仔細研究，制定完善的信息安全保證方案，在系統使用運行過程中，還需要隨時進行風險評估及適應性改進。

王文海：打造高端控制裝備及系統

杭州優穩自動化系統有限公司董事長王文海

雖然構成自動化系統的技術和設備已經發生了天翻地覆的變化，但系統的核心目的并未改變，仍然是圍繞著提高產品的性能質量、滿足多方面個性化需求、提高生產效率、生產過程的節能環保及安全保證等各個方面，利用新技術新設備持續不斷地進行優化與改進提升。

控制裝備及系統是現代工業裝備以及冶金、能源、石化、國防等領域重大工程的神經中樞、運行中心和安全屏障，主要功能是監測、控制、優化整個工藝流程和產品質量，是確保重大工程和重大裝備安全可靠和高效優化運行的不可或缺的關鍵通用硬軟件平臺與系統，是實現重大工程和重大裝備節能、降耗、減排的有效途徑。

控制系統發展回顧

國產控制系統經30余年科技創新、技術研發與工程應用，在各行業發揮了重大的作用。

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

第二階段：性能提升，主要解決控制系統的開放化、標準化及規模化應用的問題，逐步滿足單站、分布式、規模化應用對數據、編程、監控、操作等功能的性能需求，進一步提高控制系統的性能；

第三階段：自主設計，主要解決工業控制系統內應用的核心模塊、核心軟硬件被國外廠商壟斷的問題，提高自主設計、自主開發、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、高適應性和大規模化應用；

第四階段：綜合安全，工業控制系統影響物理世界，關系國家關鍵基礎設施安全，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，實現功能安全結合信息安全的綜合安全，與此同時，實現為專有裝備構造成套專用的控制裝置及系統的性能提升及可復制性。

今后，在智能制造的背景下，智能控制將成為核心需求，智能控制技術包括廣域協同、自主智能、內生安全。

廣域協同——工廠內多域系統、工廠間廣域系統的協同控制。

自主智能——支撐智能制造需要單元設備、單元過程智能化。

內生安全——提高智能制造系統的可用性需要增強體系安全。

控制系統發展趨勢

廣域協同

優穩公司布局的廣域協同高端大規模可編程自動化系統架構采用無服務器的對等網絡結構，各控制器分布自治，基于冗余總線網絡與分布式全局數據庫，實現分散控制與協同控制，保證高可靠性、高安全性、高適應性與大規模化，支持動態自組織網絡與廣域云平臺。

過程優化云平臺支持無約束以及約束穩態優化、動態優化、智能優化問題的求解，給出并執行最優化決策方案，是廣域協同的高端大規模可編程自動化系統的控制參數最優設定、系統最優化的核心。

自主智能

結合現代控制理論，應用人工智能技術，以微處理器為基礎的智能化設備紛紛涌現；先進控制策略、故障診斷、過程優化、計算機輔助設計、仿真培訓和在線維修技術等日益得到廣泛應用；隨著數據庫系統、推理機能的發展，尤其是知識庫系統和專家系統的應用，如自學習控制、遠距離診斷、自尋優等，人工智能將在控制系統各級實現；控制系統架構扁平化趨勢下，分散控制向分散智能發展；具體包括：自診斷、自修復、自校正、自適應、自學習、自協調、自組織、自決策等。

內生安全

工控系統的重要性、脆弱的安全狀況以及日益嚴重的攻擊威脅，引起世界各國的高度重視，并在政策、標準、技術等方面展開積極應對。

控制系統縱深防御：從工業防火墻、入侵檢測到態勢感知等系列產品；

控制系統內建安全：自身安全的設計、開發和認證，包括通信健壯性CRT認證、嵌入式設備安全保障認證EDSA和SSA、安全開發生命周期保障認證SDLA；

新一代主動防御技術：改變游戲規則的網絡安全防御技術，移動目標防御MTD，自主智能功放等；

國內推出工控安全防護產品和大規模漏洞挖掘平臺等，提出控制裝備內建安全、擬態防御、自重構可信賴、使命確保，可信計算等創新性主動防御技術。

優穩研究構建結合功能安全、信息安全、操作安全，覆蓋工控系統管理層、監控層、控制層、器件（部件）層，貫穿控制工程的設計、運行、服務等全生命周期，全面保障工控系統的安全性、可靠性、實時性以及可用性的主動防御內生安全的工控系統安全防范核心技術體系。并與浙江大學工業自動化國家工程研究中心聯合攻關，基于安全增強、動態重構、工程模型檢測，構建自主可控融合增強的內生安全防御體系；結合可編程電子控制模塊、安全協議棧與控制核心網絡、編程開發與運行操作軟件環境，進行內生安全設計；保障工控系統在“有毒帶菌”環境下的運行安全。

摘自《自動化博覽》2019年7月刊