序言
幾十年來，工業(yè)控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化中扮演著重要的角色，企業(yè)通過它收集、處理和操作來自生產車間的數據。目前，這些系統(tǒng)正處于過渡階段。持續(xù)的技術和工業(yè)發(fā)展產生了兩種過程控制系統(tǒng):分布式控制系統(tǒng)(DCS)和監(jiān)控控制和數據采集系統(tǒng)(SCADA)。
本文探討了DCS和SCADA在數字化轉型中的作用。提供了這些工業(yè)控制系統(tǒng)以及可編程邏輯控制器(PLC)的簡要概述，然后深入分析了DCS和SCADA在工業(yè)轉型和未來發(fā)展中的角色演變。
一、關于DCS和SCADA的背景
流程型制造企業(yè)通常常采用DCS和SCADA技術來監(jiān)控和控制工廠的操作。DCS的設計目的是取代單個、模擬和氣動回路控制器，這些控制器在應用于非常大的流程(如煉油廠)時非常麻煩。SCADA最初是為跨越廣泛地理區(qū)域的操作提供的解決方案，例如管道和公用事業(yè)。后來，一種將人機界面(HMI)與PLC結合起來用于工廠自動化應用的形式出現(xiàn)了。
然而，DCS和SCADA系統(tǒng)現(xiàn)在所做的不僅僅是簡單的監(jiān)測和控制。它們正在與工業(yè)自動化架構的各個層次的智能組件進行集成，以促進資產生命周期的預測性管理和價值鏈優(yōu)化，同時促進利益相關者的經驗，提高安全性。盡管這種特殊的工業(yè)控制系統(tǒng)轉型已經開始，但更大的工業(yè)自動化系統(tǒng)轉型最近才開始。
1、分布式控制系統(tǒng)(DCS)
DCS的核心是一個自動化控制和操作工業(yè)過程或工廠的平臺。DCS使用局域網(LANs)連接傳感器、執(zhí)行器、控制器和操作終端進行過程控制。這種類型的系統(tǒng)作為過程操作中模擬和氣動控制器的數字替代品而出現(xiàn)。它最初用于控制大型連續(xù)過程，如煉油和石油化工，但后來擴展到批處理過程。
2、監(jiān)控與數據采集(SCADA)
盡管SCADA系統(tǒng)起源于需要廣泛地理區(qū)域覆蓋的服務應用程序，但這一概念隨著基于PC的HMIs的開始而演變，在1980年代取代了更昂貴的小型機。與在泵站等位置與遠程終端單元(RTUs)接口的廣域網不同，典型的廠內SCADA系統(tǒng)使用以太網在HMI和PLC之間進行通信。在后一類中，SCADA系統(tǒng)架構與DCS架構有許多相似之處。在前一類中，SCADA系統(tǒng)可以將企業(yè)運營與多個工廠連接起來，每個工廠都使用DCS。公司可以使用這些企業(yè)級系統(tǒng)進行數據通信，而不受地域限制。
實際上，DCS和SCADA系統(tǒng)在工廠自動化中都起著重要的作用。然而，盡管有這些相似之處，這兩種類型的系統(tǒng)之間存在著關鍵的差異。
3、DCS和SCADA有什么區(qū)別
這種差異遠遠超出了傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)能夠在帶寬遠低于DCS局域網的廣域網上工作這一事實。
一個關鍵的區(qū)別是DCS使用分布式工作站來實現(xiàn)操作員的人機界面。每個工作站都可以直接與DCS局域網中的控制器通信。在SCADA系統(tǒng)中，人機界面工作站和PLC之間的所有通信都將通過服務器進行。因此，服務器是一個單點故障，這可能導致整個過程對所有用戶都不可見。
雖然DCS和SCADA系統(tǒng)的架構在有些情況下可能是相同的，但DCS包括許多通常微妙的特性，如冗余電子電路，這些特性增加了系統(tǒng)可用性，并將停機時間減少到最低。冗余擴展到遠程I/O。所有遠程I/O電子設備和它們與DCS控制器之間的通信網絡都是冗余的，或者至少是可選的。另一方面，PLC的設計是為了使硬件成本最小化。
雖然SCADA HMIs和服務器是典型的商用PC，但DCS使用針對任務進行優(yōu)化的非商業(yè)組件。此外，在DCS中，Windows操作系統(tǒng)與進程是隔離的。這加強了網絡安全。確定的DCS局域網保證了像高優(yōu)先級警報這樣的關鍵消息確實會到達它的目的地。SCADA系統(tǒng)通常依賴于局域網的高帶寬。
由于單個DCS供應商通常提供整個系統(tǒng)，控制器和工作站等組件比SCADA系統(tǒng)集成得更緊密。最常見的好處是簡單或降低工程成本。然而，對于一個給定的過程，DCS將比SCADA系統(tǒng)更昂貴。對于在那些計劃外停產代價高昂的過程中，這種價格差異是合理的。盡管SCADA供應商可以部署冗余服務器或高可用性計算(HAC)平臺，以使這些系統(tǒng)更加可靠，但它們的可用性不會像DCS中的那樣高。
4、PLC與DCS
與DCS相比，PLC的優(yōu)點是處理速度快。PLC通常提供明顯較短的周期時間來掃描I/O點和執(zhí)行控制和邏輯操作。雖然DCS和PLC技術在很大程度上已經融合，但它們的起源卻完全不同。DCS由模擬和氣動PID回路控制器演變而來，而PLC最初是硬接線繼電器邏輯面板的替代。在離散邏輯處理中，速度是最重要的。PLC執(zhí)行這種邏輯處理的速度要比DCS快得多。
DCS系統(tǒng)主要用于過程工業(yè)中的連續(xù)PID回路控制。在這些應用中，PLC在周期處理時間上的優(yōu)勢要小得多。將連續(xù)控制和離散邏輯控制相結合的應用通常使用DCS作為前者，PLC作為后者。通常情況下，DCS會與PLC集成在一起，PLC通過安裝在工藝裝置上的過程單元(如渦輪驅動的離心式壓縮機)提供。一些DCS供應商已經為這種情況開發(fā)了非常有效的接口。
5、DCS, SCADA和自動化金字塔
DCS和SCADA系統(tǒng)均符合ISA95 Purdue參考模型體系結構。自動化金字塔的第一層（現(xiàn)場層）包括生產車間的設備，執(zhí)行器和傳感器。第二級-控制級-使用PLC和與現(xiàn)場級設備接口的比例積分微分（PID）控制器。作為自動化金字塔的第三層或監(jiān)督層的一部分，SCADA系統(tǒng)通常充當數據漏斗，為過程控制，資產管理，歷史分析和IT應用程序傳輸各種信息。DCS通常會使用多個服務器（可能是SCADA系統(tǒng)的一部分或被視為SCADA系統(tǒng)）與公司和IT系統(tǒng)進行通信。
現(xiàn)代的DCS或SCADA系統(tǒng)將與多個軟件和硬件組件進行交互。每個都位于制造控制操作的第一級和第二級中，并將自動化金字塔的所有五個級匯總在一起。因此，它充當了數字化的粘合劑，可快速促進從工廠車間到董事會會議室的信息流。
二、隨著數字化轉型DCS和SCADA的作用不斷演變
盡管DCS和SCADA是獨特的，但這兩種系統(tǒng)類型都在經歷變革，以適應更廣泛的數字化轉型趨勢，如工業(yè)物聯(lián)網(IIoT)的融合。這一轉變?yōu)槠髽I(yè)帶來了提高工業(yè)自動化能力和價值的希望。
終端用戶帶來的新挑戰(zhàn)促使供應商考慮如何使用商用現(xiàn)貨和信息技術組件來重新設計操作技術(OT)自動化系統(tǒng)。最終用戶要求供應商整合一流的商用硬件和軟件，以創(chuàng)建超越當今DCS的可靠性、安全性和最終用戶價值的自動化系統(tǒng)。
企業(yè)還希望有這樣一個系統(tǒng)，能夠通過將控制策略移植到升級或新系統(tǒng)中來保持控制策略。此外，終端用戶還要求模塊化硬件——例如計算、網絡、存儲和I/O終端，以允許增量升級的擴展性。最后，企業(yè)也希望軟件與硬件和I/O分離，允許在系統(tǒng)的任何地方執(zhí)行。
1、數字轉型如何改變DCS和SCADA
為了努力利用新的數字技術來滿足這些客戶的挑戰(zhàn)和期望，前瞻性的制造商正為數字化轉型投資。DCS和SCADA最終是正在進行的數字化轉型的一部分，因此，它們與所有其他過程制造技術一起發(fā)展。
DCS和SCADA系統(tǒng)的變化符合自動化金字塔正在進行的轉型。在數據化轉型中，自動化金字塔正在演變。例如，IT/OT融合和虛擬化技術正在模糊金字塔層次之間的區(qū)別，并使一些工程和軟件應用程序能夠遷移到云。
通過云技術的集成，過程控制系統(tǒng)能夠執(zhí)行邊緣計算，并作為工業(yè)物聯(lián)網的健壯數據源?；谠频沫h(huán)境促進了跨多個數據源的數據聚合，并提高了數據可用性，以支持有遠見的決策和應用程序互操作性。
2、SCADA和DCS在數字化改造中的要求
為了利用云技術、工業(yè)物聯(lián)網和邊緣計算，流程制造商需要對其老化的自動化系統(tǒng)進行現(xiàn)代化改造?？偟膩碚f，數字化轉型推動了對SCADA和DCS的更開放和安全的系統(tǒng)架構和設計的需求。
3、正在增加的開放系統(tǒng)
NAMUR開放架構(NOA)和開放過程自動化論壇(OPAF)正在推動工業(yè)自動化領域的主要開放架構項目，并推動了對專有架構的轉變。這兩個計劃都描述了與供應商無關的系統(tǒng)，允許在任何時候使用最先進的設備和功能，并在未來繼續(xù)使用專有軟件應用程序。
OPAF的一個關鍵目標是擺脫供應商依賴，這在過去一直是大型dcs的問題。OPAF目前考慮的體系結構需求包括“互操作性”、“模塊化”、“標準一致性”、“遵從安全標準”、“可伸縮性”和“可移植性”。
在NOA的案例中，一個獨立的領域叫做M+O(監(jiān)測和優(yōu)化)，與現(xiàn)有的系統(tǒng)分開準備，數據直接從機器人、無人機和新的傳感器收集，例如，腐蝕、聲音和振動。此外，通過OPC UA導入現(xiàn)有系統(tǒng)中的數據，即使在現(xiàn)場也能實現(xiàn)先進的控制、分析和診斷。從安全措施的角度來看，增強了與IEC62443推薦的ZONE設計的兼容性，便于系統(tǒng)的設計和維護。
更大的問題是缺少來自一些DCS供應商的持續(xù)升級。如果他們的供應商停止提供升級，企業(yè)就不得不求助于“拆換”方法，即用一個全新的系統(tǒng)完全取代舊的系統(tǒng)。在這種情況下，轉換到新系統(tǒng)時產生的生產損失和成本往往遠遠超過系統(tǒng)成本。通過創(chuàng)建一個開放的、可互操作的規(guī)范，OPAF的目標是促進開發(fā)更便宜的和改進的過程控制系統(tǒng)。
4、增加的安全要求
數字化除了增加開放性之外，還創(chuàng)造了對安全網絡架構和設計的需求。隨著IT/OT融合和云計算等新技術帶來的新的安全風險，安全顯得尤為重要。
與此同時，正在進行的系統(tǒng)進化實際上正在降低一些系統(tǒng)安全風險。例如，在SCADA系統(tǒng)中，現(xiàn)場設備傳統(tǒng)上與提供數據整合和轉換的RTUs相連。RTUs一直是SCADA系統(tǒng)網絡攻擊的主要目標。較老的RTUs通常使用不安全的通信協(xié)議。然而，越來越多的新技術趨勢正在使RTUs逐步向邊緣設備靠攏。
由于將數據暴露在互聯(lián)網上會帶來安全風險，因此企業(yè)使用當代網絡安全資源保持其SCADA系統(tǒng)最新是至關重要的。國際自動化協(xié)會(ISA) 62443系列標準，由國際電工委員會(IEC)采用，以及國家標準協(xié)會(NIST) 800-16為網絡管理員和網絡安全工程師提供了有用的資源和指南。
由于它們的數據交換通常依賴于無線或公共通信基礎設施，SCADA系統(tǒng)更容易受到網絡攻擊。由于SCADA系統(tǒng)監(jiān)管廣域網，有更多的入口點。與此同時，DCS并不完全安全免受網絡攻擊，需要綜合措施，特別是在局域網的入口點。
5、網絡安全
網絡安全是所有技術的公共因素。基于Purdue模型的網絡安全戰(zhàn)略和實施方法現(xiàn)在擴展到整個企業(yè)。設計一種新的基于標準的方法來包含IT和OT系統(tǒng)。雖然OT通常使用NIST網絡安全框架，但IT要求和與第三方的交互可能涉及其他的標準，如ISA/IEC 62443和ISO 27001。
在集成工業(yè)物聯(lián)網技術的同時，IT/OT融合實現(xiàn)團隊將繼續(xù)就OT網絡與公司網絡的隔離、OT網絡與Internet的隔離、站點和流程級別的最低權限訪問控制以及跨站點通信限制做出決策。與此同時，網絡安全領域的專業(yè)知識正在演變，將以前完全不同的OT和IT領域包括進來。
6、DCS和SCADA的數字轉型的趨勢
一般來說，企業(yè)的兩個關鍵的、相互交織的數字化轉型目標是更大的連接性和靈活性。這些都推動了對利用工業(yè)物聯(lián)網技術的智能工廠的需求。制造企業(yè)正在尋求優(yōu)化生產，因此系統(tǒng)正在改變。
這種轉變的一個例子是，在實施智能制造的技術層面上正在發(fā)生，這推動了現(xiàn)場總線的采用。現(xiàn)場總線對工業(yè)物聯(lián)網至關重要，是專為關鍵任務控制和傳感功能而設計的專用網絡?，F(xiàn)場總線最初是作為模擬的4-20mA電流回路的替代品。
像HART、Profibus/Profinet和FOUNDATION Fieldbus這樣的d-wired現(xiàn)場總線為制造商提供了現(xiàn)場設備診斷功能。制造商開始在基于條件的維護(CBM)方法中選擇無線技術。這種無線技術提供了支持工業(yè)物聯(lián)網和優(yōu)化整個價值鏈所必需的數據。
隨著數字化轉型不斷為連接性和靈活性創(chuàng)造新的期望，系統(tǒng)的持續(xù)轉型必將隨之而來。
三、DCS和SCADA的未來
在數字化轉型的驅動下，對開放架構和增強網絡安全的需求可能會繼續(xù)影響未來DCS和SCADA的發(fā)展。正如引言中所述，這些系統(tǒng)目前處于過渡階段，但工業(yè)自動化系統(tǒng)的數字化轉型之旅實際上才剛剛開始。這段旅程對流程制造型企業(yè)來說是一個挑戰(zhàn)——例如，升級歷史系統(tǒng)在一開始似乎是令人難以置信的艱巨任務。但數字化轉型的潛在好處讓解決這些挑戰(zhàn)變得非常值得。
數字化轉型意味著將帶來工業(yè)自動化的新時代。在這個時代，機器將能夠執(zhí)行復雜的控制功能，具有自我學習能力和最小的人工干預。這將使制造型企業(yè)減少因人為錯誤造成的事故和生產停機時間，實現(xiàn)最佳的工廠操作。
作為數字化轉型的一部分,DCS和SCADA系統(tǒng)將支持WEB服務,IIoT和基于云的連通性等開放平臺通信統(tǒng)一架構(OPC UA),消息隊列遙測傳輸(MQTT)和連接等,所提供的簡單網絡管理協(xié)議(SNMP)和Internet控制消息協(xié)議(ICMP)監(jiān)控IT資產。
隨著更高的系統(tǒng)連通性、集成操作中心(IOC)和高質量警報系統(tǒng)的動態(tài)操作指導成為可能，制造企業(yè)將能夠實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化和安全的新水平。數字孿生解決方案為制造企業(yè)提供了改進工藝優(yōu)化的機會。這些動態(tài)模擬器允許企業(yè)考慮改變操作條件，并提前預測過程行為。反過來，這也使生產的安全性和靈活性得到改善。
