序言
几十年来，工业控制系统在工业自动化中扮演着重要的角色，企业通过它收集、处理和操作来自生产车间的数据。目前，这些系统正处于过渡阶段。持续的技术和工业发展产生了两种过程控制系统:分布式控制系统(DCS)和监控控制和数据采集系统(SCADA)。
本文探讨了DCS和SCADA在数字化转型中的作用。提供了这些工业控制系统以及可编程逻辑控制器(PLC)的简要概述，然后深入分析了DCS和SCADA在工业转型和未来发展中的角色演变。
一、关于DCS和SCADA的背景
流程型制造企业通常常采用DCS和SCADA技术来监控和控制工厂的操作。DCS的设计目的是取代单个、模拟和气动回路控制器，这些控制器在应用于非常大的流程(如炼油厂)时非常麻烦。SCADA最初是为跨越广泛地理区域的操作提供的解决方案，例如管道和公用事业。后来，一种将人机界面(HMI)与PLC结合起来用于工厂自动化应用的形式出现了。
然而，DCS和SCADA系统现在所做的不仅仅是简单的监测和控制。它们正在与工业自动化架构的各个层次的智能组件进行集成，以促进资产生命周期的预测性管理和价值链优化，同时促进利益相关者的经验，提高安全性。尽管这种特殊的工业控制系统转型已经开始，但更大的工业自动化系统转型最近才开始。
1、分布式控制系统(DCS)
DCS的核心是一个自动化控制和操作工业过程或工厂的平台。DCS使用局域网(LANs)连接传感器、执行器、控制器和操作终端进行过程控制。这种类型的系统作为过程操作中模拟和气动控制器的数字替代品而出现。它最初用于控制大型连续过程，如炼油和石油化工，但后来扩展到批处理过程。
2、监控与数据采集(SCADA)
尽管SCADA系统起源于需要广泛地理区域覆盖的服务应用程序，但这一概念随着基于PC的HMIs的开始而演变，在1980年代取代了更昂贵的小型机。与在泵站等位置与远程终端单元(RTUs)接口的广域网不同，典型的厂内SCADA系统使用以太网在HMI和PLC之间进行通信。在后一类中，SCADA系统架构与DCS架构有许多相似之处。在前一类中，SCADA系统可以将企业运营与多个工厂连接起来，每个工厂都使用DCS。公司可以使用这些企业级系统进行数据通信，而不受地域限制。
实际上，DCS和SCADA系统在工厂自动化中都起着重要的作用。然而，尽管有这些相似之处，这两种类型的系统之间存在着关键的差异。
3、DCS和SCADA有什么区别
这种差异远远超出了传统SCADA系统能够在带宽远低于DCS局域网的广域网上工作这一事实。
一个关键的区别是DCS使用分布式工作站来实现操作员的人机界面。每个工作站都可以直接与DCS局域网中的控制器通信。在SCADA系统中，人机界面工作站和PLC之间的所有通信都将通过服务器进行。因此，服务器是一个单点故障，这可能导致整个过程对所有用户都不可见。
虽然DCS和SCADA系统的架构在有些情况下可能是相同的，但DCS包括许多通常微妙的特性，如冗余电子电路，这些特性增加了系统可用性，并将停机时间减少到最低。冗余扩展到远程I/O。所有远程I/O电子设备和它们与DCS控制器之间的通信网络都是冗余的，或者至少是可选的。另一方面，PLC的设计是为了使硬件成本最小化。
虽然SCADA HMIs和服务器是典型的商用PC，但DCS使用针对任务进行优化的非商业组件。此外，在DCS中，Windows操作系统与进程是隔离的。这加强了网络安全。确定的DCS局域网保证了像高优先级警报这样的关键消息确实会到达它的目的地。SCADA系统通常依赖于局域网的高带宽。
由于单个DCS供应商通常提供整个系统，控制器和工作站等组件比SCADA系统集成得更紧密。最常见的好处是简单或降低工程成本。然而，对于一个给定的过程，DCS将比SCADA系统更昂贵。对于在那些计划外停产代价高昂的过程中，这种价格差异是合理的。尽管SCADA供应商可以部署冗余服务器或高可用性计算(HAC)平台，以使这些系统更加可靠，但它们的可用性不会像DCS中的那样高。
4、PLC与DCS
与DCS相比，PLC的优点是处理速度快。PLC通常提供明显较短的周期时间来扫描I/O点和执行控制和逻辑操作。虽然DCS和PLC技术在很大程度上已经融合，但它们的起源却完全不同。DCS由模拟和气动PID回路控制器演变而来，而PLC最初是硬接线继电器逻辑面板的替代。在离散逻辑处理中，速度是最重要的。PLC执行这种逻辑处理的速度要比DCS快得多。
DCS系统主要用于过程工业中的连续PID回路控制。在这些应用中，PLC在周期处理时间上的优势要小得多。将连续控制和离散逻辑控制相结合的应用通常使用DCS作为前者，PLC作为后者。通常情况下，DCS会与PLC集成在一起，PLC通过安装在工艺装置上的过程单元(如涡轮驱动的离心式压缩机)提供。一些DCS供应商已经为这种情况开发了非常有效的接口。
5、DCS, SCADA和自动化金字塔
DCS和SCADA系统均符合ISA95 Purdue参考模型体系结构。自动化金字塔的第一层（现场层）包括生产车间的设备，执行器和传感器。第二级-控制级-使用PLC和与现场级设备接口的比例积分微分（PID）控制器。作为自动化金字塔的第三层或监督层的一部分，SCADA系统通常充当数据漏斗，为过程控制，资产管理，历史分析和IT应用程序传输各种信息。DCS通常会使用多个服务器（可能是SCADA系统的一部分或被视为SCADA系统）与公司和IT系统进行通信。
现代的DCS或SCADA系统将与多个软件和硬件组件进行交互。每个都位于制造控制操作的第一级和第二级中，并将自动化金字塔的所有五个级汇总在一起。因此，它充当了数字化的粘合剂，可快速促进从工厂车间到董事会会议室的信息流。
二、随着数字化转型DCS和SCADA的作用不断演变
尽管DCS和SCADA是独特的，但这两种系统类型都在经历变革，以适应更广泛的数字化转型趋势，如工业物联网(IIoT)的融合。这一转变为企业带来了提高工业自动化能力和价值的希望。
终端用户带来的新挑战促使供应商考虑如何使用商用现货和信息技术组件来重新设计操作技术(OT)自动化系统。最终用户要求供应商整合一流的商用硬件和软件，以创建超越当今DCS的可靠性、安全性和最终用户价值的自动化系统。
企业还希望有这样一个系统，能够通过将控制策略移植到升级或新系统中来保持控制策略。此外，终端用户还要求模块化硬件——例如计算、网络、存储和I/O终端，以允许增量升级的扩展性。最后，企业也希望软件与硬件和I/O分离，允许在系统的任何地方执行。
1、数字转型如何改变DCS和SCADA
为了努力利用新的数字技术来满足这些客户的挑战和期望，前瞻性的制造商正为数字化转型投资。DCS和SCADA最终是正在进行的数字化转型的一部分，因此，它们与所有其他过程制造技术一起发展。
DCS和SCADA系统的变化符合自动化金字塔正在进行的转型。在数据化转型中，自动化金字塔正在演变。例如，IT/OT融合和虚拟化技术正在模糊金字塔层次之间的区别，并使一些工程和软件应用程序能够迁移到云。
通过云技术的集成，过程控制系统能够执行边缘计算，并作为工业物联网的健壮数据源。基于云的环境促进了跨多个数据源的数据聚合，并提高了数据可用性，以支持有远见的决策和应用程序互操作性。
2、SCADA和DCS在数字化改造中的要求
为了利用云技术、工业物联网和边缘计算，流程制造商需要对其老化的自动化系统进行现代化改造。总的来说，数字化转型推动了对SCADA和DCS的更开放和安全的系统架构和设计的需求。
3、正在增加的开放系统
NAMUR开放架构(NOA)和开放过程自动化论坛(OPAF)正在推动工业自动化领域的主要开放架构项目，并推动了对专有架构的转变。这两个计划都描述了与供应商无关的系统，允许在任何时候使用最先进的设备和功能，并在未来继续使用专有软件应用程序。
OPAF的一个关键目标是摆脱供应商依赖，这在过去一直是大型dcs的问题。OPAF目前考虑的体系结构需求包括“互操作性”、“模块化”、“标准一致性”、“遵从安全标准”、“可伸缩性”和“可移植性”。
在NOA的案例中，一个独立的领域叫做M+O(监测和优化)，与现有的系统分开准备，数据直接从机器人、无人机和新的传感器收集，例如，腐蚀、声音和振动。此外，通过OPC UA导入现有系统中的数据，即使在现场也能实现先进的控制、分析和诊断。从安全措施的角度来看，增强了与IEC62443推荐的ZONE设计的兼容性，便于系统的设计和维护。
更大的问题是缺少来自一些DCS供应商的持续升级。如果他们的供应商停止提供升级，企业就不得不求助于“拆换”方法，即用一个全新的系统完全取代旧的系统。在这种情况下，转换到新系统时产生的生产损失和成本往往远远超过系统成本。通过创建一个开放的、可互操作的规范，OPAF的目标是促进开发更便宜的和改进的过程控制系统。
4、增加的安全要求
数字化除了增加开放性之外，还创造了对安全网络架构和设计的需求。随着IT/OT融合和云计算等新技术带来的新的安全风险，安全显得尤为重要。
与此同时，正在进行的系统进化实际上正在降低一些系统安全风险。例如，在SCADA系统中，现场设备传统上与提供数据整合和转换的RTUs相连。RTUs一直是SCADA系统网络攻击的主要目标。较老的RTUs通常使用不安全的通信协议。然而，越来越多的新技术趋势正在使RTUs逐步向边缘设备靠拢。
由于将数据暴露在互联网上会带来安全风险，因此企业使用当代网络安全资源保持其SCADA系统最新是至关重要的。国际自动化协会(ISA) 62443系列标准，由国际电工委员会(IEC)采用，以及国家标准协会(NIST) 800-16为网络管理员和网络安全工程师提供了有用的资源和指南。
由于它们的数据交换通常依赖于无线或公共通信基础设施，SCADA系统更容易受到网络攻击。由于SCADA系统监管广域网，有更多的入口点。与此同时，DCS并不完全安全免受网络攻击，需要综合措施，特别是在局域网的入口点。
5、网络安全
网络安全是所有技术的公共因素。基于Purdue模型的网络安全战略和实施方法现在扩展到整个企业。设计一种新的基于标准的方法来包含IT和OT系统。虽然OT通常使用NIST网络安全框架，但IT要求和与第三方的交互可能涉及其他的标准，如ISA/IEC 62443和ISO 27001。
在集成工业物联网技术的同时，IT/OT融合实现团队将继续就OT网络与公司网络的隔离、OT网络与Internet的隔离、站点和流程级别的最低权限访问控制以及跨站点通信限制做出决策。与此同时，网络安全领域的专业知识正在演变，将以前完全不同的OT和IT领域包括进来。
6、DCS和SCADA的数字转型的趋势
一般来说，企业的两个关键的、相互交织的数字化转型目标是更大的连接性和灵活性。这些都推动了对利用工业物联网技术的智能工厂的需求。制造企业正在寻求优化生产，因此系统正在改变。
这种转变的一个例子是，在实施智能制造的技术层面上正在发生，这推动了现场总线的采用。现场总线对工业物联网至关重要，是专为关键任务控制和传感功能而设计的专用网络。现场总线最初是作为模拟的4-20mA电流回路的替代品。
像HART、Profibus/Profinet和FOUNDATION Fieldbus这样的d-wired现场总线为制造商提供了现场设备诊断功能。制造商开始在基于条件的维护(CBM)方法中选择无线技术。这种无线技术提供了支持工业物联网和优化整个价值链所必需的数据。
随着数字化转型不断为连接性和灵活性创造新的期望，系统的持续转型必将随之而来。
三、DCS和SCADA的未来
在数字化转型的驱动下，对开放架构和增强网络安全的需求可能会继续影响未来DCS和SCADA的发展。正如引言中所述，这些系统目前处于过渡阶段，但工业自动化系统的数字化转型之旅实际上才刚刚开始。这段旅程对流程制造型企业来说是一个挑战——例如，升级历史系统在一开始似乎是令人难以置信的艰巨任务。但数字化转型的潜在好处让解决这些挑战变得非常值得。
数字化转型意味着将带来工业自动化的新时代。在这个时代，机器将能够执行复杂的控制功能，具有自我学习能力和最小的人工干预。这将使制造型企业减少因人为错误造成的事故和生产停机时间，实现最佳的工厂操作。
作为数字化转型的一部分,DCS和SCADA系统将支持WEB服务,IIoT和基于云的连通性等开放平台通信统一架构(OPC UA),消息队列遥测传输(MQTT)和连接等,所提供的简单网络管理协议(SNMP)和Internet控制消息协议(ICMP)监控IT资产。
随着更高的系统连通性、集成操作中心(IOC)和高质量警报系统的动态操作指导成为可能，制造企业将能够实现系统优化和安全的新水平。数字孪生解决方案为制造企业提供了改进工艺优化的机会。这些动态模拟器允许企业考虑改变操作条件，并提前预测过程行为。反过来，这也使生产的安全性和灵活性得到改善。
