1 開篇
以工業(yè)4.0為綱領(lǐng)的新工業(yè)革命正在促進(jìn)我國工業(yè)企業(yè)信息化沿兩化融合方向深入發(fā)展。兩化融合是信息化和工業(yè)化高層次的深度結(jié)合，是指以信息化帶動(dòng)工業(yè)化、以工業(yè)化促進(jìn)信息化，走新型工業(yè)化道路；兩化融合的核心是信息化支撐，追求可持續(xù)發(fā)展模式。兩化融合落地到企業(yè)之中實(shí)質(zhì)上就是要通過系統(tǒng)集成在工業(yè)企業(yè)構(gòu)建起信息化集成系統(tǒng)，支持構(gòu)建智能工廠、實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)智能制造。工業(yè)企業(yè)兩化融合的關(guān)鍵就是系統(tǒng)集成技術(shù)。
本講座將系統(tǒng)集成技術(shù)的由來與發(fā)展作為第一講，介紹系統(tǒng)集成概念，闡述采用系統(tǒng)集成技術(shù)構(gòu)建的兩化融合的大系統(tǒng)——工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)以及對(duì)其進(jìn)行的信息集成工作的內(nèi)涵。
按照工業(yè)4.0的要求，工業(yè)企業(yè)需要實(shí)現(xiàn)四個(gè)智能化，即：智能工業(yè)品、智能生產(chǎn)線、智能工廠和智能制造。但是，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)必須做腳踏實(shí)地的工作，必須為工業(yè)企業(yè)構(gòu)建起一個(gè)從戰(zhàn)略決策到工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)實(shí)在在的系統(tǒng)，由這個(gè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)智能制造的目標(biāo)，這個(gè)系統(tǒng)就是信息化集成系統(tǒng)。怎么樣構(gòu)建這樣的大系統(tǒng)，必須通過系統(tǒng)集成技術(shù)將系統(tǒng)的各層次的信息集成起來為智能制造服務(wù)，實(shí)現(xiàn)四個(gè)智能化。概而言之，實(shí)現(xiàn)智能制造第一是信息化集成大系統(tǒng)，第二是構(gòu)建此系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)，缺一不可。
系統(tǒng)集成技術(shù)包含了四大要素，它們是：（1）應(yīng)用需求分析。（2）開放系統(tǒng)。（3）接口技術(shù)。（4）系統(tǒng)集成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。此四個(gè)方面分別在第二講、第三講、第四講與第五講中詳加說明。
應(yīng)用需求分析：無論是構(gòu)建信息化集成系統(tǒng)本身還是開發(fā)出開放的軟件平臺(tái)，必須將應(yīng)用需求分析清楚。這是建設(shè)系統(tǒng)的第一步也是最重要的一步。
開放系統(tǒng)：開放系統(tǒng)是信息化集成系統(tǒng)的基本屬性，它必須具有“寬廣的胸懷”以容納工業(yè)企業(yè)方方面面的業(yè)務(wù)需求。必須建設(shè)一個(gè)開放的軟件平臺(tái)，能對(duì)各種應(yīng)用需求進(jìn)行適應(yīng)性開發(fā)，使得系統(tǒng)可支持智能制造的各種要求。
接口技術(shù)：按照應(yīng)用需求構(gòu)建的大系統(tǒng)及其軟件平臺(tái)必須能夠接入多廠家設(shè)備，能夠無縫接入各類子系統(tǒng)使得信息化集成系統(tǒng)有能力完成智能制造的任務(wù)。此中接口技術(shù)成為最為關(guān)鍵的保證。
系統(tǒng)集成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)：工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。信息化集成系統(tǒng)各層級(jí)是靠最先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的全連接成為有機(jī)整體的。
工業(yè)企業(yè)在新工業(yè)革命的背景下，滿足最終用戶應(yīng)用需求，建設(shè)起一個(gè)開放的系統(tǒng)，應(yīng)用接口技術(shù)接入各類子系統(tǒng)與多廠家設(shè)備，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)各層級(jí)連接為一個(gè)整體，從而有效地實(shí)現(xiàn)智能制造的根本任務(wù)。此為本講座的核心思想體系。
第六講將簡介系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用，作為系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用的拋磚引玉的案例。
2 系統(tǒng)集成技術(shù)與信息化集成系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)集成概念
系統(tǒng)集成概念由工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)開啟，始于70年代末、80年代初的美國，當(dāng)時(shí)，許多工業(yè)生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用項(xiàng)目需要將多廠家設(shè)備綜合在一個(gè)系統(tǒng)中。許多大企業(yè)需要實(shí)現(xiàn)全廠設(shè)備的綜合監(jiān)控和互聯(lián)。但是，當(dāng)時(shí)的設(shè)備系統(tǒng)基本上都是專利系統(tǒng)，通信協(xié)議多為專利協(xié)議，于是出現(xiàn)了一些規(guī)模不大的公司，它們是由熟悉多廠家設(shè)備的硬件和軟件開發(fā)人員組成，這些公司承接綜合性大項(xiàng)目，或受命于大企業(yè)實(shí)現(xiàn)全廠設(shè)備的綜合監(jiān)控。這些公司取名為某某系統(tǒng)集成公司，雇員一般幾十人到一、二百人。項(xiàng)目伊始，公司的計(jì)算機(jī)硬件和軟件開發(fā)人員進(jìn)入現(xiàn)場或企業(yè)，進(jìn)行深入的調(diào)查研究，明確用戶需求，針對(duì)多廠家設(shè)備，進(jìn)行定制開發(fā)，提出完善的解決方案，最后全面實(shí)施，這些開發(fā)者被叫做系統(tǒng)集成師（Integrator）。他們所進(jìn)行的工作稱為系統(tǒng)集成，因?yàn)樗麄兙C合了全企業(yè)或大工廠里的各類設(shè)備信息進(jìn)行監(jiān)控管理，他們是將各個(gè)設(shè)備子系統(tǒng)集成在一起，構(gòu)建起企業(yè)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)制造與企業(yè)管理系統(tǒng)，做了“系統(tǒng)集成”的工作。
從70年代末起，經(jīng)過80年代直到90年代，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)從單廠家設(shè)備的DCS、PLC專利系統(tǒng)，向多廠家設(shè)備集成，向以DCS、PLC、SCADA系統(tǒng)為基礎(chǔ)的開放系統(tǒng)發(fā)展。這一階段，工業(yè)PC機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)和DCS技術(shù)的發(fā)展，特別是PLC和PLC系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展。PLC系統(tǒng)開始取代早先的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遙測系統(tǒng)，在許多大項(xiàng)目中，建成了以PLC為基礎(chǔ)的SCADA系統(tǒng)；采用系統(tǒng)集成構(gòu)建的大型開放系統(tǒng)取代了專利的DCS以及60年代、70年代的DDC（Direct Digital Control System）系統(tǒng)；系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用愈來愈廣泛。
這一時(shí)期，工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)模日趨龐大，要求與之相應(yīng)的自動(dòng)化系統(tǒng)的規(guī)模也越來越大。要求系統(tǒng)容納更多廠家的設(shè)備，要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加開放以接入各種設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)PC加上HMI軟件加PLC系統(tǒng)，發(fā)展成為系統(tǒng)集成開放系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。
這一階段，適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和需求變化，原來著名的DCS和PLC廠商，開始做系統(tǒng)集成項(xiàng)目，進(jìn)行開放系統(tǒng)的研究和制造，他們或成立了強(qiáng)大的系統(tǒng)集成分部，或與更大的廠商兼并、聯(lián)合組成規(guī)模較大的自動(dòng)化系統(tǒng)集成公司。
隨著IT技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)信息化浪潮以更大的勢頭發(fā)展。企業(yè)的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和經(jīng)營管理系統(tǒng)由于IT技術(shù)的深入而得到快速發(fā)展，ERP與其他管理信息系統(tǒng)幾乎進(jìn)入了所有大型企業(yè)，此時(shí)系統(tǒng)集成包含了更大的范圍，從自動(dòng)化到了信息化。這一階段，幾乎所有的世界級(jí)大型IT公司紛紛參與信息化大系統(tǒng)的系統(tǒng)集成項(xiàng)目，特別是軟件企業(yè)在系統(tǒng)集成方面做出了一系列的創(chuàng)新。新概念的軟件體系在信息化系統(tǒng)集成項(xiàng)目中嶄露頭角。微軟的.NET開發(fā)框架，SUN公司的J2EE系統(tǒng)集成應(yīng)用架構(gòu)，IBM的SOA（面向服務(wù)架構(gòu)）成為企業(yè)信息化的IT架構(gòu)方法，將企業(yè)業(yè)務(wù)彼此連接，可重復(fù)的業(yè)務(wù)任務(wù)或服務(wù)進(jìn)行整合，構(gòu)建在各種系統(tǒng)中的服務(wù)可以以一種統(tǒng)一和通用的方式進(jìn)行交互。適合具體企業(yè)業(yè)務(wù)的大型系統(tǒng)集成平臺(tái)也在企業(yè)信息化與自動(dòng)化深度融合中出現(xiàn)。
90年代初期，全球范圍內(nèi)，涌現(xiàn)出一大批系統(tǒng)集成廠商。1994年，控制系統(tǒng)集成商聯(lián)合會(huì)（CSIA：Control System Integrators Association）在北美成立。CSIA自成立以來，一直致力于世界范圍控制系統(tǒng)集成事業(yè)的發(fā)展，為全世界的系統(tǒng)集成商服務(wù)。CSIA的研究結(jié)果表明：到21世紀(jì)初，全世界的系統(tǒng)集成商（公司）至少有4000多個(gè)。
CSIA定義控制系統(tǒng)集成商為：控制系統(tǒng)集成商是一個(gè)獨(dú)立的增值工程組織，它主要為工業(yè)控制系統(tǒng)、制造系統(tǒng)和工廠自動(dòng)化的銷售、設(shè)計(jì)、實(shí)施、安裝、試車和技術(shù)支持做應(yīng)用知識(shí)服務(wù)和技術(shù)專家支持。（“A Control Systems Integrator (CSI) is an independent (or an independent profit/loss division) value-added engineering organization that focuses on industrial control systems, manufacturing execution systems and plant automation that requires application knowledge and technical expertise for sales, design, implementation, installation, commissioning and support.”）CSIA的成員公司可以為各種項(xiàng)目提供產(chǎn)品和系統(tǒng)集成服務(wù)，這些項(xiàng)目中通常包含過程控制、離散控制、管理監(jiān)督系統(tǒng)、批量控制以及機(jī)器人技術(shù)和數(shù)據(jù)采集等內(nèi)容。它聚焦于工業(yè)控制和信息系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)以及工廠自動(dòng)化系統(tǒng)等方面。系統(tǒng)集成商需要具備應(yīng)用知識(shí)和銷售、設(shè)計(jì)、執(zhí)行、安裝、調(diào)試以及支持的方方面面專項(xiàng)技能。
系統(tǒng)集成商所做的工作，綜合了設(shè)備廠商的代理、產(chǎn)品的分銷商、工程的咨詢工程師以及工程承包商等所有職能。而且，它也不同于設(shè)備制造商，它對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)所涉及的專業(yè)知識(shí)和用戶實(shí)際需求較為熟悉，可為用戶提供較好的全面解決方案，提供對(duì)設(shè)備廠商的增值服務(wù)。
控制系統(tǒng)集成商根據(jù)具體工程的輸入條件，根據(jù)通用需求和專用需求制定出的需求規(guī)范，針對(duì)用戶提出的問題做出綜合解決方案。方案包括最終的項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)、技術(shù)文件、硬件配置與購買、用戶軟件開發(fā)、現(xiàn)場儀表的接線和安裝、控制方案、軟件選擇、測試和調(diào)試。系統(tǒng)集成商為用戶提供的主要是系統(tǒng)集成的技術(shù)服務(wù)以及系統(tǒng)集成商的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
軟件開發(fā)在項(xiàng)目中占有更重要的位置。據(jù)CSIA研究統(tǒng)計(jì)，一個(gè)正規(guī)的系統(tǒng)集成項(xiàng)目，“智力內(nèi)容”包括，設(shè)計(jì)、計(jì)劃、管理、軟件開發(fā)、技術(shù)服務(wù)、培訓(xùn)等的價(jià)值，與硬件和安裝等勞動(dòng)價(jià)值之比為60:40。在系統(tǒng)集成項(xiàng)目中，系統(tǒng)集成商的責(zé)任是為項(xiàng)目選擇最好的產(chǎn)品和制造商。系統(tǒng)集成商只須選擇那些可滿足特殊要求的特殊產(chǎn)品。實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方案是第一位的原則。
系統(tǒng)集成商的工作是圍繞各類自動(dòng)化的項(xiàng)目進(jìn)行。工程準(zhǔn)備階段，它為用戶提供項(xiàng)目的工程咨詢服務(wù)，給用戶提供類似工程中自動(dòng)化系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)和切合本項(xiàng)目實(shí)際需求的咨詢建議。工程伊始，他按照合同為用戶提供工程設(shè)計(jì)、工程組織、工程管理服務(wù)。系統(tǒng)集成商為用戶采購按照設(shè)計(jì)要求的各類硬件產(chǎn)品，并保證硬件設(shè)備和現(xiàn)場裝置的合理匹配，保證自動(dòng)化系統(tǒng)的最佳性價(jià)比。
系統(tǒng)集成商的最主要任務(wù)之一是建立開放系統(tǒng)的集成平臺(tái)，開發(fā)適應(yīng)具體工程需求的應(yīng)用軟件。系統(tǒng)集成商不應(yīng)采用專利的集成軟件平臺(tái)，而是應(yīng)用成熟的軟件平臺(tái)。但是，應(yīng)用軟件必須具有工程的適應(yīng)性，必須包含自身的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和成功的工程范例成果。
系統(tǒng)集成商要負(fù)責(zé)系統(tǒng)集成中的關(guān)鍵問題，主要是接口問題的解決。系統(tǒng)集成商將指導(dǎo)系統(tǒng)的安裝和調(diào)試，系統(tǒng)集成商還負(fù)責(zé)系統(tǒng)的實(shí)測試運(yùn)行期的技術(shù)保證，以及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的用戶培訓(xùn)，項(xiàng)目的文檔建立和移交。最后，系統(tǒng)集成商承諾優(yōu)良的質(zhì)保期服務(wù)。
系統(tǒng)集成是應(yīng)用開放系統(tǒng)將多廠家設(shè)備連在一起，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用要求的全部功能的過程；是應(yīng)用共享的信息平臺(tái)接入各個(gè)子系統(tǒng)，為用戶實(shí)現(xiàn)從頂層到底層的自動(dòng)化監(jiān)控管理功能的工程活動(dòng)。
系統(tǒng)集成不再是單專業(yè)自動(dòng)化的工程行為，不再是自動(dòng)化孤島中的系統(tǒng)組建，而是工程所包含的全系統(tǒng)的自動(dòng)化和信息化的實(shí)現(xiàn)；是為工程項(xiàng)目構(gòu)建的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)；是為工程價(jià)值鏈各階段的信息化集成而構(gòu)建的系統(tǒng)。系統(tǒng)集成構(gòu)建起該項(xiàng)目的信息共享平臺(tái)。
目前，系統(tǒng)集成正向全企業(yè)信息集成的全面解決方案發(fā)展，它已從控制領(lǐng)域向信息領(lǐng)域擴(kuò)展，要求系統(tǒng)集成商對(duì)企業(yè)控制系統(tǒng)集成、制造過程集成，也要對(duì)企業(yè)的管理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)集成。與此相適應(yīng)，系統(tǒng)集成所應(yīng)用的開放系統(tǒng)必須可以將底層設(shè)備層（現(xiàn)場儀表和傳感器）工廠控制層和企業(yè)管理層的各類設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)主業(yè)務(wù)的智能制造，實(shí)現(xiàn)全企業(yè)的監(jiān)控管理和信息綜合服務(wù)。在工業(yè)4.0中，明確提倡制造廠商發(fā)展為智能制造的系統(tǒng)集成商。制造企業(yè)發(fā)展為產(chǎn)品與服務(wù)的系統(tǒng)集成商。
2.2 工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)
工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)最早是我國863專家提出的概念。全國工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)（TC159）一直致力于企業(yè)信息化集成系統(tǒng)國家標(biāo)準(zhǔn)的制定。2010年1月，國家標(biāo)委會(huì)發(fā)布了《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)規(guī)范（Standard of Industry Enterprise Information Integration System）》（GB/T 26335-2010）并于2010年6月開始實(shí)施。
此國家標(biāo)準(zhǔn)定義了工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)：“工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)（Industrial Enterprise Informationization Integrated System）是基于計(jì)算機(jī)環(huán)境和技術(shù)，將工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)與經(jīng)營決策系統(tǒng)綜合集成，提高企業(yè)經(jīng)營效率、促進(jìn)企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的大系統(tǒng)。”
標(biāo)準(zhǔn)在基本規(guī)定中特別強(qiáng)調(diào)了：“工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)應(yīng)建成從生產(chǎn)自動(dòng)化、生產(chǎn)管理到經(jīng)營決策的完整系統(tǒng)；它將企業(yè)自動(dòng)化和信息化有機(jī)地融合在一起，使工業(yè)企業(yè)核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)及相關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)有效集成，提高企業(yè)經(jīng)營的效率，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)服務(wù)。”
GB/T 26335-2010給出了一般工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的層次模型，如圖1所示，它是基于普渡模型的分層分級(jí)系統(tǒng)。
圖1 工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的分層分級(jí)模型
工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的典型架構(gòu)由三級(jí)構(gòu)成，它們是：H1：廠級(jí)系統(tǒng)（廠級(jí)包括：大、中、小型生產(chǎn)廠，生產(chǎn)基地等）；H2：公司級(jí)系統(tǒng)（公司級(jí)包括：跨廠級(jí)聯(lián)合企業(yè)，大型聯(lián)合生產(chǎn)基地等）；H3：集團(tuán)公司級(jí)系統(tǒng)。
（1）H1廠級(jí)系統(tǒng)：工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)廠級(jí)系統(tǒng)應(yīng)包括如：圖1所示L1到L5五層，它們是：L1：現(xiàn)場設(shè)備層；L2：生產(chǎn)過程控制層；L3：制造執(zhí)行層；L4：經(jīng)營管理層；L5：戰(zhàn)略決策層。通過5層的縱向集成與橫向集成實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場設(shè)備、生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)執(zhí)行、指揮、經(jīng)營管理及戰(zhàn)略決策的應(yīng)用集成一體化，構(gòu)成完整的廠級(jí)系統(tǒng)。其中，L1與L2構(gòu)成企業(yè)的生產(chǎn)自動(dòng)化基礎(chǔ)層，信息化集成系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)的本源信息產(chǎn)生于此。
（2）H2公司級(jí)系統(tǒng)：此級(jí)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)分布的廠級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成、構(gòu)建企業(yè)公司級(jí)的信息化集成系統(tǒng)。系統(tǒng)包括L3、L4、L5三層，但其結(jié)構(gòu)與功能不同于H1的相應(yīng)三層。通過縱向集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)H2與H1的無縫接口，實(shí)現(xiàn)本級(jí)信息的貫通。
（3）H3集團(tuán)公司級(jí)系統(tǒng)：集團(tuán)公司級(jí)系統(tǒng)包括L3、L4、L5三層，但其結(jié)構(gòu)與功能不同于H1和H2的相應(yīng)三層。通過縱向集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)級(jí)間、層間信息的貫通。
2.3 工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)內(nèi)涵
具體到工業(yè)企業(yè)之中，企業(yè)信息化集成系統(tǒng)是通過計(jì)算機(jī)硬件、軟件，并綜合運(yùn)用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將企業(yè)生產(chǎn)全過程中有關(guān)人、物資、技術(shù)和經(jīng)營管理三要素及其信息流、物料流與資金流有機(jī)地集成并優(yōu)化運(yùn)行的一個(gè)復(fù)雜大系統(tǒng)。其核心是集成基礎(chǔ)設(shè)施／集成平臺(tái)，為企業(yè)提供基礎(chǔ)的信息集成、應(yīng)用集成、過程集成和商業(yè)集成服務(wù)。通過這些集成服務(wù)，企業(yè)不同單元的技術(shù)和系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，形成集成化的企業(yè)信息化系統(tǒng)，支持企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)和管理等業(yè)務(wù)活動(dòng)的高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)人／組織、技術(shù)、資源和經(jīng)營管理等企業(yè)要素的集成（如圖2所示）。
工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)對(duì)信息的集成以生產(chǎn)和制造過程緊密相關(guān)的底層信息為基礎(chǔ)，圍繞企業(yè)核心業(yè)務(wù)進(jìn)行，它是系統(tǒng)的基礎(chǔ)與根基，這與“工業(yè)4.0”的理念一致。
信息化集成系統(tǒng)分為兩大部分：控制系統(tǒng)（或稱控制制造系統(tǒng)）與企業(yè)系統(tǒng)（或稱企業(yè)信息化系統(tǒng)）。信息化集成系統(tǒng)則是這兩大部分的綜合與集成。
圖2 信息化集成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人／組織、技術(shù)、資源和經(jīng)營管理等集成
2.3.1 控制（制造）系統(tǒng)
工業(yè)生產(chǎn)在其發(fā)展過程中，始終與信息技術(shù)的發(fā)展相伴隨。每一次工業(yè)革命也都伴隨一次信息技術(shù)進(jìn)步。工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備與設(shè)施、被自動(dòng)控制系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，構(gòu)成了工業(yè)最基礎(chǔ)的工業(yè)制造過程。同時(shí)整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)組織、調(diào)度指揮和經(jīng)營管理也逐步由計(jì)算機(jī)信息化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。工業(yè)自動(dòng)化與企業(yè)信息化推動(dòng)著工業(yè)現(xiàn)代化。
從自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用的角度來看，工業(yè)可分為兩大類：一大類是制造業(yè)，如飛機(jī)、汽車等制造工業(yè)。另一大類是過程工業(yè)，如石油、化工等。
制造業(yè)主要是將各類材料，通過生產(chǎn)加工線、加工成為一個(gè)個(gè)零件，零件又裝配成為部件，部件在裝配線上被裝配成機(jī)器設(shè)備。制造業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制機(jī)械制造過程、自動(dòng)控制機(jī)械裝配過程；要求嚴(yán)格控制零件的各種參數(shù)達(dá)到一定精度；要求裝配好的整機(jī)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。這些要求通過各類數(shù)控機(jī)床、各類自動(dòng)裝配線組成的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。制造業(yè)的制造過程是一個(gè)離散過程，零件一個(gè)個(gè)加工出來，部件一個(gè)個(gè)組裝起來，機(jī)器一臺(tái)臺(tái)裝配成功，與此相應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要解決對(duì)這些非連續(xù)對(duì)象的控制，稱為離散控制。一般離散控制采用PLC控制系統(tǒng)。
另一大類是過程工業(yè)也稱為流程工業(yè)，它是將原料經(jīng)管道輸送并通過物料處理裝置變?yōu)楫a(chǎn)品的工業(yè)過程，或是介質(zhì)在流動(dòng)過程中轉(zhuǎn)化能量生產(chǎn)出能源的工業(yè)過程。要保證這些工業(yè)過程的正常運(yùn)行，安全穩(wěn)定、源源不斷地生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，必須對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行自動(dòng)控制，此類系統(tǒng)稱作過程控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)進(jìn)行的是對(duì)連續(xù)量的控制，稱為連續(xù)控制，連續(xù)控制采用DCS分散型控制系統(tǒng)。
實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用，并不是制造業(yè)和過程工業(yè)嚴(yán)格分開，許多工業(yè)企業(yè)里，甚至同一條生產(chǎn)線上，都可能包含了兩種類型的工業(yè)控制，涉及了DCS和PLC兩類系統(tǒng)。工廠里的生產(chǎn)控制系統(tǒng)的層次模型，稱為普渡模型，如圖3所示。
圖3 工廠生產(chǎn)控制系統(tǒng)層次模型
工業(yè)企業(yè)控制系統(tǒng)是對(duì)企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)制造產(chǎn)品的過程完全是在控制系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量和智能化。從這個(gè)意義上講，工業(yè)企業(yè)控制（制造）系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)的最基礎(chǔ)系統(tǒng)。研究工業(yè)信息化集成系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)，應(yīng)將生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)中的系統(tǒng)集成技術(shù)作為基礎(chǔ)來研究。
工業(yè)控制系統(tǒng)（以連續(xù)控制系統(tǒng)為例）主要分為兩個(gè)層次：現(xiàn)場設(shè)備（生產(chǎn)單元）層；自動(dòng)化系統(tǒng)控制層。現(xiàn)場設(shè)備層主要有各類傳感器、變送器、執(zhí)行器、促動(dòng)器（actuator），它們采集工業(yè)現(xiàn)場各類與生產(chǎn)息息相關(guān)的信息傳送到控制系統(tǒng)，同時(shí)現(xiàn)場的執(zhí)行器、促動(dòng)器按照來自控制系統(tǒng)的指令推動(dòng)閥門、開關(guān)和驅(qū)動(dòng)設(shè)備。
自動(dòng)化系統(tǒng)控制層主要是由對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中各類工藝參數(shù)進(jìn)行控制的控制器、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)以及操作員站、控制層數(shù)據(jù)服務(wù)器與生產(chǎn)應(yīng)用服務(wù)器等組成。
在制造業(yè)自動(dòng)控制中所涉及的被控參數(shù)主要是機(jī)械量和運(yùn)動(dòng)量，主要有轉(zhuǎn)速、線速度、加速度、位移量、長度、角度、力、力矩以及相關(guān)的電壓、電流、電功率、各種電參數(shù)等。制造業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要控制那些運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備：電機(jī)、線性電機(jī)、液壓馬達(dá)、液壓油缸、氣動(dòng)馬達(dá)、氣動(dòng)缸等及其運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置。主要的監(jiān)控點(diǎn)是開關(guān)量、數(shù)字輸入和數(shù)字輸出量。
過程控制的特點(diǎn)是必須嚴(yán)格控制原料在被處理過程中的過程參數(shù)也稱為工藝參數(shù)，只有工藝參數(shù)保證了，才能使工業(yè)過程源源不斷地生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。過程工業(yè)的工藝參數(shù)主要有所謂四大參數(shù)：溫度、壓力、流量和物位（液位）。不同的工業(yè)過程也還有其他不同的工藝參數(shù)。這些工藝參數(shù)大都是連續(xù)變化的，稱為模擬量，例如，溫度變化。對(duì)于模擬量的控制，從控制原理講，它與對(duì)離散量的控制有根本的不同，因此過程工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)是以連續(xù)量控制為主的系統(tǒng)。
工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，必須具備特定的品質(zhì)指標(biāo)，通俗講，自動(dòng)控制系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的，必須穩(wěn)定地達(dá)到控制的要求值（系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值），而且必須快速地達(dá)到這一要求值，即所謂穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求。
工業(yè)控制系統(tǒng)的品質(zhì)決定著工業(yè)產(chǎn)品的品質(zhì)，工業(yè)控制系統(tǒng)是工業(yè)制造的靈魂。
工業(yè)控制（制造）系統(tǒng)隨著新工業(yè)革命的到來，必將適應(yīng)智能產(chǎn)品的要求，適應(yīng)智能生產(chǎn)線的需要，會(huì)發(fā)生巨大的進(jìn)步與變化。
在工業(yè)革命4.0時(shí)代，基本問題依舊如上所述，但是，互聯(lián)網(wǎng)會(huì)直接深入到工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備層，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改變了傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與模式。工業(yè)4.0CPS系統(tǒng)可以直接將現(xiàn)場設(shè)備與工業(yè)管理決策層縱向集成起來，為智能制造的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
2.3.2 企業(yè)（信息化）系統(tǒng)
工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的上層是企業(yè)（信息化）系統(tǒng)。從企業(yè)業(yè)務(wù)運(yùn)行角度來分析，企業(yè)系統(tǒng)由管理分系統(tǒng)、工程設(shè)計(jì)分系統(tǒng)、制造分系統(tǒng)、質(zhì)量保證分系統(tǒng)以及基礎(chǔ)支撐設(shè)施分系統(tǒng)5個(gè)部分組成，如圖4所示。
圖4 企業(yè)系統(tǒng)的組成：五個(gè)分系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行
管理分系統(tǒng)：包括市場預(yù)測、經(jīng)營決策、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備、銷售、供應(yīng)、財(cái)務(wù)、成本、設(shè)備、工具和人力資源等管理功能。工程設(shè)計(jì)分系統(tǒng)：工程設(shè)計(jì)分系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析，工程設(shè)計(jì)自動(dòng)化分系統(tǒng)通常包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、性能分析、工藝設(shè)計(jì)、裝配規(guī)劃、設(shè)計(jì)文檔管理等功能。制造分系統(tǒng)：制造分系統(tǒng)由數(shù)控機(jī)床、加工中心、清洗機(jī)、測量機(jī)、運(yùn)輸小車、立體倉庫、多級(jí)分布式控制（管理）等制造設(shè)備及相應(yīng)支持資源組成。質(zhì)量保證分系統(tǒng)：質(zhì)量保證分系統(tǒng)包括質(zhì)量決策、質(zhì)量檢測與數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量評(píng)價(jià)、控制與跟蹤等功能。質(zhì)量保證分系統(tǒng)對(duì)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢測到后勤服務(wù)的整個(gè)過程的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，以達(dá)到產(chǎn)品的高質(zhì)量、低成本、提高企業(yè)競爭力的目的。基礎(chǔ)支撐設(shè)施分系統(tǒng)：基礎(chǔ)支撐設(shè)施分系統(tǒng)是支持企業(yè)各個(gè)分系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)環(huán)境。包括基本的廠房、通訊基礎(chǔ)設(shè)施、能源供應(yīng)設(shè)施等。
企業(yè)信息化是指企業(yè)在生產(chǎn)和經(jīng)營、管理和決策、研究和開發(fā)、市場和銷售等各方面全面應(yīng)用信息技術(shù)，建設(shè)信息網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)，通過對(duì)信息和知識(shí)資源的高效開發(fā)與利用，調(diào)整或重組企業(yè)組織結(jié)構(gòu)與業(yè)務(wù)模式，服務(wù)企業(yè)發(fā)展目標(biāo)，提高企業(yè)競爭力。企業(yè)信息化系統(tǒng)是支持企業(yè)經(jīng)營管理大目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的各類計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。企業(yè)信息化涉及到企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)、決策管理等多個(gè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)和多項(xiàng)支持技術(shù)。同時(shí)，不同企業(yè)的專業(yè)特點(diǎn)和管理成熟度也直接影響企業(yè)信息化系統(tǒng)的實(shí)施和應(yīng)用工作。企業(yè)信息化系統(tǒng)可以歸納為入口、商業(yè)決策、運(yùn)作管理、產(chǎn)品研制、生產(chǎn)控制、商務(wù)協(xié)作和集成平臺(tái)幾個(gè)層次。每一個(gè)層次包含有若干個(gè)信息系統(tǒng)，這些信息系統(tǒng)分別滿足企業(yè)業(yè)務(wù)不同方面的需要。同時(shí)，它們之間又存在內(nèi)在的聯(lián)系。
企業(yè)入口層：提供企業(yè)信息化應(yīng)用系統(tǒng)的統(tǒng)一訪問入口；業(yè)務(wù)決策層：包括業(yè)務(wù)智能和決策分析系統(tǒng)。主要目的是采用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算，通過數(shù)據(jù)挖掘、OLAP在線分析等手段，對(duì)下層應(yīng)用系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，在決策支持系統(tǒng)的輔助下，為企業(yè)決策和戰(zhàn)略管理提供技術(shù)手段和科學(xué)依據(jù)；運(yùn)作管理層：主要包括ERP/SCM/CRM。管理企業(yè)內(nèi)外供應(yīng)鏈及物流，以及管理計(jì)劃控制、客戶關(guān)系管理，為企業(yè)業(yè)務(wù)運(yùn)作提供支持；產(chǎn)品研制層：包括CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM等系統(tǒng)，提供覆蓋產(chǎn)品生命周期的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，為企業(yè)其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)支持；生產(chǎn)控制層：包括MES和PCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造設(shè)備、底層數(shù)據(jù)采集設(shè)備、控制設(shè)備的管理以及車間級(jí)的生產(chǎn)計(jì)劃與執(zhí)行過程控制；商務(wù)協(xié)作層：提供協(xié)同業(yè)務(wù)工作平臺(tái)，支持企業(yè)內(nèi)部（各個(gè)相關(guān)業(yè)務(wù)單元之間、企業(yè)各個(gè)分支機(jī)構(gòu)之間）和企業(yè)間（企業(yè)與供應(yīng)商、企業(yè)與客戶、企業(yè)與協(xié)同設(shè)計(jì)開發(fā)商之間）業(yè)務(wù)的協(xié)同工作。
經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)許多公司開發(fā)了很多企業(yè)應(yīng)用的單元軟件產(chǎn)品，信息化集成平臺(tái)為這些單元應(yīng)用軟件系統(tǒng)的集成提供基礎(chǔ)支持功能，通過提供相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的集成組件，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件系統(tǒng)互連的目標(biāo)，并在企業(yè)進(jìn)行信息化集成系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)施。
企業(yè)信息化集成系統(tǒng)是將企業(yè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)集成起來的大系統(tǒng)。這里關(guān)鍵在于集成。一方面，是將生產(chǎn)系統(tǒng)、企業(yè)系統(tǒng)中分散、異構(gòu)的部件聯(lián)合在一起形成一個(gè)協(xié)同的整體，從而實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能，完成各個(gè)部分獨(dú)自不能完成的任務(wù)：另一方面通過接口將全系統(tǒng)的各子系統(tǒng)集成在一起實(shí)現(xiàn)綜合、協(xié)同功能實(shí)現(xiàn)總體最優(yōu)的目的。這樣的集成是將控制系統(tǒng)的各層與企業(yè)系統(tǒng)的各層完全上下貫通，同時(shí)又將同一層次的各子系統(tǒng)信息橫向集成起來構(gòu)成完整的信息化集成系統(tǒng)。在新的工業(yè)革命時(shí)代，信息化集成系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)的支持下，實(shí)現(xiàn)將工業(yè)控制（制造）系統(tǒng)與企業(yè)（信息化）的信息集成，實(shí)現(xiàn)智能工廠與智能生產(chǎn)，真正達(dá)到兩化融合的目標(biāo)。
魏曉東，1967年畢業(yè)于天津大學(xué)精儀系。1984~1991年任安徽工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化系副教授。1991年出版《分散型控制系統(tǒng)》（上海科技文獻(xiàn)出版社）。2000~2012年任北京和利時(shí)系統(tǒng)工程公司副總工、事業(yè)部總設(shè)計(jì)師，北京地鐵13號(hào)線、深圳地鐵一期工程、廣州地鐵3號(hào)線綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程技術(shù)總負(fù)責(zé)人。2006、2010年出版《城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)與技術(shù)》初版與第二版（電自工業(yè)出版社）；2010年主編國家標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50636-2010）《城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB/T50732-2011）；2010年主編關(guān)于兩化融合的國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)規(guī)范》（GB/T26335-2010）。2013至今任清華同方數(shù)字城市工程中心技術(shù)專家，住建部城市軌道交通標(biāo)注技術(shù)網(wǎng)Eu委員會(huì)委員，全國自動(dòng)化系統(tǒng)與集成標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)委員。
