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城市軌道交通標準技術委員會魏曉東

1　開篇

以工業4.0為綱領的新工業革命正在促進我國工業企業信息化沿兩化融合方向深入發展。兩化融合是信息化和工業化高層次的深度結合，是指以信息化帶動工業化、以工業化促進信息化，走新型工業化道路；兩化融合的核心是信息化支撐，追求可持續發展模式。兩化融合落地到企業之中實質上就是要通過系統集成在工業企業構建起信息化集成系統，支持構建智能工廠、實現智能生產，實現智能制造。工業企業兩化融合的關鍵就是系統集成技術。

本講座將系統集成技術的由來與發展作為第一講，介紹系統集成概念，闡述采用系統集成技術構建的兩化融合的大系統——工業企業信息化集成系統的層次結構以及對其進行的信息集成工作的內涵。

按照工業4.0的要求，工業企業需要實現四個智能化，即：智能工業品、智能生產線、智能工廠和智能制造。但是，實現這一目標必須做腳踏實地的工作，必須為工業企業構建起一個從戰略決策到工業現場的實實在在的系統，由這個系統來實現智能制造的目標，這個系統就是信息化集成系統。怎么樣構建這樣的大系統，必須通過系統集成技術將系統的各層次的信息集成起來為智能制造服務，實現四個智能化。概而言之，實現智能制造第一是信息化集成大系統，第二是構建此系統的系統集成技術，缺一不可。

系統集成技術包含了四大要素，它們是：（1）應用需求分析。（2）開放系統。（3）接口技術。（4）系統集成工業網絡。此四個方面分別在第二講、第三講、第四講與第五講中詳加說明。

應用需求分析：無論是構建信息化集成系統本身還是開發出開放的軟件平臺，必須將應用需求分析清楚。這是建設系統的第一步也是最重要的一步。

開放系統：開放系統是信息化集成系統的基本屬性，它必須具有“寬廣的胸懷”以容納工業企業方方面面的業務需求。必須建設一個開放的軟件平臺，能對各種應用需求進行適應性開發，使得系統可支持智能制造的各種要求。

接口技術：按照應用需求構建的大系統及其軟件平臺必須能夠接入多廠家設備，能夠無縫接入各類子系統使得信息化集成系統有能力完成智能制造的任務。此中接口技術成為最為關鍵的保證。

系統集成工業網絡：工業企業信息化集成系統的結構本質上是其網絡結構。信息化集成系統各層級是靠最先進網絡的全連接成為有機整體的。

工業企業在新工業革命的背景下，滿足最終用戶應用需求，建設起一個開放的系統，應用接口技術接入各類子系統與多廠家設備，通過工業網絡將系統各層級連接為一個整體，從而有效地實現智能制造的根本任務。此為本講座的核心思想體系。

第六講將簡介系統集成技術的應用，作為系統集成技術應用的拋磚引玉的案例。

2　系統集成技術與信息化集成系統

2.1 系統集成概念

系統集成概念由工業自動化系統開啟，始于70年代末、80年代初的美國，當時，許多工業生產的計算機應用項目需要將多廠家設備綜合在一個系統中。許多大企業需要實現全廠設備的綜合監控和互聯。但是，當時的設備系統基本上都是專利系統，通信協議多為專利協議，于是出現了一些規模不大的公司，它們是由熟悉多廠家設備的硬件和軟件開發人員組成，這些公司承接綜合性大項目，或受命于大企業實現全廠設備的綜合監控。這些公司取名為某某系統集成公司，雇員一般幾十人到一、二百人。項目伊始，公司的計算機硬件和軟件開發人員進入現場或企業，進行深入的調查研究，明確用戶需求，針對多廠家設備，進行定制開發，提出完善的解決方案，最后全面實施，這些開發者被叫做系統集成師（Integrator）。他們所進行的工作稱為系統集成，因為他們綜合了全企業或大工廠里的各類設備信息進行監控管理，他們是將各個設備子系統集成在一起，構建起企業以計算機為基礎的生產制造與企業管理系統，做了“系統集成”的工作。

從70年代末起，經過80年代直到90年代，工業自動化系統從單廠家設備的DCS、PLC專利系統，向多廠家設備集成，向以DCS、PLC、SCADA系統為基礎的開放系統發展。這一階段，工業PC機、嵌入式計算機和DCS技術的發展，特別是PLC和PLC系統得到了迅猛發展。PLC系統開始取代早先的遠程數據采集系統和遙測系統，在許多大項目中，建成了以PLC為基礎的SCADA系統；采用系統集成構建的大型開放系統取代了專利的DCS以及60年代、70年代的DDC（Direct Digital Control System）系統；系統集成技術應用愈來愈廣泛。

這一時期，工業應用系統的規模日趨龐大，要求與之相應的自動化系統的規模也越來越大。要求系統容納更多廠家的設備，要求系統結構更加開放以接入各種設備及其網絡。工業PC加上HMI軟件加PLC系統，發展成為系統集成開放系統的主要結構。

這一階段，適應技術發展和需求變化，原來著名的DCS和PLC廠商，開始做系統集成項目，進行開放系統的研究和制造，他們或成立了強大的系統集成分部，或與更大的廠商兼并、聯合組成規模較大的自動化系統集成公司。

隨著IT技術的發展，企業信息化浪潮以更大的勢頭發展。企業的生產執行系統（MES）和經營管理系統由于IT技術的深入而得到快速發展，ERP與其他管理信息系統幾乎進入了所有大型企業，此時系統集成包含了更大的范圍，從自動化到了信息化。這一階段，幾乎所有的世界級大型IT公司紛紛參與信息化大系統的系統集成項目，特別是軟件企業在系統集成方面做出了一系列的創新。新概念的軟件體系在信息化系統集成項目中嶄露頭角。微軟的.NET開發框架，SUN公司的J2EE系統集成應用架構，IBM的SOA（面向服務架構）成為企業信息化的IT架構方法，將企業業務彼此連接，可重復的業務任務或服務進行整合，構建在各種系統中的服務可以以一種統一和通用的方式進行交互。適合具體企業業務的大型系統集成平臺也在企業信息化與自動化深度融合中出現。

90年代初期，全球范圍內，涌現出一大批系統集成廠商。1994年，控制系統集成商聯合會（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集成事業的發展，為全世界的系統集成商服務。CSIA的研究結果表明：到21世紀初，全世界的系統集成商（公司）至少有4000多個。

CSIA定義控制系統集成商為：控制系統集成商是一個獨立的增值工程組織，它主要為工業控制系統、制造系統和工廠自動化的銷售、設計、實施、安裝、試車和技術支持做應用知識服務和技術專家支持。（“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目提供產品和系統集成服務，這些項目中通常包含過程控制、離散控制、管理監督系統、批量控制以及機器人技術和數據采集等內容。它聚焦于工業控制和信息系統、制造執行系統以及工廠自動化系統等方面。系統集成商需要具備應用知識和銷售、設計、執行、安裝、調試以及支持的方方面面專項技能。

系統集成商所做的工作，綜合了設備廠商的代理、產品的分銷商、工程的咨詢工程師以及工程承包商等所有職能。而且，它也不同于設備制造商，它對應用系統所涉及的專業知識和用戶實際需求較為熟悉，可為用戶提供較好的全面解決方案，提供對設備廠商的增值服務。

控制系統集成商根據具體工程的輸入條件，根據通用需求和專用需求制定出的需求規范，針對用戶提出的問題做出綜合解決方案。方案包括最終的項目工程設計、技術文件、硬件配置與購買、用戶軟件開發、現場儀表的接線和安裝、控制方案、軟件選擇、測試和調試。系統集成商為用戶提供的主要是系統集成的技術服務以及系統集成商的應用經驗。

軟件開發在項目中占有更重要的位置。據CSIA研究統計，一個正規的系統集成項目，“智力內容”包括，設計、計劃、管理、軟件開發、技術服務、培訓等的價值，與硬件和安裝等勞動價值之比為60:40。在系統集成項目中，系統集成商的責任是為項目選擇最好的產品和制造商。系統集成商只須選擇那些可滿足特殊要求的特殊產品。實現優化方案是第一位的原則。

系統集成商的工作是圍繞各類自動化的項目進行。工程準備階段，它為用戶提供項目的工程咨詢服務，給用戶提供類似工程中自動化系統的成功經驗和切合本項目實際需求的咨詢建議。工程伊始，他按照合同為用戶提供工程設計、工程組織、工程管理服務。系統集成商為用戶采購按照設計要求的各類硬件產品，并保證硬件設備和現場裝置的合理匹配，保證自動化系統的最佳性價比。

系統集成商的最主要任務之一是建立開放系統的集成平臺，開發適應具體工程需求的應用軟件。系統集成商不應采用專利的集成軟件平臺，而是應用成熟的軟件平臺。但是，應用軟件必須具有工程的適應性，必須包含自身的技術經驗和成功的工程范例成果。

系統集成商要負責系統集成中的關鍵問題，主要是接口問題的解決。系統集成商將指導系統的安裝和調試，系統集成商還負責系統的實測試運行期的技術保證，以及系統運行時的用戶培訓，項目的文檔建立和移交。最后，系統集成商承諾優良的質保期服務。

系統集成是應用開放系統將多廠家設備連在一起，實現應用要求的全部功能的過程；是應用共享的信息平臺接入各個子系統，為用戶實現從頂層到底層的自動化監控管理功能的工程活動。

系統集成不再是單專業自動化的工程行為，不再是自動化孤島中的系統組建，而是工程所包含的全系統的自動化和信息化的實現；是為工程項目構建的綜合自動化系統；是為工程價值鏈各階段的信息化集成而構建的系統。系統集成構建起該項目的信息共享平臺。

目前，系統集成正向全企業信息集成的全面解決方案發展，它已從控制領域向信息領域擴展，要求系統集成商對企業控制系統集成、制造過程集成，也要對企業的管理系統和信息系統集成。與此相適應，系統集成所應用的開放系統必須可以將底層設備層（現場儀表和傳感器）工廠控制層和企業管理層的各類設備聯網，實現企業主業務的智能制造，實現全企業的監控管理和信息綜合服務。在工業4.0中，明確提倡制造廠商發展為智能制造的系統集成商。制造企業發展為產品與服務的系統集成商。

2.2　工業企業信息化集成系統

工業企業信息化集成系統最早是我國863專家提出的概念。全國工業自動化系統與集成標準技術委員會（TC159）一直致力于企業信息化集成系統國家標準的制定。2010年1月，國家標委會發布了《工業企業信息化集成系統規范（Standard of Industry Enterprise Information Integration System）》（GB/T 26335-2010）并于2010年6月開始實施。

此國家標準定義了工業企業信息化集成系統：“工業企業信息化集成系統（Industrial Enterprise Informationization Integrated System）是基于計算機環境和技術，將工業企業生產自動化系統、生產管理系統與經營決策系統綜合集成，提高企業經營效率、促進企業戰略目標實現的大系統?！?/p>

標準在基本規定中特別強調了：“工業企業信息化集成系統應建成從生產自動化、生產管理到經營決策的完整系統；它將企業自動化和信息化有機地融合在一起，使工業企業核心業務系統及相關聯的業務系統有效集成，提高企業經營的效率，為實現企業戰略目標服務?！?/p>

GB/T 26335-2010給出了一般工業企業信息化集成系統的層次模型，如圖1所示，它是基于普渡模型的分層分級系統。

圖1 工業企業信息化集成系統的分層分級模型

工業企業信息化集成系統的典型架構由三級構成，它們是：H1：廠級系統（廠級包括：大、中、小型生產廠，生產基地等）；H2：公司級系統（公司級包括：跨廠級聯合企業，大型聯合生產基地等）；H3：集團公司級系統。

（1）H1廠級系統：工業企業信息化集成系統廠級系統應包括如：圖1所示L1到L5五層，它們是：L1：現場設備層；L2：生產過程控制層；L3：制造執行層；L4：經營管理層；L5：戰略決策層。通過5層的縱向集成與橫向集成實現從現場設備、生產過程控制、生產執行、指揮、經營管理及戰略決策的應用集成一體化，構成完整的廠級系統。其中，L1與L2構成企業的生產自動化基礎層，信息化集成系統核心業務的本源信息產生于此。

（2）H2公司級系統：此級系統應對分布的廠級系統進行系統集成、構建企業公司級的信息化集成系統。系統包括L3、L4、L5三層，但其結構與功能不同于H1的相應三層。通過縱向集成技術實現H2與H1的無縫接口，實現本級信息的貫通。

（3）H3集團公司級系統：集團公司級系統包括L3、L4、L5三層，但其結構與功能不同于H1和H2的相應三層。通過縱向集成技術實現級間、層間信息的貫通。

作者簡介：

魏曉東，1967年畢業于天津大學精儀系。1984~1991任安徽工業大學自動化系副教授。1991出版《分散型控制系統》（上海科技文獻出版社）。2000~2012任北京和利時系統工程公司副總工、事業部總設計師，北京地鐵13號線、深圳地鐵一期工程、廣州地鐵3號線綜合監控系統工程技術總負責人。2006、2010年出版《城市軌道交通自動化系統與技術》初版與第二版（電自工業出版社）；2010年主編國家標準《城市軌道交通綜合監控系統工程設計規范》（GB50636-2010）《城市軌道交通綜合監控系統施工與質量驗收規范》（GB/T50732-2011）；2010年主編關于兩化融合的國家標準《工業企業信息化集成系統規范》（GB/T26335-2010）。2013至今任清華同方數字城市工程中心技術專家，住建部城市軌道交通標注技術網Eu委員會委員，全國自動化系統與集成標準技術委員會委員。

摘自《自動化博覽》2017年1月刊