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。”
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。”
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。
2.3 工業企業信息化集成系統內涵
具體到工業企業之中，企業信息化集成系統是通過計算機硬件、軟件，并綜合運用現代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統工程技術，將企業生產全過程中有關人、物資、技術和經營管理三要素及其信息流、物料流與資金流有機地集成并優化運行的一個復雜大系統。其核心是集成基礎設施／集成平臺，為企業提供基礎的信息集成、應用集成、過程集成和商業集成服務。通過這些集成服務，企業不同單元的技術和系統協同運行，形成集成化的企業信息化系統，支持企業研發、生產和管理等業務活動的高效運行，實現人／組織、技術、資源和經營管理等企業要素的集成（如圖2所示）。
工業企業信息化集成系統對信息的集成以生產和制造過程緊密相關的底層信息為基礎，圍繞企業核心業務進行，它是系統的基礎與根基，這與“工業4.0”的理念一致。
信息化集成系統分為兩大部分：控制系統（或稱控制制造系統）與企業系統（或稱企業信息化系統）。信息化集成系統則是這兩大部分的綜合與集成。
圖2 信息化集成系統實現人／組織、技術、資源和經營管理等集成
2.3.1 控制（制造）系統
工業生產在其發展過程中，始終與信息技術的發展相伴隨。每一次工業革命也都伴隨一次信息技術進步。工業現場生產設備與設施、被自動控制系統控制實現自動化生產，構成了工業最基礎的工業制造過程。同時整個工業生產的科學組織、調度指揮和經營管理也逐步由計算機信息化系統實現。工業自動化與企業信息化推動著工業現代化。
從自動控制系統應用的角度來看，工業可分為兩大類：一大類是制造業，如飛機、汽車等制造工業。另一大類是過程工業，如石油、化工等。
制造業主要是將各類材料，通過生產加工線、加工成為一個個零件，零件又裝配成為部件，部件在裝配線上被裝配成機器設備。制造業的自動控制系統，要求系統能夠自動控制機械制造過程、自動控制機械裝配過程；要求嚴格控制零件的各種參數達到一定精度；要求裝配好的整機達到設計指標。這些要求通過各類數控機床、各類自動裝配線組成的系統來實現。制造業的制造過程是一個離散過程，零件一個個加工出來，部件一個個組裝起來，機器一臺臺裝配成功，與此相應的自動控制系統主要解決對這些非連續對象的控制，稱為離散控制。一般離散控制采用PLC控制系統。
另一大類是過程工業也稱為流程工業，它是將原料經管道輸送并通過物料處理裝置變為產品的工業過程，或是介質在流動過程中轉化能量生產出能源的工業過程。要保證這些工業過程的正常運行，安全穩定、源源不斷地生產出合格產品，必須對整個流程進行自動控制，此類系統稱作過程控制系統。過程控制系統進行的是對連續量的控制，稱為連續控制，連續控制采用DCS分散型控制系統。
實際的工業應用，并不是制造業和過程工業嚴格分開，許多工業企業里，甚至同一條生產線上，都可能包含了兩種類型的工業控制，涉及了DCS和PLC兩類系統。工廠里的生產控制系統的層次模型，稱為普渡模型，如圖3所示。
圖3 工廠生產控制系統層次模型
工業企業控制系統是對企業生產系統的控制，現代工業企業制造產品的過程完全是在控制系統控制下實現高效、高質量和智能化。從這個意義上講，工業企業控制（制造）系統是現代工業的最基礎系統。研究工業信息化集成系統的系統集成技術，應將生產自動化系統中的系統集成技術作為基礎來研究。
工業控制系統（以連續控制系統為例）主要分為兩個層次：現場設備（生產單元）層；自動化系統控制層。現場設備層主要有各類傳感器、變送器、執行器、促動器（actuator），它們采集工業現場各類與生產息息相關的信息傳送到控制系統，同時現場的執行器、促動器按照來自控制系統的指令推動閥門、開關和驅動設備。
自動化系統控制層主要是由對工業生產過程中各類工藝參數進行控制的控制器、工業控制網絡以及操作員站、控制層數據服務器與生產應用服務器等組成。
在制造業自動控制中所涉及的被控參數主要是機械量和運動量，主要有轉速、線速度、加速度、位移量、長度、角度、力、力矩以及相關的電壓、電流、電功率、各種電參數等。制造業自動控制系統主要控制那些運動的驅動設備：電機、線性電機、液壓馬達、液壓油缸、氣動馬達、氣動缸等及其運動轉換裝置。主要的監控點是開關量、數字輸入和數字輸出量。
過程控制的特點是必須嚴格控制原料在被處理過程中的過程參數也稱為工藝參數，只有工藝參數保證了，才能使工業過程源源不斷地生產出合格的產品。過程工業的工藝參數主要有所謂四大參數：溫度、壓力、流量和物位（液位）。不同的工業過程也還有其他不同的工藝參數。這些工藝參數大都是連續變化的，稱為模擬量，例如，溫度變化。對于模擬量的控制，從控制原理講，它與對離散量的控制有根本的不同，因此過程工業自動控制系統是以連續量控制為主的系統。
工業自動控制系統在實際運行時，必須具備特定的品質指標，通俗講，自動控制系統必須是穩定的，必須穩定地達到控制的要求值（系統的穩態值），而且必須快速地達到這一要求值，即所謂穩、準、快的要求。
工業控制系統的品質決定著工業產品的品質，工業控制系統是工業制造的靈魂。
工業控制（制造）系統隨著新工業革命的到來，必將適應智能產品的要求，適應智能生產線的需要，會發生巨大的進步與變化。
在工業革命4.0時代，基本問題依舊如上所述，但是，互聯網會直接深入到工業控制系統的現場設備層，物聯網技術改變了傳統工業控制系統的結構與模式。工業4.0CPS系統可以直接將現場設備與工業管理決策層縱向集成起來，為智能制造的實現奠定了堅實基礎。
2.3.2 企業（信息化）系統
工業企業信息化集成系統的上層是企業（信息化）系統。從企業業務運行角度來分析，企業系統由管理分系統、工程設計分系統、制造分系統、質量保證分系統以及基礎支撐設施分系統5個部分組成，如圖4所示。
圖4 企業系統的組成：五個分系統的協同運行
管理分系統：包括市場預測、經營決策、生產計劃、生產技術準備、銷售、供應、財務、成本、設備、工具和人力資源等管理功能。工程設計分系統：工程設計分系統進行產品設計和分析，工程設計自動化分系統通常包括產品設計、性能分析、工藝設計、裝配規劃、設計文檔管理等功能。制造分系統：制造分系統由數控機床、加工中心、清洗機、測量機、運輸小車、立體倉庫、多級分布式控制（管理）等制造設備及相應支持資源組成。質量保證分系統：質量保證分系統包括質量決策、質量檢測與數據采集、質量評價、控制與跟蹤等功能。質量保證分系統對從產品設計、制造、檢測到后勤服務的整個過程的質量進行監控，以達到產品的高質量、低成本、提高企業競爭力的目的。基礎支撐設施分系統：基礎支撐設施分系統是支持企業各個分系統運行的基礎環境。包括基本的廠房、通訊基礎設施、能源供應設施等。
企業信息化是指企業在生產和經營、管理和決策、研究和開發、市場和銷售等各方面全面應用信息技術，建設信息網絡與信息系統，通過對信息和知識資源的高效開發與利用，調整或重組企業組織結構與業務模式，服務企業發展目標，提高企業競爭力。企業信息化系統是支持企業經營管理大目標實現的各類計算機應用系統。企業信息化涉及到企業研發、生產、銷售、服務、決策管理等多個業務環節和多項支持技術。同時，不同企業的專業特點和管理成熟度也直接影響企業信息化系統的實施和應用工作。企業信息化系統可以歸納為入口、商業決策、運作管理、產品研制、生產控制、商務協作和集成平臺幾個層次。每一個層次包含有若干個信息系統，這些信息系統分別滿足企業業務不同方面的需要。同時，它們之間又存在內在的聯系。
企業入口層：提供企業信息化應用系統的統一訪問入口；業務決策層：包括業務智能和決策分析系統。主要目的是采用大數據、云計算，通過數據挖掘、OLAP在線分析等手段，對下層應用系統所產生的數據進行綜合分析，在決策支持系統的輔助下，為企業決策和戰略管理提供技術手段和科學依據；運作管理層：主要包括ERP/SCM/CRM。管理企業內外供應鏈及物流，以及管理計劃控制、客戶關系管理，為企業業務運作提供支持；產品研制層：包括CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM等系統，提供覆蓋產品生命周期的設計和制造技術，為企業其它業務系統提供基礎支持；生產控制層：包括MES和PCS系統，實現對制造設備、底層數據采集設備、控制設備的管理以及車間級的生產計劃與執行過程控制；商務協作層：提供協同業務工作平臺，支持企業內部（各個相關業務單元之間、企業各個分支機構之間）和企業間（企業與供應商、企業與客戶、企業與協同設計開發商之間）業務的協同工作。
經過多年的發展，國內許多公司開發了很多企業應用的單元軟件產品，信息化集成平臺為這些單元應用軟件系統的集成提供基礎支持功能，通過提供相應的標準化、規范化的集成組件，實現應用軟件系統互連的目標，并在企業進行信息化集成系統的應用實施。
企業信息化集成系統是將企業系統與控制系統集成起來的大系統。這里關鍵在于集成。一方面，是將生產系統、企業系統中分散、異構的部件聯合在一起形成一個協同的整體，從而實現更強大的功能，完成各個部分獨自不能完成的任務：另一方面通過接口將全系統的各子系統集成在一起實現綜合、協同功能實現總體最優的目的。這樣的集成是將控制系統的各層與企業系統的各層完全上下貫通，同時又將同一層次的各子系統信息橫向集成起來構成完整的信息化集成系統。在新的工業革命時代，信息化集成系統在互聯網的支持下，實現將工業控制（制造）系統與企業（信息化）的信息集成，實現智能工廠與智能生產，真正達到兩化融合的目標。
魏曉東，1967年畢業于天津大學精儀系。1984~1991年任安徽工業大學自動化系副教授。1991年出版《分散型控制系統》（上海科技文獻出版社）。2000~2012年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。
