《工业4.0与两化融合》讲座第四讲 工业4.0的系统集成技术

清华同方数字城市工程中心　魏晓东



《工业4.0与两化融合》讲座第四讲 工业4.0的系统集成技术

清华同方数字城市工程中心魏晓东

第四次工业革命改变了传统的规模性工业生产的特点，发展成为定制生产、个性化生产、小批量生产，甚至单件生产。智能制造采用了动态配置、灵活敏捷的生产方式。能够实现这一生产模式的主要原因是，构建工业4.0的CPS时通过三大集成方式：第一，价值网络的横向集成。第二，跨越整个工业企业价值链的端到端的工程数字集成。第三，纵向集成和网络（互联网）化制造系统。三大系统集成方式成为构建工业4.0的关键，本讲将对比详细阐述。

1　系统集成概述

系统集成概念由工业自动化系统开启，始于20世纪70年代末、80年代初的美国，当时，许多工业生产的大项目需要将多厂家设备综合在一个系统中，许多大企业需要实现全厂设备的综合监控和互联。但是，当时的设备系统基本上都是专利系统，通信协议多为专利协议，于是出现了一些规模不大的公司，它们是由熟悉多厂家设备的硬件和软件开发人员组成，这些公司承接综合性大项目，或受命于大企业实现全厂设备的综合监控。这些公司通常取名为某某系统集成公司。项目伊始，公司的计算机硬件和软件开发人员进入现场或企业，进行深入的调查研究，明确用户需求，针对多厂家设备进行定制开发，提出全面的解决方案，最后进行全面实施。这些开发者被叫做系统集成师（Integrator），他们所进行的工作称为系统集成。因为他们综合了全企业或大工厂里的各类设备信息进行监控管理，他们是将各个设备子系统集成在一起，做了“系统集成”的工作。

什么是系统集成？这是工程技术界一直在问的问题，但是要弄清系统集成的内涵，首先应了解什么是系统集成商。

20世纪90年代初期，全球系统集成厂家数量已成千上万。1994年，控制系统集成商联合会（CSIA：Control System Integrators Association）在北美成立。CSIA自成立以来一直致力于世界范围控制系统集成事业的发展，为全世界的系统集成商服务。

CSIA的研究结果表明：到21世纪初，全世界的系统集成商（公司）至少有4000多家，他们的规模在年收入50万美元到3千万美元。据粗略统计，北美的系统集成商有1200多家，还不包括600多家规模较小的厂家。

CSIA的成员共计有140多个，2001年他们的年平均收入为650万美元。后来以25%～30%的增长率发展。据CSIA估计，2001年全世界系统集成商总收入约为120亿美元。

控制系统集成所覆盖的领域有：自动机车；中心联合体大型工厂；楼宇自动化；纸浆和造纸；电力；钢铁；食品工业；制药和生化；石化；机器控制；水和污水处理；娱乐公园和主题公园项目；公用事业自动化系统；城市轨道交通自动化系统；其他交通自动化系统等等。一些系统集成商只做机器控制、工厂控制或过程控制，一些集成商只做SCADA项目，一些系统集成商为娱乐公园或主题公园做控制系统，也有专做企业供应链集成项目的MES和IT项目，有些较有实力的系统集成商则涉及上述的大部分领域。事实上，当时系统集成商的业务范围已经横跨自动化与信息化领域。

系统集成的工作范围如此之广，那么到底什么是系统集成，系统集成商是怎样的厂商呢？

CSIA的定义为：控制系统集成商是一个独立的增值工程组织，它主要为工业控制系统、制造系统和工厂自动化的销售、设计、实施、安装、试车和技术支持做应用知识服务和技术专家支持（“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的成员公司可以为各种项目提供产品和系统集成服务，这些项目中通常包含过程控制、离散控制、管理监督系统、批量控制以及机器人技术和数据采集等内容。它聚焦于工业控制和信息系统、制造执行系统以及工厂自动化系统等方面。系统集成商需要具备应用知识和销售、设计、执行、安装、调试以及支持方面的专项技能。

系统集成商所做的工作，不仅是设备厂商的代理，也不仅是产品的分销商，不仅是工程的咨询工程师，也不仅是工程承包商，而是综合了所有上述职能。而且，它也不同于设备制造商，它对应用系统所涉及的专业知识和用户实际需求较为熟悉，可为用户提供较好的全面解决方案，提供对设备厂商的增值服务。

控制系统集成商根据具体工程的输入条件，根据通用需求和专用需求制定出的需求规范，针对用户提出的问题做出综合解决方案。方案包括了最终的项目工程设计、技术文件、硬件配置与购买、用户软件开发、现场仪表的接线和安装、控制方案、软件选择、测试和试车。系统集成商为用户提供的主要是系统集成的技术服务以及系统集成商的应用经验。

软件开发在系统集成项目中占有更重要的位置。据CSIA研究统计，一个正规的系统集成项目，“智力内容”包括设计、计划、管理、软件开发、技术服务、培训等的价值，与硬件和安装等劳动价值之比为60:40。在国外这一比例更高，而在国内则低得多。

在系统集成项目中，系统集成商的责任是为项目选择最适合的产品和制造商。系统集成商只须选择那些可满足特殊要求的特殊产品，如果某厂家可提供更优化的方案，则选择此厂家的产品，别无其它标准。按上述原则在此项目选择此厂家产品，在彼项目则选另一厂家产品，实现优化方案是第一位的原则。

系统集成商的工作是围绕各类自动化项目进行的。工程准备阶段，它为用户提供项目的工程咨询服务，给用户提供类似工程中自动化系统的成功经验和切合本项目实际需求的咨询建议。工程伊始，他按照合同为用户提供工程设计、工程组织、工程管理服务。

系统集成商为用户采购按照设计要求的各类硬件产品，并保证硬件设备和现场装置的合理匹配，保证自动化系统的最佳性能价格比。

系统集成商的最主要任务之一是建立开放系统的集成平台，开发适应具体工程需求的应用软件。系统集成商不应采用专利的集成软件平台，而应采用成熟的软件平台。但是，应用软件必须具有工程的适应性，必须包含了自身的技术经验和成功的工程范例成果。

系统集成商要负责的系统集成中关键问题主要是接口问题的解决。系统集成商将指导系统的安装和调试，还负责系统的试车，试运行期的技术保证。系统集成商也要负责系统运行时的用户培训，项目的文档建立和移交。最后，系统集成商承诺优良的质保期服务。

从以上系统集成商的全部活动中可看出系统集成的意义。系统集成本质上是系统集成商应用自身的经验，设计、构建一个适于具体工程要求的集成开放系统的全过程。此过程的完成需要具备两个基本条件：

（1）构建的自动化系统必须是开放系统，必须可无缝接入工程要求接入的各个子系统。应该是硬件与软件体系都进行了优化的系统，应该是可靠性、响应性和功能实现都满足工程要求的系统。

（2）系统集成是一个从工程咨询开始直到系统试车、质保期技术服务的全过程活动，其中的关键是对子系统的无缝接入和系统集成商经验应用并按照新工程条件的创新。

系统集成是应用开放系统将多厂家设备连在一起，实现应用要求的全部功能的过程；是应用共享的信息平台接入各个子系统，为用户实现从顶层到底层的自动化监控管理功能的工程活动。

系统集成不再是单专业自动化的工程行为，不再是自动化孤岛中的系统组建，而是工程所包含的全系统的自动化和信息化的实现；是为工程项目构建综合自动化系统，是为工程价值链各阶段的信息化集成。系统集成构建的是项目的信息共享平台。

从20世纪70年代末起，经过80年代直到90年代，工业自动化系统从单厂家设备的DCS、PLC专利系统，向多厂家设备集成，向以DCS、PLC、SCADA系统为基础的开放系统发展。这一阶段，工业PC机、嵌入式计算机、DCS技术迅速发展，特别是PLC 和PLC系统发展得更为迅猛。PLC系统开始取代早先的远程数据采集系统和遥测系统。在许多大项目中，以PLC为基础的SCADA系统采用系统集成构建的大型开放系统取代了专利的DCS以及早期的DDC（Direct Digital Control System）系统。

这一时期，工业应用系统的规模愈来愈大，要求与之相应的自动化系统的规模也愈来愈大。要求系统容纳更多厂家的设备，要求系统结构更加开放以接入各种设备及其网络。工业PC加上HMI软件及PLC系统，发展成为开放系统的主要结构。

这一阶段，适应技术发展和需求变化，一些著名的DCS和PLC厂商开始做系统集成项目，进行开放系统的研究和制造，他们或成立了强大的系统集成分部，或与更大的厂商兼并、联合，组成规模较大的自动化公司。90年代初，世界上许多大型仪表公司，如Bailey、Rosemount、Fisher&Porter 和Foxboro，由于系统集成浪潮的推动，并入了更大的公司。连仪表巨头Honeywell也几乎被兼并。

随着IT技术的发展，企业信息化浪潮以更大的势头发展。企业的生产执行系统（MES）和经营管理系统由于IT技术的深入飞速发展起来。ERP与其他管理信息系统进入了几乎所有的大型工业企业。此时系统集成进入了更大的范围，从自动化到了信息化阶段。这一阶段，几乎所有的世界级大型IT公司纷纷参与信息化大系统的系统集成项目，特别是软件企业在系统集成方面作出了一系列的创新。

新概念的软件体系在信息化系统集成项目中崭露头角。微软的.NET开发框架，SUN公司的J2EE系统集成应用架构，IBM 的SOA（面向服务架构）成为企业信息化的 IT 架构方法，将企业业务彼此链接，可重复的业务任务或服务进行整合，构建在各种系统中的服务可以以一种统一和通用的方式进行交互。适合具体企业业务的大型系统集成平台也在企业信息化与自动化深度融合中出现。

在两化深度融合的信息化浪潮中，在工业4.0引领新工业革命前进中，系统集成技术成为关键环节，只有工业信息化集成系统的信息实现了集成化，才有可能实现全系统的智能功能，才能使智能工厂、智能生产线与智能制造成为可能。

2　价值网络的横向集成

工业4.0中提出的第一个系统集成技术就是价值网络的横向集成，它是指将应用于不同制造阶段的各种IT系统和企业计划过程集成在一起，这些过程涉及一个公司（例如：进入物流、生产、外出物流、市场）和几个不同公司之间（价值网络）的原材料、能源和信息的交换。为了实现某一智能产品的生产，也许需要世界范围的资源配置，需要分布在全球的公用机器设备。生产智能产品的价值网络连接产品所需的自动化系统制造出目标产品来，价值网络横向地集成了各个智能工厂的相关信息为智能制造服务。在互联网的背景下，价值网络横向集成的范围将是世界范围的。

那些IT系统和企业计划过程也许是跨洲的，越洋的，分布在互联网所在的任何地方。价值网络所连的公司也可能分布在互联网所在的任何地方。CPS价值网络的横向集成是在世界范围网络制造的成功经验基础上（如A380飞机的制造），在IoT和IoS的支持下实现的新的互联网网络制造。其机理如图1所示。

价值网络也包含了所连接的实体间的商业价值链。横向集成也包含了以下需要解决的问题：

•商业模式；

•不同公司间的合作形式；

•商业活动的持续发展；

•价值链链接的公司间的商业秘密保护；

•标准化策略；

•中长期的职工培训计划等。

在工厂一级，横向集成包含了更为具体的系统集成内容：通过横向集成，使同一层的数据和信息共享，使业务和供应链集成，使不同业务模块的相关活动自动触发，使平台上的各业务子系统的信息互通、资源共享，保证了智能工厂里动态生产配置的实现。

工业4.0的横向集成范围十分广泛，将会在实践中不断创新。

图1　价值网络横向集成

工业互联网技术是工业4.0的横向集成技术赖以实现的基础，如图2所示，它可以将分布在全球范围内 的智能工厂、公用设备、设计专家、生产诀窍、专用设备或机器人，通过特定的CPS集成起来，生产出特定的智能产品。在全球范围内动态配置各类资源组成智能产品的智能生产线。智能工厂、公用设备、设计专家、生产诀窍、专用设备或机器人的相关信息被横向集成在一起为智能产品的生产服务。

图2　工业4.0的横向集成在全球范围进行

3　跨越整个价值链的端到端工程数字集成

如图3所示，跨越整个价值链的端到端工程数字集成是指：跨越工业企业整个价值链的工程过程各阶段（设计和开发、生产计划、生产工程、产品和服务）的端到端的数字信息集成。这里强调的是各生产阶段的终端设备的集成。一个产品生产的工程过程分为不同阶段，在CPS支持下，它们的数字信息可以被集成在一起，从而实现智能化制造。产品行进的每一步都有相应的信息被综合到CPS中，也可以使产品在每一个阶段受到信息控制甚至做出改变。

智能产品的生产过程包括：设计和开发、生产计划、生产工程、产品和服务五个阶段。每个阶段都会有相应的数字终端设备支持，这些终端的数字信息，通过接口进入CPS系统中被集成在一起，进入了生产工程数据库或生产云。于是各阶段的数字信息在数据库中融合、交互，生产工程实现了端到端的数字集成。

在跨越整个价值链的端到端工程数字集成中有一个非常重要的技术概念就是：端到端的实时透明。如上所述，当生产过程各阶段的设备终端被实时数据库相连，那么，这些终端也就实现了实时透明。端到端的信息交互变得既实时又直接，从而端与端透明贯通。显然，实现实时透明的关键技术是数据库技术与接口技术，是大数据的融合技术。端到端实时透明也意味着生产全过程信息的共享与实时应用，这样就支持了智能产品动态地出现在任何生产设备前，都可以立即得到设备终端的智能人机界面的支持，可被进行应有的生产处理或加工。相应的生产线上的设备终端都同时得到了支持此产品生产的信息及功能画面。跨越整个价值链的端到端工程数字集成成为实现智能生产，生产智能产品的技术基础。

图3　跨越整个价值链的端到端工程数字集成

4　纵向集成

纵向集成和网络（互联网）化制造系统是指：将不同层级的IT系统集成在一起（如执行器与传感器层、控制层、生产管理层、制造和执行层及企业计划层）以便实现端到端的解决方案。

纵向集成是在工厂进行。在将来的智能化工厂里，制造业结构不会固定或被先期限定，而是根据个性化需求定制的一组IT结构化模块，根据不同情况下产品生产的需要自动搭建出特定的结构——包括模型、数据、通讯和算法等所有相关需求。

实现纵向集成，确保不同层次的设备和装置的信息传输到经营管理层与战略决策层，同时，顶层的信息也可贯通到底层。不同层级的信息通过纵向集成而融合在一起，并支持工艺过程端对端的数据集成。

工业4.0纵向集成强调网络化制造。制造系统各层次的生产应用模块按照纵向集成要求重新组合或重用，通过资源配置（如机器、工作、物流等）和其间相互作用关系（如原料周转）完成制造业系统调配组合，生产出智能产品。

工业4.0纵向集成通过企业内的网络与物联网与务联网，将企业各层级的制造信息集成在一起，最终实现终端的集成。如图4所示，面向操作员终端的人机界面显示了被集成起来进行网络制造的智能生产线及智能生产设备的模型、数据、通讯和算法等所有相关信息，同时也提供需要操作员操作的界面。

图4　纵向集成完成制造业系统调配组合

通过互联网将遍布全球的公司按照价值链横向集成在一起；在每个工厂里生产制造工程的各环节实现了端到端的实时透明，信息按照价值链被集成；工厂或公司的信息化集成系统的各层级实现纵向集成进行着网络制造。工业4.0三种系统集成方式构建起了新工业革命的CPS系统。价值网络的横向集成；跨越整个价值链的端到端工程数字集成；纵向集成和网络（互联网）化制造系统是工业4.0的新的系统集成理念，它启示我们在实现工业4.0时，实质上是进行更大范围的系统集成，制造业企业要转变为现代系统集成商。我国的制造商一定要适应时代潮流尽快地转变为信息化集成系统的系统集成商。

当前，我国的一些大中企业在实现企业信息化过程中已经取得了部分横向集成与纵向集成的成功经验，他们通过横向集成将企业内原本是信息孤岛的各业务子系统在同一信息平台上集成起来。他们将企业自动化系统的各层级纵向打通，使企业的生产信息及相关信息集成在MES平台或经营管理平台上。这些成果对实现中国工业4.0的横向集成与纵向集成是十分有利的，对构建中国工业4.0 CPS系统是十分有利的。

5　信息化集成系统内的系统集成

中国工业信息化之路自从找到了两化融合的方向之后，步入了第四次工业革命的正轨。构建工业企业信息化集成系统成为新工业革命的切入点，而工业信息化集成系统的建设又是通过系统集成的方法进行的。信息化集成系统的系统集成如何进行呢？在GB/T 26335-2010《工业企业信息化集成系统规范》中指出：“工业企业信息化集成系统对信息的集成应以生产和制造过程紧密相关的底层信息为基础，围绕企业核心业务进行。企业信息化集成系统应对企业信息进行纵向集成与横向集成，消除业务系统信息孤岛，促进自动化与信息化的融合。”规范第一次提出了横向集成与纵向集成的理念，指出了构建信息化集成系统的正确路线。

规范定义了两种系统集成：

纵向集成（Vertical Integration）：构建企业信息化集成系统时，企业内部不同层、级间的相关信息互联互通的计算机技术实现。

横向集成（Transversal Integration）：构建企业信息化集成系统时，企业内同层的各类信息交互与融合的计算机技术实现。

（1）纵向集成

构建信息化集成系统，如第三讲中图3～图5所示，H1、H2、H3各级间和L1、L2、L3、L4、L5各层间的无缝接口通过纵向集成实现。按照国际与国内的相关标准，做好这些级、层的接口开发与管理，将各应用层级集成为信息上下贯通的满足性能要求的计算机集成系统。

纵向信息集成主要是对各层级间相关数据的采集、处理、通信、转换，对信息的存储、表达；实现信息交换，流程调度以及共享服务，使集成系统的各层级信息安全有机地融合。

纵向信息集成应保证底层数据按系统功能要求上传，保证各层的信息交换与共享平台提供对下层信息接入机制，并以标准的、可扩展的方式通过接口进行访问，实现应用需求功能。同时保证高层信息及时、准确下达。纵向信息集成应保证信息的标准化、可靠性、数据独立性与兼容性，应采用标准的接口模块。

（2）横向集成

构建信息化集成系统，如第三讲中图3～图5所示，应在H1的L2层，在H1、H2、H3的L3层，在H1、H2、H3的L4层分别构建信息交换与共享平台。L2信息交换与共享平台也称为生产（制造）过程的综合监控平台，各级L3信息交换平台也称为生产执行调度平台，各级L4信息交换平台也称为经营管理平台。

信息横向集成在各自信息交换与共享平台上进行。信息的横向集成主要包括数据的接收、数据转换、数据封装、数据通信、报文发送、报文格式定义与管理、信息源管理访问、信息报警服务、交换平台服务管理等等。

通过横向集成，使同一层的数据和信息共享，使业务和供应链集成，使不同业务模块的相关活动自动触发，使平台上的各业务子系统的信息互通、资源共享。

构建信息化集成系统无论是纵向集成还是横向集成，应在系统内信息交换与共享平台基础上建立信息交换的标准，严格保证信息格式的一致性以及信息转换的标准化。保证信息的可靠性、数据独立性与兼容性。

这里对信息化集成系统的系统集成技术做了简单的概述。以一个煤炭企业为例说明工业企业信息化集成系统的纵向集成与横向集成关系。

H1厂级系统是煤矿、洗煤场等生产单元级。H1级的L1现场设备层通过L2过程控制层的综合自动化系统与L3生产执行层实现管控一体化，进行纵向集成。

H1厂级的生产监控系统与H2公司级生产调度执行系统、H3集团公司级生产调度指挥系统通过每级的L3层进行纵向集成。H1、H2与H3的L4层的经营管理系统纵向集成起来，每级的经营管理层又将经营管理各子系统信息横向集成起来。H1、H2与H3 的L5决策支持层也存在着纵向集成关系。各层之间的纵向与横向关系如图5所示。通过信息化集成系统可以实现煤炭企业以安全生产为核心、财务业务一体化的企业经营管理目标。

无论横向集成还是纵向集成，都是围绕企业生产活动进行，如图5所示，集团级（H3）的生产调度指挥，局级（H2）的生产调度执行，厂级（H1）的生产监控被纵向集成构成整个煤炭企业的生产运行和管理的信息化集成纵向系统。

图5　纵向集成与横向集成关系

图6　企业经营管理层横向信息集成关系

煤炭企业信息化集成系统在经营管理层的横向集成关系如图6所示。企业经营管理将管理层的各子系统：资源勘探、规划建设、生产准备、物资管理、设备管理、财务管理、人力资源、运输销售和生产调度横向集成在一起，建立起集团级企业经营管理的大系统。