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专题论述

工业企业系统集成技术与信息化集成系统
信息来源:摘自《自动化博览》2017年1月刊 上传日期:2017-06-26 点击率:1086次

1 开篇

以工业4.0为纲领的新工业革命正在促进我国工业企业信息化沿两化融合方向深入发展。两化融合是信息化和工业化高层次的深度结合,是指以信息化带动工业化、以工业化促进信息化,走新型工业化道路;两化融合的核心是信息化支撑,追求可持续发展模式。两化融合落地到企业之中实质上就是要通过系统集成在工业企业构建起信息化集成系统,支持构建智能工厂、实现智能生产,实现智能制造。工业企业两化融合的关键就是系统集成技术。

本讲座将系统集成技术的由来与发展作为第一讲,介绍系统集成概念,阐述采用系统集成技术构建的两化融合的大系统——工业企业信息化集成系统的层次结构以及对其进行的信息集成工作的内涵。

按照工业4.0的要求,工业企业需要实现四个智能化,即:智能工业品、智能生产线、智能工厂和智能制造。但是,实现这一目标必须做脚踏实地的工作,必须为工业企业构建起一个从战略决策到工业现场的实实在在的系统,由这个系统来实现智能制造的目标,这个系统就是信息化集成系统。怎么样构建这样的大系统,必须通过系统集成技术将系统的各层次的信息集成起来为智能制造服务,实现四个智能化。概而言之,实现智能制造第一是信息化集成大系统,第二是构建此系统的系统集成技术,缺一不可。

系统集成技术包含了四大要素,它们是:(1)应用需求分析。(2)开放系统。(3)接口技术。(4)系统集成工业网络。此四个方面分别在第二讲、第三讲、第四讲与第五讲中详加说明。

应用需求分析:无论是构建信息化集成系统本身还是开发出开放的软件平台,必须将应用需求分析清楚。这是建设系统的第一步也是最重要的一步。

开放系统:开放系统是信息化集成系统的基本属性,它必须具有宽广的胸怀以容纳工业企业方方面面的业务需求。必须建设一个开放的软件平台,能对各种应用需求进行适应性开发,使得系统可支持智能制造的各种要求。

接口技术:按照应用需求构建的大系统及其软件平台必须能够接入多厂家设备,能够无缝接入各类子系统使得信息化集成系统有能力完成智能制造的任务。此中接口技术成为最为关键的保证。

系统集成工业网络:工业企业信息化集成系统的结构本质上是其网络结构。信息化集成系统各层级是靠最先进网络的全连接成为有机整体的。

工业企业在新工业革命的背景下,满足最终用户应用需求,建设起一个开放的系统,应用接口技术接入各类子系统与多厂家设备,通过工业网络将系统各层级连接为一个整体,从而有效地实现智能制造的根本任务。此为本讲座的核心思想体系。

第六讲将简介系统集成技术的应用,作为系统集成技术应用的抛砖引玉的案例。

2 系统集成技术与信息化集成系统

2.1 系统集成概念

系统集成概念由工业自动化系统开启,始于70年代末、80年代初的美国,当时,许多工业生产的计算机应用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。这些公司取名为某某系统集成公司,雇员一般几十人到一、二百人。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,提出完善的解决方案,最后全面实施,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,构建起企业以计算机为基础的生产制造与企业管理系统,做了系统集成的工作。

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DCSPLC专利系统,向多厂家设备集成,向以DCSPLCSCADA系统为基础的开放系统发展。这一阶段,工业PC机、嵌入式计算机和DCS技术的发展,特别是PLCPLC系统得到了迅猛发展。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,建成了以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60年代、70年代的DDCDirect Digital Control System)系统;系统集成技术应用愈来愈广泛。

这一时期,工业应用系统的规模日趋庞大,要求与之相应的自动化系统的规模也越来越大。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软件加PLC系统,发展成为系统集成开放系统的主要结构。

这一阶段,适应技术发展和需求变化,原来著名的DCSPLC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系统集成公司。

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技术的深入而得到快速发展,ERP与其他管理信息系统几乎进入了所有大型企业,此时系统集成包含了更大的范围,从自动化到了信息化。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做出了一系列的创新。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,IBMSOA(面向服务架构)成为企业信息化的IT架构方法,将企业业务彼此连接,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。

90年代初期,全球范围内,涌现出一大批系统集成厂商。1994年,控制系统集成商联合会(CSIAControl 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多个。

CSIA定义控制系统集成商为: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、调试以及支持的方方面面专项技能。

系统集成商所做的工作,综合了设备厂商的代理、产品的分销商、工程的咨询工程师以及工程承包商等所有职能。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、现场明仕亚洲娱乐的接线和安装、控制方案、软件选择、测试和调试。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。在系统集成项目中,系统集成商的责任是为项目选择最好的产品和制造商。系统集成商只须选择那些可满足特殊要求的特殊产品。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的项目进行。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价比。

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,而是应用成熟的软件平台。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。

系统集成商要负责系统集成中的关键问题,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,系统集成商还负责系统的实测试运行期的技术保证,以及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。

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;是为工程项目构建的综合自动化系统;是为工程价值链各阶段的信息化集成而构建的系统。系统集成构建起该项目的信息共享平台。

目前,系统集成正向全企业信息集成的全面解决方案发展,它已从控制领域向信息领域扩展,要求系统集成商对企业控制系统集成、制造过程集成,也要对企业的管理系统和信息系统集成。与此相适应,系统集成所应用的开放系统必须可以将底层设备层(现场明仕亚洲娱乐和传感器)工厂控制层和企业管理层的各类设备联网,实现企业主业务的智能制造,实现全企业的监控管理和信息综合服务。在工业4.0中,明确提倡制造厂商发展为智能制造的系统集成商。制造企业发展为产品与服务的系统集成商。

2.2 工业企业信息化集成系统

工业企业信息化集成系统最早是我国863专家提出的概念。全国工业自动化系统与集成标准技术委员会(TC159)一直致力于企业信息化集成系统国家标准的制定。20101月,国家标委会发布了《工业企业信息化集成系统规范(Standard of Industry Enterprise Information Integration System)》(GB/T 26335-2010)并于20106月开始实施。

此国家标准定义了工业企业信息化集成系统:工业企业信息化集成系统(Industrial Enterprise Informationization Integrated System)是基于计算机环境和技术,将工业企业生产自动化系统、生产管理系统与经营决策系统综合集成,提高企业经营效率、促进企业战略目标实现的大系统。

标准在基本规定中特别强调了:工业企业信息化集成系统应建成从生产自动化、生产管理到经营决策的完整系统;它将企业自动化和信息化有机地融合在一起,使工业企业核心业务系统及相关联的业务系统有效集成,提高企业经营的效率,为实现企业战略目标服务。

GB/T 26335-2010给出了一般工业企业信息化集成系统的层次模型,如图1所示,它是基于普渡模型的分层分级系统。

1 工业企业信息化集成系统的分层分级模型

工业企业信息化集成系统的典型架构由三级构成,它们是:H1:厂级系统(厂级包括:大、中、小型生产厂,生产基地等);H2:公司级系统(公司级包括:跨厂级联合企业,大型联合生产基地等);H3:集团公司级系统。

1H1厂级系统:工业企业信息化集成系统厂级系统应包括如:图1所示L1L5五层,它们是:L1:现场设备层;L2:生产过程控制层;L3:制造执行层;L4:经营管理层;L5:战略决策层。通过5层的纵向集成与横向集成实现从现场设备、生产过程控制、生产执行、指挥、经营管理及战略决策的应用集成一体化,构成完整的厂级系统。其中,L1L2构成企业的生产自动化基础层,信息化集成系统核心业务的本源信息产生于此。

2H2公司级系统:此级系统应对分布的厂级系统进行系统集成、构建企业公司级的信息化集成系统。系统包括L3L4L5三层,但其结构与功能不同于H1的相应三层。通过纵向集成技术实现H2H1的无缝接口,实现本级信息的贯通。

3H3集团公司级系统:集团公司级系统包括L3L4L5三层,但其结构与功能不同于H1H2的相应三层。通过纵向集成技术实现级间、层间信息的贯通。

2.3 工业企业信息化集成系统内涵

具体到工业企业之中,企业信息化集成系统是通过计算机硬件、软件,并综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术,将企业生产全过程中有关人、物资、技术和经营管理三要素及其信息流、物料流与资金流有机地集成并优化运行的一个复杂大系统。其核心是集成基础设施/集成平台,为企业提供基础的信息集成、应用集成、过程集成和商业集成服务。通过这些集成服务,企业不同单元的技术和系统协同运行,形成集成化的企业信息化系统,支持企业研发、生产和管理等业务活动的高效运行,实现人/组织、技术、资源和经营管理等企业要素的集成(如图2所示)。

工业企业信息化集成系统对信息的集成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,它是系统的基础与根基,这与工业4.0”的理念一致。

信息化集成系统分为两大部分:控制系统(或称控制制造系统)与企业系统(或称企业信息化系统)。信息化集成系统则是这两大部分的综合与集成。


2 信息化集成系统实现人/组织、技术、资源和经营管理等集成

2.3.1 控制(制造)系统

工业生产在其发展过程中,始终与信息技术的发展相伴随。每一次工业革命也都伴随一次信息技术进步。工业现场生产设备与设施、被自动控制系统控制实现自动化生产,构成了工业最基础的工业制造过程。同时整个工业生产的科学组织、调度指挥和经营管理也逐步由计算机信息化系统实现。工业自动化与企业信息化推动着工业现代化。

从自动控制系统应用的角度来看,工业可分为两大类:一大类是制造业,如飞机、汽车等制造工业。另一大类是过程工业,如石油、化工等。

制造业主要是将各类材料,通过生产加工线、加工成为一个个零件,零件又装配成为部件,部件在装配线上被装配成机器设备。制造业的自动控制系统,要求系统能够自动控制机械制造过程、自动控制机械装配过程;要求严格控制零件的各种参数达到一定精度;要求装配好的整机达到设计指标。这些要求通过各类数控机床、各类自动装配线组成的系统来实现。制造业的制造过程是一个离散过程,零件一个个加工出来,部件一个个组装起来,机器一台台装配成功,与此相应的自动控制系统主要解决对这些非连续对象的控制,称为离散控制。一般离散控制采用PLC控制系统。

另一大类是过程工业也称为流程工业,它是将原料经管道输送并通过物料处理装置变为产品的工业过程,或是介质在流动过程中转化能量生产出能源的工业过程。要保证这些工业过程的正常运行,安全稳定、源源不断地生产出合格产品,必须对整个流程进行自动控制,此类系统称作过程控制系统。过程控制系统进行的是对连续量的控制,称为连续控制,连续控制采用DCS分散型控制系统。

实际的工业应用,并不是制造业和过程工业严格分开,许多工业企业里,甚至同一条生产线上,都可能包含了两种类型的工业控制,涉及了DCSPLC两类系统。工厂里的生产控制系统的层次模型,称为普渡模型,如图3所示。


3 工厂生产控制系统层次模型

工业企业控制系统是对企业生产系统的控制,现代工业企业制造产品的过程完全是在控制系统控制下实现高效、高质量和智能化。从这个意义上讲,工业企业控制(制造)系统是现代工业的最基础系统。研究工业信息化集成系统的系统集成技术,应将生产自动化系统中的系统集成技术作为基础来研究。

工业控制系统(以连续控制系统为例)主要分为两个层次:现场设备(生产单元)层;自动化系统控制层。现场设备层主要有各类传感器、变送器、执行器、促动器(actuator),它们采集工业现场各类与生产息息相关的信息传送到控制系统,同时现场的执行器、促动器按照来自控制系统的指令推动阀门、开关和驱动设备。

自动化系统控制层主要是由对工业生产过程中各类工艺参数进行控制的控制器、工业控制网络以及操作员站、控制层数据服务器与生产应用服务器等组成。

在制造业自动控制中所涉及的被控参数主要是机械量和运动量,主要有转速、线速度、加速度、位移量、长度、角度、力、力矩以及相关的电压、电流、电功率、各种电参数等。制造业自动控制系统主要控制那些运动的驱动设备:电机、线性电机、液压马达、液压油缸、气动马达、气动缸等及其运动转换装置。主要的监控点是开关量、数字输入和数字输出量。

过程控制的特点是必须严格控制原料在被处理过程中的过程参数也称为工艺参数,只有工艺参数保证了,才能使工业过程源源不断地生产出合格的产品。过程工业的工艺参数主要有所谓四大参数:温度、压力、流量和物位(液位)。不同的工业过程也还有其他不同的工艺参数。这些工艺参数大都是连续变化的,称为模拟量,例如,温度变化。对于模拟量的控制,从控制原理讲,它与对离散量的控制有根本的不同,因此过程工业自动控制系统是以连续量控制为主的系统。

工业自动控制系统在实际运行时,必须具备特定的品质指标,通俗讲,自动控制系统必须是稳定的,必须稳定地达到控制的要求值(系统的稳态值),而且必须快速地达到这一要求值,即所谓稳、准、快的要求。

工业控制系统的品质决定着工业产品的品质,工业控制系统是工业制造的灵魂。

工业控制(制造)系统随着新工业革命的到来,必将适应智能产品的要求,适应智能生产线的需要,会发生巨大的进步与变化。

在工业革命4.0时代,基本问题依旧如上所述,但是,互联网会直接深入到工业控制系统的现场设备层,物联网技术改变了传统工业控制系统的结构与模式。工业4.0CPS系统可以直接将现场设备与工业管理决策层纵向集成起来,为智能制造的实现奠定了坚实基础。

2.3.2 企业(信息化)系统

工业企业信息化集成系统的上层是企业(信息化)系统。从企业业务运行角度来分析,企业系统由管理分系统、工程设计分系统、制造分系统、质量保证分系统以及基础支撑设施分系统5个部分组成,如图4所示。

4 企业系统的组成:五个分系统的协同运行

管理分系统:包括市场预测、经营决策、生产计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、设备、工具和人力资源等管理功能。工程设计分系统:工程设计分系统进行产品设计和分析,工程设计自动化分系统通常包括产品设计、性能分析、工艺设计、装配规划、设计文档管理等功能。制造分系统:制造分系统由数控机床、加工中心、清洗机、测量机、运输小车、立体仓库、多级分布式控制(管理)等制造设备及相应支持资源组成。质量保证分系统:质量保证分系统包括质量决策、质量检测与数据采集、质量评价、控制与跟踪等功能。质量保证分系统对从产品设计、制造、检测到后勤服务的整个过程的质量进行监控,以达到产品的高质量、低成本、提高企业竞争力的目的。基础支撑设施分系统:基础支撑设施分系统是支持企业各个分系统运行的基础环境。包括基本的厂房、通讯基础设施、能源供应设施等。

企业信息化是指企业在生产和经营、管理和决策、研究和开发、市场和销售等各方面全面应用信息技术,建设信息网络与信息系统,通过对信息和知识资源的高效开发与利用,调整或重组企业组织结构与业务模式,服务企业发展目标,提高企业竞争力。企业信息化系统是支持企业经营管理大目标实现的各类计算机应用系统。企业信息化涉及到企业研发、生产、销售、服务、决策管理等多个业务环节和多项支持技术。同时,不同企业的专业特点和管理成熟度也直接影响企业信息化系统的实施和应用工作。企业信息化系统可以归纳为入口、商业决策、运作管理、产品研制、生产控制、商务协作和集成平台几个层次。每一个层次包含有若干个信息系统,这些信息系统分别满足企业业务不同方面的需要。同时,它们之间又存在内在的联系。

企业入口层:提供企业信息化应用系统的统一访问入口;业务决策层:包括业务智能和决策分析系统。主要目的是采用大数据、云计算,通过数据挖掘、OLAP在线分析等手段,对下层应用系统所产生的数据进行综合分析,在决策支持系统的辅助下,为企业决策和战略管理提供技术手段和科学依据;运作管理层:主要包括ERP/SCM/CRM。管理企业内外供应链及物流,以及管理计划控制、客户关系管理,为企业业务运作提供支持;产品研制层:包括CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM等系统,提供覆盖产品生命周期的设计和制造技术,为企业其它业务系统提供基础支持;生产控制层:包括MESPCS系统,实现对制造设备、底层数据采集设备、控制设备的管理以及车间级的生产计划与执行过程控制;商务协作层:提供协同业务工作平台,支持企业内部(各个相关业务单元之间、企业各个分支机构之间)和企业间(企业与供应商、企业与客户、企业与协同设计开发商之间)业务的协同工作。

经过多年的发展,国内许多公司开发了很多企业应用的单元软件产品,信息化集成平台为这些单元应用软件系统的集成提供基础支持功能,通过提供相应的标准化、规范化的集成组件,实现应用软件系统互连的目标,并在企业进行信息化集成系统的应用实施。

企业信息化集成系统是将企业系统与控制系统集成起来的大系统。这里关键在于集成。一方面,是将生产系统、企业系统中分散、异构的部件联合在一起形成一个协同的整体,从而实现更强大的功能,完成各个部分独自不能完成的任务:另一方面通过接口将全系统的各子系统集成在一起实现综合、协同功能实现总体最优的目的。这样的集成是将控制系统的各层与企业系统的各层完全上下贯通,同时又将同一层次的各子系统信息横向集成起来构成完整的信息化集成系统。在新的工业革命时代,信息化集成系统在互联网的支持下,实现将工业控制(制造)系统与企业(信息化)的信息集成,实现智能工厂与智能生产,真正达到两化融合的目标。


魏晓东1967年毕业于天津大学精仪系。1984~1991年任安徽工业大学自动化系副教授。1991年出版《分散型控制系统》(上海科技文献出版社)。2000~2012年任北京和利时系统工程公司副总工、事业部总设计师,北京地铁13号线、深圳地铁一期工程、广州地铁3号线综合监控系统工程技术总负责人。20062010年出版《城市轨道交通自动化系统与技术》初版与第二版(电自工业出版社);2010年主编国家标准《城市轨道交通综合监控系统工程设计规范》(GB50636-2010)《城市轨道交通综合监控系统施工与质量验收规范》(GB/T50732-2011);2010年主编关于两化融合的国家标准《工业企业信息化集成系统规范》(GB/T26335-2010)。2013至今任清华同方数字城市工程中心技术专家,住建部城市轨道交通标注技术网Eu委员会委员,全国自动化系统与集成标准技术委员会委员。
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