城市轨道交通标准技术委员会魏晓东

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。

从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、嵌入式计算机和DCS技术的发展，特别是PLC和PLC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DDC（Direct 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，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（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、现场仪表的接线和安装、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（现场仪表和传感器）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。2010年1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2010年6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。

图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。

（1）H1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L1到L5五层，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，L1与L2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。

（2）H2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L3、L4、L5三层，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H2与H1的无缝接口，实现本级信息的贯通。

（3）H3集团公司级系统：集团公司级系统包括L3、L4、L5三层，但其结构与功能不同于H1和H2的相应三层。通过纵向集成技术实现级间、层间信息的贯通。

作者简介：

魏晓东，1967年毕业于天津大学精仪系。1984~1991任安徽工业大学自动化系副教授。1991出版《分散型控制系统》（上海科技文献出版社）。2000~2012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。2006、2010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。

摘自《自动化博览》2017年1月刊