《工業4.0與兩化融合》講座

清華同方數字城市工程中心 魏曉東

《工業4.0與兩化融合》講座

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第三講 工業4.0與兩化融合

1 我國工業信息化的發展方略——信息化與工業化融合

我國工業進入第三次革命應在改革開放以后，可追溯到20世紀80年代初期，從國家大力推動電子信息技術應用開始。1986年3月，我國啟動了國家高新技術研究發展計劃，即“863”計劃。該計劃投資100億元，其中，IT相關項目的投資約占投資總額的三分之二。至此，我國信息化建設推向了高潮，IT技術滲透到機械化與電氣化之中。

經歷了“八五”、“九五”、“十五”、“十一五”和“十二五”信息化規劃，信息化開始與工業化齊頭并進，融合發展。近年提出的工業化與信息化兩化深度融合的工業發展方針是我國信息化與工業化經歷了近二十多年的發展，幾經挫折找到的一條正確發展道路，恰與德國工業4.0如出一轍，引領中國工業進入第四次革命。

兩化融合是信息化和工業化的高層次的深度結合，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；兩化融合的核心就是信息化支撐，追求可持續發展模式。兩化融合是電子信息技術廣泛應用到工業生產的各個環節，信息化成為工業企業經營管理的常規手段。信息化進程和工業化進程不再相互獨立進行，不再是單方的帶動和促進關系，而是兩者在技術、產品、管理等各個層面相互交融，彼此不可分割，并催生工業電子、工業軟件、工業信息服務業等新產業。兩化融合是工業化和信息化發展到一定階段的必然產物。信息化與工業化兩化融合包括技術融合、產品融合、業務融合、產業衍生四個方面。

2 工業企業信息化集成系統

兩化融合落地到企業之中實質上就是要在工業企業構建起信息化集成系統。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年元月，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。”同時提出：“工業企業信息化集成系統對信息的集成應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。企業信息化集成系統應對企業信息進行縱向集成與橫向集成，消除業務系統信息孤島，促進自動化與信息化融合。”

信息化集成系統將自動化技術、信息化技術滲透到工業生產過程的每一個層次，每一個環節；工業制造過程的各層次的信息又被集成起來為企業的根本目標服務；產品工廠的所有設備由工業企業的自動化系統和信息化系統監控管理；與制造相關的所有信息被遍布企業的工業網絡連接、實現全企業的信息集成。最終實現企業高效運營，實現全企業智能化的戰略目標。在工業4.0的背景下，工業企業信息化集成系統就是構建企業的CPS系統，在IoT&IoS支持下建成智能工廠，可在世界范圍內實現智能生產。

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1所示。

工業企業信息化集成系統是從生產自動化、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。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的理念完全一致。

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集成系統。

構建工業企業信息化集成系統的關鍵是使工業企業的核心業務與相關業務有效集成。企業核心業務流程為全企業價值鏈業務流程，如圖2所示。

企業業務流程應以核心業務活動為主體，管控業務活動與支撐業務活動為兩翼，以價值鏈增值為目標。

圖2 工業企業業務流程的集成架構

企業信息化集成系統核心業務系統功能應包含且不限于以下部分：

（1）生產過程控制

（2）實時監控

（3）生產計劃

（4）生產調度

（5）生產統計

（6）產品跟蹤

（7）質量管理

（8）生產技術管理

（9）銷售管理

企業信息化集成系統管控業務系統功能包含且不限于以下部分：

（1）經營計劃

（2）績效管理

（3）財務管理

（4）輔助決策

（5）應急指揮

企業信息化集成系統支撐業務系統功能應包含且以下部分：

（1）物資管理

（2）設備管理

（3）資產管理

（4）能源管理

（5）人力資源

（6）客戶關系管理

（7）安健環管理

（8）IT服務管理

3 工業企業信息化集成系統總體層次架構

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。

具體的工業企業信息化集成系統可能僅包含以上H1級或HI+H2或H1+H3或H1+H2+H3等，通過縱向集成使各級融為一體化系統。

（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3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：生產執行層；

L4：經營管理層；

L5：決策支持層。

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。

5層結構稱為普度模型，是國際的一個通用規則。它是企業信息化集成系統的基本結構模型，L1-L5應通過信息縱向集成構成廠級信息化集成系統。

圖 3 工業企業廠級信息化集成系統分層模型

（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。系統應包括L3、L4、L5三層，但其結構與功能不同于H1的相應三層。應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。一般H2分為三層結構如圖4 所示。

圖4 公司級信息化集成系統

（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。應通過縱向集成技術實現級間、層間信息的貫通。結構如圖5所示。

圖5 集團公司級信息化集成系統

4 工業企業信息化集成系統組成

工業企業信息化集成系統組成分為三個層級的系統：

生產基礎自動化系統（PAS）：包括了廠級系統的L1+L2兩層，即現場生產的自動化設備及其控制系統，生產（制造）過程的綜合監控系統或稱綜合自動化系統。其涵蓋范圍包括：適于連續制造的過程控制系統，適于離散制造的單元控制系統和適于遠動控制的SCADA系統以及廠級的生產綜合監控系統。

生產調度執行系統（MES）：H1、H2、H3的MES包括不同的子系統。H1的MES包括了與生產直接相關的子系統，典型的子系統有：

（1）廠級生產計劃子系統；

（2）廠級生產調度子系統；

（3）廠級生產統計子系統；

（4）廠級生產監控子系統。

也包括：廠級能源管理、質量管理、物料管理、設備管理、績效管理、人力資源管理等子系統。

H2的MES層包括了跨廠級的公司級的生產執行、生產運營相關子系統，除了上述的廠級子系統外，包括廠級輔助支持子系統，運輸管理子系統等。

H3的MES層包括了全集團公司的與生產執行、生產運營相關的子系統。

經營管理系統包括了L4、L5經營管理和戰略決策兩層。H1、H2、H3的經營管理系統包括內涵不同的子系統。

H1的經營管理系統是基礎經營管理系統，如果企業僅是一個廠級規模，H2、H3的功能也在此層實現。廠級經營管理系統包括的典型子系統有：

（1）財務管理（包括財務會計、管理會計和資金管理）子系統；

（2）物資管理子系統；

（3）銷售管理子系統；

（4）生產計劃管理子系統；

（5）設備管理子系統；

（6）質量管理子系統；

（7）項目管理子系統；

（8）人力資源管理子系統；

（9）健康、安全與環保管理子系統；

（10）輔助支持子系統；

（11）其他業務子系統。

H2的經營管理系統是跨廠級公司層面的經營管理系統，它除了上述的廠級子系統外，還包括：

（1）應急指揮子系統；

（2）企業戰略分析決策子系統；

（3）公司級其他子系統。

H3的經營管理系統是全企業經營管理系統，除了包括上述的公司級子系統外，還包括：

（1）集團公司資源分析管理子系統；

（2）集團公司企業戰略分析決策子系統；

（3）集團公司級其他業務子系統。

具體企業的信息化集成系統的子系統應按照該企業業務需求建立。

以上是我國典型的大型工業企業的架構組成。事實上，工業領域范圍很廣泛，每一領域又有其各自的特點，其相應的信息化集成系統結構形態各種各樣，但無非是這些層、級的不同組態而已。欲對我國工業與信息化兩化融合的系統有本質的分析與認識，就必須對以上信息化集成系統進行深入的分析與研究。

5 工業企業信息化集成系統也是工業企業的CPS系統

工業企業信息化集成系統，按照工業4.0的觀點也是CPS系統。信息化集成的每一層都是由Physical和Cyber兩部分構成，由物理實體與信息、網絡、軟件等構成。整個信息化集成系統又是由生產實體系統與調度指揮、經營管理與決策支持等“軟”系統融合而構成。企業信息化集成系統就是一個全企業范圍的CPS系統。

在工業企業中，“信息物理系統”升級“智能工廠”中的“生產設備”（Physical），使生產設備因信息物理系統而獲得智能，使工廠成為一個實現自律分散型系統的“智能工廠”。實體設備、裝置的信息由網絡、由各層的功能軟件集成起來，實現賽博（Cyber）的總體功能。被集成的信息成為實體物理設備運行的靈魂。

CPS最大的特點就在于它是由很多具有通信，計算和決策控制功能的設備組成的智能網絡，這些設備可以通過相互作用使得整個系統處于最佳狀態。如交通系統中車輛之間通過通信和計算得出最佳行車路線，并避免各種交通事故；電力系統中各個站點通過信息傳遞從而動態調整負荷，避免大規模級聯故障等。這正是信息化集成系統期待達到的目標。

另一方面，CPS提升了企業信息化集成系統的能力與作用，延展了它的管控范圍。從20世紀40年代麻省理工學院發明數控技術到如今基于嵌入式計算系統的工業控制系統遍地開花，工業自動化早已成熟，但是，這些控制系統基本是封閉的系統，即便其中一些工控應用網絡也具有聯網和通信的功能，但其工控網絡內部總線大都使用的是工業控制總線，網絡內部各個獨立的子系統或設備難以通過開放總線或者互聯網進行互聯，其通信距離很短，通信功能比較弱。而信息化集成系統的CPS則把通信放在與計算和控制同等地位上。CPS強調的分布式應用系統中物理設備之間的協調是離不開通信的。CPS對網絡內部設備的遠程協調能力、自治能力、控制對象的種類和數量，特別是網絡規模上遠遠超過現有的工控網絡。CPS將讓整個世界互聯起來，如同互聯網改變了人與人的互動一樣，CPS將會改變我們與物理世界的互動。CPS給企業信息化集成系統插上了IoT和IoS兩個翅膀，信息化集成系統變成了世界范圍的大集成系統。

圖3 ET200M硬件組態

圖4 所示為DP從站的屬性，包括設置PROFIBUS地址為3。在分布式I/O系統中，IM 153-x的PROFIBUS地址遵守以下規則：允許的 PROFIBUS地址是1至125；每個PROFIBUS地址在總線上僅能分配一次。

圖4 DP從站的屬性

對于DP從站而言，它可以在任何時候更改 PROFIBUS地址，但是IM153-x僅在切斷/接通24VDC電源后才采用新的PROFIBUS地址。當所有的硬件參數確定后，就可以保存并編譯組態。

5 結語

隨著變頻技術的不斷發展，它在起重機行業以絕對的優勢超越了其他任何調速方案，其優點數不勝數，如零速抱閘，對制動器無磨損；任意低的就位速度，可用于精確吊裝；速度的平滑過渡，對機構和結構件無沖擊，提高了起重機的運行安全性等。

[1] 李方園. 變頻器控制技術(第2版) [M]. 北京：電子工業出版社，2015.

[2] 李方園. 變頻器應用技術(第2版) [M]. 北京：科學出版社，2014.

李方園（1973-），男，浙江舟山人，高級工程師，畢業于浙江工業大學信息學院工程碩士專業，長期從事于變頻器等現代工控產品的應用與研究工作，現就職于浙江工商職業技術學院。