清華同方數(shù)字城市工程中心 魏曉東

《工業(yè)4.0與兩化融合》講座

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第三講 工業(yè)4.0與兩化融合

1 我國工業(yè)信息化的發(fā)展方略——信息化與工業(yè)化融合

我國工業(yè)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(fā)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(guī)劃，信息化開始與工業(yè)化齊頭并進，融合發(fā)展。近年提出的工業(yè)化與信息化兩化深度融合的工業(yè)發(fā)展方針是我國信息化與工業(yè)化經歷了近二十多年的發(fā)展，幾經挫折找到的一條正確發(fā)展道路，恰與德國工業(yè)4.0如出一轍，引領中國工業(yè)進入第四次革命。

兩化融合是信息化和工業(yè)化的高層次的深度結合，是指以信息化帶動工業(yè)化、以工業(yè)化促進信息化，走新型工業(yè)化道路；兩化融合的核心就是信息化支撐，追求可持續(xù)發(fā)展模式。兩化融合是電子信息技術廣泛應用到工業(yè)生產的各個環(huán)節(jié)，信息化成為工業(yè)企業(yè)經營管理的常規(guī)手段。信息化進程和工業(yè)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(yè)電子、工業(yè)軟件、工業(yè)信息服務業(yè)等新產業(yè)。兩化融合是工業(yè)化和信息化發(fā)展到一定階段的必然產物。信息化與工業(yè)化兩化融合包括技術融合、產品融合、業(yè)務融合、產業(yè)衍生四個方面。

2 工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)

兩化融合落地到企業(yè)之中實質上就是要在工業(yè)企業(yè)構建起信息化集成系統(tǒng)。企業(yè)信息化集成系統(tǒng)最早是我國863專家提出的概念。全國工業(yè)自動化系統(tǒng)與集成標準技術委員會（TC159）一直致力于企業(yè)信息化集成系統(tǒng)國家標準的制定。2010年元月，國家標委會發(fā)布了《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)規(guī)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(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)：“工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)（Industrial Enterprise Informationization Integrated System）是基于計算機環(huán)境和技術，將工業(yè)企業(yè)生產自動化系統(tǒng)、生產管理系統(tǒng)與經營決策系統(tǒng)綜合集成，提高企業(yè)經營效率、促進企業(yè)戰(zhàn)略目標實現(xiàn)的大系統(tǒng)。”

標準在基本規(guī)定中特別強調了：“工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)應建成從生產自動化、生產管理到經營決策的完整系統(tǒng)；它將企業(yè)自動化和信息化有機地融合在一起，使工業(yè)企業(yè)核心業(yè)務系統(tǒng)及相關聯(lián)的業(yè)務系統(tǒng)有效集成，提高企業(yè)經營的效率，為實現(xiàn)企業(yè)戰(zhàn)略目標服務。”同時提出：“工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)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(yè)核心業(yè)務進行。企業(yè)信息化集成系統(tǒng)應對企業(yè)信息進行縱向集成與橫向集成，消除業(yè)務系統(tǒng)信息孤島，促進自動化與信息化融合?！?/p>

信息化集成系統(tǒng)將自動化技術、信息化技術滲透到工業(yè)生產過程的每一個層次，每一個環(huán)節(jié)；工業(yè)制造過程的各層次的信息又被集成起來為企業(yè)的根本目標服務；產品工廠的所有設備由工業(yè)企業(yè)的自動化系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)監(jiān)控管理；與制造相關的所有信息被遍布企業(yè)的工業(yè)網(wǎng)絡連接、實現(xiàn)全企業(yè)的信息集成。最終實現(xiàn)企業(yè)高效運營，實現(xiàn)全企業(yè)智能化的戰(zhàn)略目標。在工業(yè)4.0的背景下，工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)就是構建企業(yè)的CPS系統(tǒng)，在IoT&IoS支持下建成智能工廠，可在世界范圍內實現(xiàn)智能生產。

具體到工業(yè)企業(yè)之中，企業(yè)信息化集成系統(tǒng)是通過計算機硬件、軟件，并綜合運用現(xiàn)代管理技術、制造技術、信息技術、自動化技術、系統(tǒng)工程技術，將企業(yè)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(yōu)化運行的一個復雜大系統(tǒng)。其核心是集成基礎設施/集成平臺，為企業(yè)提供基礎的信息集成、應用集成、過程集成和商業(yè)集成服務。通過這些集成服務，企業(yè)不同單元的技術和系統(tǒng)協(xié)同運行，形成集成化的企業(yè)信息化系統(tǒng)，支持企業(yè)研發(fā)、生產和管理等業(yè)務活動的高效運行，實現(xiàn)人/組織、技術、資源和經營管理等企業(yè)要素的集成，如圖1所示。

工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)是從生產自動化、生產管理到經營決策的完整系統(tǒng)；它將企業(yè)自動化和信息化有機地融合在一起，使工業(yè)企業(yè)核心業(yè)務系統(tǒng)及相關聯(lián)的業(yè)務系統(tǒng)有效集成，提高企業(yè)經營的效率，為實現(xiàn)企業(yè)戰(zhàn)略目標服務。工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)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(yè)核心業(yè)務進行，它是系統(tǒng)的基礎與根基，這與工業(yè)4.0的理念完全一致。

信息化集成系統(tǒng)分為兩大部分：控制系統(tǒng)（或稱控制制造系統(tǒng)）與企業(yè)系統(tǒng)（或稱企業(yè)信息化系統(tǒng)）。信息化集成系統(tǒng)則是這兩大部分的集成系統(tǒng)。

構建工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的關鍵是使工業(yè)企業(yè)的核心業(yè)務與相關業(yè)務有效集成。企業(yè)核心業(yè)務流程為全企業(yè)價值鏈業(yè)務流程，如圖2所示。

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

圖2 工業(yè)企業(yè)業(yè)務流程的集成架構

企業(yè)信息化集成系統(tǒng)核心業(yè)務系統(tǒng)功能應包含且不限于以下部分：

（1）生產過程控制

（2）實時監(jiān)控

（3）生產計劃

（4）生產調度

（5）生產統(tǒng)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(yè)信息化集成系統(tǒng)管控業(yè)務系統(tǒng)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(yè)信息化集成系統(tǒng)支撐業(yè)務系統(tǒng)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(huán)管理

（8）IT服務管理

3 工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)總體層次架構

工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)的典型架構由三級構成，它們是：

H1：廠級系統(tǒng)（廠級包括大、中、小型生產廠，生產基地等）；

H2：公司級系統(tǒng)（公司級包括跨廠級聯(lián)合企業(yè)、大型聯(lián)合生產基地等）；

H3：集團公司級系統(tǒng)。

具體的工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)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(tǒng)。

（1）H1廠級系統(tǒng)

工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)廠級系統(tǒng)應包括如圖3所示L1到L5五層，它們是：

L1：現(xiàn)場設備層；

L2：生產過程控制層；

L3：生產執(zhí)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(xiàn)從現(xiàn)場設備、生產過程控制、生產執(zhí)行、指揮、經營管理及戰(zhàn)略決策的應用集成一體化，構成完整的廠級系統(tǒng)。

其中，L1與L2構成企業(yè)的生產自動化基礎層，信息化集成系統(tǒng)核心業(yè)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(guī)則。它是企業(yè)信息化集成系統(tǒng)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(tǒng)。

圖 3 工業(yè)企業(yè)廠級信息化集成系統(tǒng)分層模型

（2） H2公司級系統(tǒng)

此級系統(tǒng)應對分布的廠級系統(tǒng)進行系統(tǒng)集成構建企業(yè)公司級的信息化集成系統(tǒng)。系統(tǒng)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(xiàn)H2與H1的無縫接口，實現(xiàn)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(tǒng)

（3） H3集團公司級系統(tǒng)

集團公司級系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)

4 工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)組成

工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)組成分為三個層級的系統(tǒng)：

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

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

（1）廠級生產計劃子系統(tǒng)；

（2）廠級生產調度子系統(tǒng)；

（3）廠級生產統(tǒng)計子系統(tǒng)；

（4）廠級生產監(jiān)控子系統(tǒng)。

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(tǒng)。

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

H3的MES層包括了全集團公司的與生產執(zhí)行、生產運營相關的子系統(tǒng)。

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

H1的經營管理系統(tǒng)是基礎經營管理系統(tǒng)，如果企業(yè)僅是一個廠級規(guī)模，H2、H3的功能也在此層實現(xiàn)。廠級經營管理系統(tǒng)包括的典型子系統(tǒng)有：

（1）財務管理（包括財務會計、管理會計和資金管理）子系統(tǒng)；

（2）物資管理子系統(tǒng)；

（3）銷售管理子系統(tǒng)；

（4）生產計劃管理子系統(tǒng)；

（5）設備管理子系統(tǒng)；

（6）質量管理子系統(tǒng)；

（7）項目管理子系統(tǒng)；

（8）人力資源管理子系統(tǒng)；

（9）健康、安全與環(huán)保管理子系統(tǒng)；

（10）輔助支持子系統(tǒng)；

（11）其他業(yè)務子系統(tǒng)。

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

（1）應急指揮子系統(tǒng)；

（2）企業(yè)戰(zhàn)略分析決策子系統(tǒng)；

（3）公司級其他子系統(tǒng)。

H3的經營管理系統(tǒng)是全企業(yè)經營管理系統(tǒng)，除了包括上述的公司級子系統(tǒng)外，還包括：

（1）集團公司資源分析管理子系統(tǒng)；

（2）集團公司企業(yè)戰(zhàn)略分析決策子系統(tǒng)；

（3）集團公司級其他業(yè)務子系統(tǒng)。

具體企業(yè)的信息化集成系統(tǒng)的子系統(tǒng)應按照該企業(yè)業(yè)務需求建立。

以上是我國典型的大型工業(yè)企業(yè)的架構組成。事實上，工業(yè)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(tǒng)結構形態(tài)各種各樣，但無非是這些層、級的不同組態(tài)而已。欲對我國工業(yè)與信息化兩化融合的系統(tǒng)有本質的分析與認識，就必須對以上信息化集成系統(tǒng)進行深入的分析與研究。

5 工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)也是工業(yè)企業(yè)的CPS系統(tǒng)

工業(yè)企業(yè)信息化集成系統(tǒng)，按照工業(yè)4.0的觀點也是CPS系統(tǒng)。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(wǎng)絡、軟件等構成。整個信息化集成系統(tǒng)又是由生產實體系統(tǒng)與調度指揮、經營管理與決策支持等“軟”系統(tǒng)融合而構成。企業(yè)信息化集成系統(tǒng)就是一個全企業(yè)范圍的CPS系統(tǒng)。

在工業(yè)企業(yè)中，“信息物理系統(tǒng)”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(tǒng)而獲得智能，使工廠成為一個實現(xiàn)自律分散型系統(tǒng)的“智能工廠”。實體設備、裝置的信息由網(wǎng)絡、由各層的功能軟件集成起來，實現(xiàn)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(wǎng)絡，這些設備可以通過相互作用使得整個系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)。如交通系統(tǒng)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(tǒng)中各個站點通過信息傳遞從而動態(tài)調整負荷，避免大規(guī)模級聯(lián)故障等。這正是信息化集成系統(tǒng)期待達到的目標。

另一方面，CPS提升了企業(yè)信息化集成系統(tǒng)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(fā)明數(shù)控技術到如今基于嵌入式計算系統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)遍地開花，工業(yè)自動化早已成熟，但是，這些控制系統(tǒng)基本是封閉的系統(tǒng)，即便其中一些工控應用網(wǎng)絡也具有聯(lián)網(wǎng)和通信的功能，但其工控網(wǎng)絡內部總線大都使用的是工業(yè)控制總線，網(wǎng)絡內部各個獨立的子系統(tǒng)或設備難以通過開放總線或者互聯(lián)網(wǎng)進行互聯(lián)，其通信距離很短，通信功能比較弱。而信息化集成系統(tǒng)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(tǒng)中物理設備之間的協(xié)調是離不開通信的。CPS對網(wǎng)絡內部設備的遠程協(xié)調能力、自治能力、控制對象的種類和數(shù)量，特別是網(wǎng)絡規(guī)模上遠遠超過現(xiàn)有的工控網(wǎng)絡。CPS將讓整個世界互聯(lián)起來，如同互聯(lián)網(wǎng)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(yè)信息化集成系統(tǒng)插上了IoT和IoS兩個翅膀，信息化集成系統(tǒng)變成了世界范圍的大集成系統(tǒng)。

圖3 ET200M硬件組態(tài)

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(tǒng)中，IM 153-x的PROFIBUS地址遵守以下規(guī)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(shù)確定后，就可以保存并編譯組態(tài)。

5 結語

隨著變頻技術的不斷發(fā)展，它在起重機行業(yè)以絕對的優(yōu)勢超越了其他任何調速方案，其優(yōu)點數(shù)不勝數(shù)，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(yè)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(yè)于浙江工業(yè)大學信息學院工程碩士專業(yè)，長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產品的應用與研究工作，現(xiàn)就職于浙江工商職業(yè)技術學院。