第二節　工業信息系統與網絡架構

（一）工業信息系統

1．工業的定義和內涵

工業是指對自然資源進行開采，以及對各種原材料進行加工的社會物質生產部門，這些部門構成了中華人民共和國經濟行業劃分中的第二產業。

工業自誕生以來經歷了4次重大變革。

在古代社會，手工業僅屬于農業的副業，直到18世紀的英國第一次工業革命，使手工業逐步轉變為機器大工業，工業才逐漸從農業中分離出來，成為獨立的物質生產部門。這也標志著工業1.0時代的到來。

隨著科學技術的進步，從19世紀下半葉到20世紀初，發電機、內燃機得到了廣泛應用，飛機、汽車等交通工具的制造技術也發展迅速，人們進入了工業2.0時代。

20世紀40年代后期，工業3.0時代來臨。工業以生產過程自動化為主要特征，采用電子控制的自動化機器和生產線進行生產，改變了機器體系。微型計算機誕生，全球互聯網出現。

20世紀后期，人們進入了工業4.0時代，以微電子技術為中心，生物工程、光導纖維、新能源、新材料和機器人等新興技術和新興工業蓬勃發展。這些新技術革命，正在改變工業生產的基本面貌，也正在改變人們的生活方式和生存環境。機器的使用，給生產提供了強勁的推動力，也要求人們在生產制造時遵守一定的安全規范。信息化時代計算機的普及，在為人們提供舒適的人機界面和方便的管理接口的同時，也帶來了傳統計算機領域的安全問題。

根據產品類型和生產工業組織方式的不同，工業可分為流程型制造行業和離散型制造行業。

流程型制造（Process Manufacturing）行業通過一條生產線將原料制成成品，產品生產的各個階段、各個工序在時間上是緊密銜接、連續運行的，不產生或很少產生中斷現象。也就是說，勞動對象在整個生產過程中始終處于運動狀態，沒有或很少有不必要的停留。流程型制造行業主要包括石油化工、冶金、電力、天然氣、水處理等行業。

離散型制造（Discrete Manufacturing）行業將不同的現成部件及子系統裝配加工成較大型系統，其最主要的特征之一為：生產過程中基本上沒有發生物質改變，僅改變物料的形狀和組合，即最終產品是由多種物料裝配而成的，并且產品與所需物料之間有確定的數量比例，如一個產品有多少個部件、一個部件有多少個零件，這些物料不能多也不能少。按通常行業劃分，典型的離散型制造行業有機械制造、汽車、儀器儀表、家電、機床等行業。

流程型制造行業和離散型制造行業在自動化控制的實現上有一定的區別，流程型制造行業的控制一般選用DCS，而離散型制造行業通常采用PLC。隨著DCS和PLC互相滲透發展，其應用領域逐步擴大。

2．工業生產系統

隨著工業智能化的迅速發展，工業生產系統架構不斷拓展，工業生產系統實現了質的飛躍。目前工業生產系統架構基本分為6層，自下而上分別為現場設備層、現場控制層、過程監控層、生產管理層、企業管理層、外部網絡層，如圖1-1所示。

注：OPC指Open Platform Communications，開放平臺通信。

圖1-1　工業生產系統架構

在工業3.0時代，工業生產系統架構普遍分為現場設備層、現場控制層、過程監控層3層。隨著工業物聯網的發展，現場設備層相關設備經歷了智能化轉型，具有智能采集、無線傳輸功能，在電力、石油管道等行業應用廣泛。現場控制層是現場設備層的上層架構，集成現場設備層設備至集中控制系統，如SCADA系統、PLC、SIS等。過程監控層設有監控中心，負責監控與前兩層相關的安全生產設備、控制系統。

生產管理層是連接上下層架構的關鍵樞紐，傳遞上層生產、管理、計劃信息至生產現場，實現對管理和生產的直接控制。企業管理層和外部網絡層則屬于傳統網絡層。隨著數字經濟的發展，數字技術在工業領域的應用更加廣泛，傳統網絡和工業控制網絡加速互聯，將傳統網絡風險進一步引入工業生產環境。因此，當前工業信息安全面臨著巨大的威脅。

3．工業控制系統

工業控制系統可對工業實時數據進行采集、監測，實現設備自動化運行以及對業務流程的管理和監控。工業控制系統通常用于電力、水處理、石油和天然氣、化工、交通、制藥、食品制造、汽車制造、航空航天等行業領域，往往高度互聯、相互依存，是關鍵信息基礎設施正常運行的基礎。

（1）發展歷程

計算機網絡技術與工業控制系統的發展有著緊密的聯系。總體來看，工業控制系統的發展歷程如圖1-2所示。早在20世紀50年代中后期，計算機就已經被應用到工業控制系統中，從而出現了最初的協調控制系統（Coordinated Control System，CCS）。20世紀60年代初，出現了由計算機完全替代模擬控制的控制系統，它被稱為直接數字控制（Direct Digital Control，DDC）系統。1968年，美國通用汽車公司為了適應汽車型號的不斷更新、生產工藝的不斷變化，希望能研制出新型工業控制系統，盡可能減少重新設計和更換電氣控制系統及接線的次數，從而降低生產成本、縮短生產周期。對此，通用汽車公司設想將計算機的功能強大、靈活、通用性好等優點與電氣控制系統的簡單易用、價格便宜等優點結合起來，制成通用控制裝置，并且這種裝置采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”進行編程，即便不熟悉計算機的人也能快速掌握其使用方法。1969年，美國數字化設備公司根據通用汽車公司的要求，成功研制出世界上第一臺可編程控制器（PDP-14），它在通用汽車公司生產線上的試用效果顯著。自此，PLC技術得到了迅速發展。

20世紀70年代中期，隨著微處理器的出現，計算機控制系統進入快速發展的新時期。1975年，世界上第一套以微處理器為基礎的分散式計算機控制系統問世，它由多臺微處理器共同分散控制，并通過數據通信網絡實現集中管理，被稱為DCS。

20世紀90年代后期，計算機網絡技術的迅猛發展使DCS得到進一步發展。DCS逐步增強了工業控制系統的可靠性和可維護性。當前，在工業控制領域，DCS仍然占據主導地位，但DCS不具備開放性，布線復雜、費用較高，而且不同廠家的產品集成存在很大困難。因此，隨著大規模集成電路技術的發展，許多傳感器、執行機構、驅動裝置等現場設備更加智能化，人們開始尋求用一根通信電纜將具有統一的通信協議、通信接口的現場設備連接起來，在現場設備層傳遞的不再是輸入/輸出信號（4～20mA/24VDC），而是數字信號，這根通信電纜就是現場總線。由于可以解決網絡控制系統的自身可靠性和開放性問題，現場總線技術成為計算機控制系統的發展趨勢，現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）由此誕生。FCS既是開放的通信網絡，又是全分布式的控制系統，它在很多方面繼承了DCS/PLC的成熟技術，主要特點是采用標準的通信協議、分布式網絡自動化系統、分散控制結構。因此，FCS相比傳統的DCS具有性能好、準確度高、誤碼率低、組態更簡單等優點，并且由于其結構、性能標準化，更便于安裝、運行和維護。從20世紀90年代后期開始，一些發達的工業國家和跨國工業公司都紛紛推出自己的現場總線標準和相關產品。

圖1-2　工業控制系統的發展歷程

（2）主要分類

常見的工業控制系統包括DCS、SCADA系統、PLC、遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）等。

① DCS。DCS又稱集散控制系統。它以微處理器為核心，實現地理上與功能上的分布控制，同時通過高速數據通道把各個分散點的信息集中起來，進行集中的監視和操作，并實現復雜的控制和優化，其基本結構如圖1-3所示。

圖1-3　DCS的基本結構

DCS具有控制分散、信息集中、系統模塊化、數據通信能力強、人機接口友好而豐富、可靠性高等特點，主要應用于過程控制行業，如發電、煉油、水處理、食品和醫藥加工等行業。其采用“多層分級、合作自治”的架構，實現對控制過程的總體監控，包括多個集成的子系統的控制，可滿足大型工業生產和日益復雜的過程控制的需求。

② SCADA系統。SCADA系統是具有監控程序及數據收集能力的計算機控制系統，可以用在工業程序、基礎設施或設備中。SCADA系統作為生產過程和事務管理自動化最為有效的計算機軟硬件系統之一，包含3個部分：第一部分是分布式的數據采集系統，也就是通常所說的下位機；第二部分是過程監控與管理系統，即上位機；第三部分是數據通信網絡，包括上位機網絡系統、下位機網絡系統，以及將上位機、下位機網絡系統連接起來的通信網絡。SCADA系統數據架構如圖1-4所示。

　　　　　注：IDE指Integrated Development Environment，集成開發環境。

圖1-4　SCADA系統數據架構

SCADA系統的主要特點是利用遠程通信技術對地理位置分散的遠程測控站點進行集中監控，主要應用于石油和天然氣管道、電力電網、軌道交通等行業。

③ PLC。PLC是專門為應用于工業環境而設計的數字運算操作電子系統。它采用一種可編程的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，通過數字式或模擬式輸入/輸出（Input/Output，I/O）來控制各種類型的機械設備或生產過程，可以實現開關量的開環控制、模擬量的閉環控制、數字量的智能控制、數據采集與監控等。

PLC實質上是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，硬件電路主要由中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）、存儲器［只讀存儲器（Read-Only Memory，ROM）/隨機存取機（Random Access Memory，RAM）］、I/O模塊、編程器、電源等部件組成（如圖1-5所示）。其中，CPU是PLC的核心，I/O模塊是用來連接現場I/O設備與CPU的接口電路，通信接口用于與編程器、上位機等外設連接。PLC的軟件由系統程序和用戶程序組成。系統程序由PLC制造廠商設計編寫，并存入PLC的系統存儲器，用戶不能直接讀寫與更改。系統程序一般包括系統診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監控程序等。用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，根據控制要求編制的程序。PLC通常是SCADA系統和DCS中的關鍵組件，廣泛應用于幾乎所有的工業生產過程。

圖1-5　PLC結構

④ RTU。RTU是SCADA系統的基本組成單元，通常為安裝在遠程現場的電子設備，負責對現場信號、工業設備進行監測和控制。RTU的主要作用是進行數據采集及本地控制。進行本地控制時，其作為系統中獨立的工作站，可以獨立地實現連鎖控制、前饋控制、反饋控制、比例-積分-微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）控制等工業上常用的控制調節功能。進行數據采集時，其作為遠程數據通信單元，可以完成或響應本站與中心站或其他站的通信和遙控任務。RTU產品目前與無線設備、工業TCP/IP產品結合使用，廣泛應用在油氣田、環保、熱網、水利、長輸管線、水處理、電力、交通、冶金、化工、農業等領域。

4．工業主機

工業主機即工業控制計算機（Industrial Personal Computer，IPC）（如圖1-6所示），是基于個人計算機（Personal Computer，PC）總線的工業計算機，具有重要的計算機屬性和特征，其主要的組成部分有工業機箱、無源底板及可插入的多種板卡，如CPU卡、I/O卡等。工業主機采用全鋼機殼、機卡壓條過濾網、雙正壓風扇等設計，通過電磁兼容（ElectroMagnetic Compatibility，EMC）技術解決工業現場的電磁干擾、震動、灰塵、高溫/低溫等問題。

圖1-6 工業主機

工業主機通俗地說是專門為工業現場而設計的計算機，而工業現場一般具有震動強、灰塵多、電磁場力強的特點，并且工廠一般是連續作業的。因此，工業主機與普通計算機相比必須具有以下特點。

● 工業機箱采用鋼結構，有較強的防磁、防塵、防沖擊能力。

● 工業機箱內有專用底板，底板上有PCI和ISA（Industry Standard Architecture，工業標準結構）插槽。

● 工業機箱內有專門的電源，電源有較強的抗干擾能力。

● 具有連續長時間工作的能力。

● 一般采用便于安裝的標準機箱。

雖然與普通的商用計算機相比，工業主機具有一定的優勢，但其劣勢也非常明顯，具體如下。

● 配置硬盤容量小。

● 數據安全性低。

● 存儲選擇性小。

● 價格較高。

工業主機已被廣泛應用于工業及生活的方方面面，如控制現場、路橋控制收費系統、醫療器械、環境保護監測、通信保障、智能交通管控系統、樓宇監控安防、語音呼叫中心、排隊機、柜臺電子付款機（Point Of Sale，POS）、數控機床、加油機、金融信息處理、石化數據采集處理、物理勘探、野外便攜作業、軍工、電力、鐵路、高速公路、航天、地鐵、戶外廣告等。

5．工業通信設備

工業通信設備是用于連接感知設備、工業控制設備與管控中心，實現目標數據實時在線監測、設備遠程控制、遠程管理維護的核心設備，能助力工業生產自動化、智能化運行。典型的工業通信設備包括工業以太網交換機、工業路由器等，其中部分工業通信設備具有較強的品牌專用性。

（1）工業以太網交換機

工業以太網交換機應用于復雜的工業環境中，以實現實時以太網數據傳輸。以太網采用帶沖突檢測的載波監聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）機制，在復雜的工業環境中，其可靠性將大大降低，導致以太網不能使用。工業以太網交換機采用存儲-轉發交換方式，可以加快以太網的通信速度，并且內置智能報警設計，用于監控網絡運行狀況，即便在惡劣、危險的工業環境中也能保證以太網可靠穩定地運行。工業以太網交換機主要應用在電力自動化、工廠自動化、煤礦自動化、軌道交通、風能風電等領域，還應用在冶金、石油石化、道路交通控制自動化、樓宇自動控制、油田控制自動化、水電站控制自動化、機房監控、水利監控、環保監控等領域。工業以太網交換機因其具有較高的防護等級（一般為IP40）、較強的電磁兼容性（EMS 4級）、穩定的工作性能而應用在一些條件苛刻的工業現場，為工業通信提供有力的保障。

（2）工業路由器

工業路由器是一種物聯網無線通信路由器，網關可對標準以太網與工業以太網協議、無線與有線接口或以太網與現場總線通信協議進行轉換。這種工廠自動化設備結構堅固，適用于無風扇冷卻的惡劣工業環境，專門用于工業領域的數據傳輸。目前，工業路由器已廣泛應用于物聯網產業鏈中的機器對機器（Machine to Machine，M2M）行業，如智能電網、智能交通、智能家居、金融、移動POS終端、供應鏈自動化、工業自動化、智能建筑、消防、公共安全、環境保護、氣象、數字化醫療、遙感勘測、農業、林業、水務、煤礦、石化等領域。

6．工業人機界面和傳感器

人機界面（Human Machine Interface，HMI）是可以顯示程序狀態的設備，操作員可以依托HMI實現設備監控及程序控制。HMI會連接到SCADA系統的數據庫及軟件，讀取相關信息，以顯示趨勢、診斷數據及相關管理信息，如定期維護程序、物流信息、特定傳感器或機器的細部線路圖、協助故障排除的專家系統。

傳感器是一種檢測裝置，主要存在于生產末端，能感受到測量的信息，并將感受到的信息按一定的規律轉換成電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

7．工業生產信息系統

工業生產信息系統能夠助力企業建立合規、精確且具有時效性的生產數據庫，完成各類業務的一體化管理工作，使管理更高效、信息更全面、過程更可控。常見的工業生產信息系統有MES、ERP系統、客戶關系管理（Customer Relationship Management，CRM）系統、供應商關系管理（Supplier Relationship Management，SRM）系統等。

MES是面向制造企業車間執行層的生產信息化管理系統，主要分為四大類，分別為針對某個特定領域問題而開發的專用MES、集成MES、可集成的MES、智能化的MES。國際制造執行系統協會（Manufacturing Execution System Association，MESA）對MES的定義是，“MES能通過信息傳遞，對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優化管理。當車間發生實時事件時，MES能及時做出反應、報告，并用當前的準確數據進行指導處理。這種對狀態變化的迅速響應使MES能夠減少企業內部沒有附加值的活動，有效地指導車間的生產運作過程，從而能夠提高車間的交貨效率，改善物料的流通性能，提高生產回報率。MES還通過雙向的直接通信在企業內部和整個產品供應鏈中提供有關產品行為的關鍵任務信息”。

MES集成了車間中生產調度管理、生產質量管理、生產設備管理、生產過程管理等相互獨立的模塊，實現模塊間的數據共享，各模塊如圖1-7所示。

● 資源分配和狀態管理：對資源分配和狀態信息進行管理，包括機床、輔助工具、物料、勞動者等生產能力實體以及開始加工前必須準備的文檔和資源等詳細數據，對資源的管理還包括為滿足生產計劃的要求而對資源所做的預留和調度。

● 工序級詳細生產計劃：負責生成工序級操作計劃，即詳細生產計劃，提供基于指定生產單元相關的優先級、屬性、特征、方法等的作業排序功能。其目的就是安排一個合理的序列以最大限度地壓縮生產過程中的輔助時間，它是基于有限能力的生產執行計劃。

圖1-7　MES的模塊

● 生產調度管理：以作業、批量以及工作訂單等形式管理和控制生產單元中的物料流和信息流；能夠調整車間規定的生產作業計劃，對返修品和廢品進行處理，用緩沖管理的方法控制在制品數量。

● 文檔管理：管理與生產單元相關的記錄/單據，包括圖紙、配方、工藝文件、工程變更等；還可以對存儲的生產歷史數據進行維護等操作。

● 現場數據采集：負責采集生產現場中各種必要的實時更新的數據。這些現場數據可以從車間手動輸入或通過各種自動方式獲得。

● 人力資源管理：提供實時更新的員工狀態信息；可以與設備的資源分配和狀態管理模塊相互作用來決定最終的優化分配。

● 生產質量管理：對從制造現場收集到的數據進行實時分析以控制產品質量，并確定生產中需要注意的問題。

● 生產過程管理：監控生產過程，自動修正生產中的錯誤，提高加工效率和產品質量，并為用戶提供修正錯誤和提高在制品生產行為的決策支持。

● 生產設備管理：跟蹤和指導企業維護設備和道具以保證制造過程順利進行，并產生除報警外的階段性、周期性和預防性的維護計劃，同時對需要直接解決的問題進行響應。

● 產品跟蹤和產品數據管理：通過監視工件在任意時刻的位置和工藝狀態來獲取每個產品的歷史記錄，該記錄使產品組及每個最終產品的使用情況具有可追溯性。

● 生產性能分析：能提供實時更新的實際制造過程的結果報告，并將這些結果與歷史記錄及所期望出現的經營目標進行比較。

ERP系統是從企業戰略角度出發，處理企業生產經營活動中的計劃、生產、銷售、庫存等信息，優化企業運行模式的人機系統，分為適用于企業內部局域網的客戶機/服務器（Client/Server，C/S）架構下的ERP軟件，以及適用于局域網和外部網絡的瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）架構下的ERP軟件。ERP面向全球市場，協調企業各管理部門及其與供應商和客戶的業務，實現生產、采購、銷售流程的統一化和標準化，是集信息技術與先進管理思想于一體，以系統化的管理思想為企業員工及決策層提供決策手段的管理平臺。

ERP系統的功能模塊主要包括財務、生產、采購與銷售三大模塊。隨著ERP系統的發展，其功能模塊也在不斷地擴展，如會計核算、財務管理、生產控制管理、物流管理、采購管理、分銷管理、庫存控制、人力資源管理等模塊。ERP從物料需求計劃（Material Requirement Planning，MRP）發展而來，擴展了MRP的功能，其核心功能是供應鏈管理，對于改善企業業務流程、提高企業核心競爭力具有顯著作用。

CRM系統以客戶數據的管理為核心，保證客戶的聯系信息處于最新狀態，跟蹤客戶與企業的每次交互并管理賬戶。

與ERP系統不同的是，CRM系統以建立、發展和維護客戶關系為主要目的，其本質是吸引客戶、留住客戶、實現客戶利益最大化，發展客戶關系，推動業務增長并提高客戶忠誠度。

SRM系統是建立商業規則的行為，幫助企業分析與具有不同重要性的產品和服務的供應商如何進行溝通以實現盈利，包括供應商分類選擇、戰略關系發展、供應商談判和供應商績效評價4個方面。SRM系統主要用于改善企業與供應商的關系，致力于幫助雙方建立和維持長久、緊密的合作關系。