第二節(jié)　工業(yè)信息系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（一）工業(yè)信息系統(tǒng)

1．工業(yè)的定義和內(nèi)涵

工業(yè)是指對自然資源進(jìn)行開采，以及對各種原材料進(jìn)行加工的社會(huì)物質(zhì)生產(chǎn)部門，這些部門構(gòu)成了中華人民共和國經(jīng)濟(jì)行業(yè)劃分中的第二產(chǎn)業(yè)。

工業(yè)自誕生以來經(jīng)歷了4次重大變革。

在古代社會(huì)，手工業(yè)僅屬于農(nóng)業(yè)的副業(yè)，直到18世紀(jì)的英國第一次工業(yè)革命，使手工業(yè)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器大工業(yè)，工業(yè)才逐漸從農(nóng)業(yè)中分離出來，成為獨(dú)立的物質(zhì)生產(chǎn)部門。這也標(biāo)志著工業(yè)1.0時(shí)代的到來。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，從19世紀(jì)下半葉到20世紀(jì)初，發(fā)電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，飛機(jī)、汽車等交通工具的制造技術(shù)也發(fā)展迅速，人們進(jìn)入了工業(yè)2.0時(shí)代。

20世紀(jì)40年代后期，工業(yè)3.0時(shí)代來臨。工業(yè)以生產(chǎn)過程自動(dòng)化為主要特征，采用電子控制的自動(dòng)化機(jī)器和生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，改變了機(jī)器體系。微型計(jì)算機(jī)誕生，全球互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)。

20世紀(jì)后期，人們進(jìn)入了工業(yè)4.0時(shí)代，以微電子技術(shù)為中心，生物工程、光導(dǎo)纖維、新能源、新材料和機(jī)器人等新興技術(shù)和新興工業(yè)蓬勃發(fā)展。這些新技術(shù)革命，正在改變工業(yè)生產(chǎn)的基本面貌，也正在改變?nèi)藗兊纳罘绞胶蜕姝h(huán)境。機(jī)器的使用，給生產(chǎn)提供了強(qiáng)勁的推動(dòng)力，也要求人們在生產(chǎn)制造時(shí)遵守一定的安全規(guī)范。信息化時(shí)代計(jì)算機(jī)的普及，在為人們提供舒適的人機(jī)界面和方便的管理接口的同時(shí)，也帶來了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的安全問題。

根據(jù)產(chǎn)品類型和生產(chǎn)工業(yè)組織方式的不同，工業(yè)可分為流程型制造行業(yè)和離散型制造行業(yè)。

流程型制造（Process Manufacturing）行業(yè)通過一條生產(chǎn)線將原料制成成品，產(chǎn)品生產(chǎn)的各個(gè)階段、各個(gè)工序在時(shí)間上是緊密銜接、連續(xù)運(yùn)行的，不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生中斷現(xiàn)象。也就是說，勞動(dòng)對象在整個(gè)生產(chǎn)過程中始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，沒有或很少有不必要的停留。流程型制造行業(yè)主要包括石油化工、冶金、電力、天然氣、水處理等行業(yè)。

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

流程型制造行業(yè)和離散型制造行業(yè)在自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)上有一定的區(qū)別，流程型制造行業(yè)的控制一般選用DCS，而離散型制造行業(yè)通常采用PLC。隨著DCS和PLC互相滲透發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大。

2．工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)

隨著工業(yè)智能化的迅速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)不斷拓展，工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。目前工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)基本分為6層，自下而上分別為現(xiàn)場設(shè)備層、現(xiàn)場控制層、過程監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層、企業(yè)管理層、外部網(wǎng)絡(luò)層，如圖1-1所示。

注：OPC指Open Platform Communications，開放平臺(tái)通信。

圖1-1　工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)

在工業(yè)3.0時(shí)代，工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)普遍分為現(xiàn)場設(shè)備層、現(xiàn)場控制層、過程監(jiān)控層3層。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，現(xiàn)場設(shè)備層相關(guān)設(shè)備經(jīng)歷了智能化轉(zhuǎn)型，具有智能采集、無線傳輸功能，在電力、石油管道等行業(yè)應(yīng)用廣泛。現(xiàn)場控制層是現(xiàn)場設(shè)備層的上層架構(gòu)，集成現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備至集中控制系統(tǒng)，如SCADA系統(tǒng)、PLC、SIS等。過程監(jiān)控層設(shè)有監(jiān)控中心，負(fù)責(zé)監(jiān)控與前兩層相關(guān)的安全生產(chǎn)設(shè)備、控制系統(tǒng)。

生產(chǎn)管理層是連接上下層架構(gòu)的關(guān)鍵樞紐，傳遞上層生產(chǎn)、管理、計(jì)劃信息至生產(chǎn)現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)對管理和生產(chǎn)的直接控制。企業(yè)管理層和外部網(wǎng)絡(luò)層則屬于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層。隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，數(shù)字技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)加速互聯(lián)，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步引入工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。因此，當(dāng)前工業(yè)信息安全面臨著巨大的威脅。

3．工業(yè)控制系統(tǒng)

工業(yè)控制系統(tǒng)可對工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行以及對業(yè)務(wù)流程的管理和監(jiān)控。工業(yè)控制系統(tǒng)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(yè)領(lǐng)域，往往高度互聯(lián)、相互依存，是關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

（1）發(fā)展歷程

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展有著緊密的聯(lián)系。總體來看，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程如圖1-2所示。早在20世紀(jì)50年代中后期，計(jì)算機(jī)就已經(jīng)被應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)中，從而出現(xiàn)了最初的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（Coordinated Control System，CCS）。20世紀(jì)60年代初，出現(xiàn)了由計(jì)算機(jī)完全替代模擬控制的控制系統(tǒng)，它被稱為直接數(shù)字控制（Direct Digital Control，DDC）系統(tǒng)。1968年，美國通用汽車公司為了適應(yīng)汽車型號的不斷更新、生產(chǎn)工藝的不斷變化，希望能研制出新型工業(yè)控制系統(tǒng)，盡可能減少重新設(shè)計(jì)和更換電氣控制系統(tǒng)及接線的次數(shù)，從而降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期。對此，通用汽車公司設(shè)想將計(jì)算機(jī)的功能強(qiáng)大、靈活、通用性好等優(yōu)點(diǎn)與電氣控制系統(tǒng)的簡單易用、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)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(jìn)行編程，即便不熟悉計(jì)算機(jī)的人也能快速掌握其使用方法。1969年，美國數(shù)字化設(shè)備公司根據(jù)通用汽車公司的要求，成功研制出世界上第一臺(tái)可編程控制器（PDP-14），它在通用汽車公司生產(chǎn)線上的試用效果顯著。自此，PLC技術(shù)得到了迅速發(fā)展。

20世紀(jì)70年代中期，隨著微處理器的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入快速發(fā)展的新時(shí)期。1975年，世界上第一套以微處理器為基礎(chǔ)的分散式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)問世，它由多臺(tái)微處理器共同分散控制，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集中管理，被稱為DCS。

20世紀(jì)90年代后期，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展使DCS得到進(jìn)一步發(fā)展。DCS逐步增強(qiáng)了工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。當(dāng)前，在工業(yè)控制領(lǐng)域，DCS仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，但DCS不具備開放性，布線復(fù)雜、費(fèi)用較高，而且不同廠家的產(chǎn)品集成存在很大困難。因此，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，許多傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置等現(xiàn)場設(shè)備更加智能化，人們開始尋求用一根通信電纜將具有統(tǒng)一的通信協(xié)議、通信接口的現(xiàn)場設(shè)備連接起來，在現(xiàn)場設(shè)備層傳遞的不再是輸入/輸出信號（4～20mA/24VDC），而是數(shù)字信號，這根通信電纜就是現(xiàn)場總線。由于可以解決網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的自身可靠性和開放性問題，現(xiàn)場總線技術(shù)成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）由此誕生。FCS既是開放的通信網(wǎng)絡(luò)，又是全分布式的控制系統(tǒng)，它在很多方面繼承了DCS/PLC的成熟技術(shù)，主要特點(diǎn)是采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議、分布式網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化系統(tǒng)、分散控制結(jié)構(gòu)。因此，F(xiàn)CS相比傳統(tǒng)的DCS具有性能好、準(zhǔn)確度高、誤碼率低、組態(tài)更簡單等優(yōu)點(diǎn)，并且由于其結(jié)構(gòu)、性能標(biāo)準(zhǔn)化，更便于安裝、運(yùn)行和維護(hù)。從20世紀(jì)90年代后期開始，一些發(fā)達(dá)的工業(yè)國家和跨國工業(yè)公司都紛紛推出自己的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)產(chǎn)品。

圖1-2　工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程

（2）主要分類

常見的工業(yè)控制系統(tǒng)包括DCS、SCADA系統(tǒng)、PLC、遠(yuǎn)程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）等。

① DCS。DCS又稱集散控制系統(tǒng)。它以微處理器為核心，實(shí)現(xiàn)地理上與功能上的分布控制，同時(shí)通過高速數(shù)據(jù)通道把各個(gè)分散點(diǎn)的信息集中起來，進(jìn)行集中的監(jiān)視和操作，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制和優(yōu)化，其基本結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。

圖1-3　DCS的基本結(jié)構(gòu)

DCS具有控制分散、信息集中、系統(tǒng)模塊化、數(shù)據(jù)通信能力強(qiáng)、人機(jī)接口友好而豐富、可靠性高等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于過程控制行業(yè)，如發(fā)電、煉油、水處理、食品和醫(yī)藥加工等行業(yè)。其采用“多層分級、合作自治”的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對控制過程的總體監(jiān)控，包括多個(gè)集成的子系統(tǒng)的控制，可滿足大型工業(yè)生產(chǎn)和日益復(fù)雜的過程控制的需求。

② SCADA系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是具有監(jiān)控程序及數(shù)據(jù)收集能力的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可以用在工業(yè)程序、基礎(chǔ)設(shè)施或設(shè)備中。SCADA系統(tǒng)作為生產(chǎn)過程和事務(wù)管理自動(dòng)化最為有效的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)之一，包含3個(gè)部分：第一部分是分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也就是通常所說的下位機(jī)；第二部分是過程監(jiān)控與管理系統(tǒng)，即上位機(jī)；第三部分是數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，包括上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以及將上位機(jī)、下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接起來的通信網(wǎng)絡(luò)。SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖1-4所示。

　　　　　注：IDE指Integrated Development Environment，集成開發(fā)環(huán)境。

圖1-4　SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)

SCADA系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是利用遠(yuǎn)程通信技術(shù)對地理位置分散的遠(yuǎn)程測控站點(diǎn)進(jìn)行集中監(jiān)控，主要應(yīng)用于石油和天然氣管道、電力電網(wǎng)、軌道交通等行業(yè)。

③ PLC。PLC是專門為應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式輸入/輸出（Input/Output，I/O）來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程，可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的開環(huán)控制、模擬量的閉環(huán)控制、數(shù)字量的智能控制、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控等。

PLC實(shí)質(zhì)上是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，硬件電路主要由中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）、存儲(chǔ)器［只讀存儲(chǔ)器（Read-Only Memory，ROM）/隨機(jī)存取機(jī)（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(xiàn)場I/O設(shè)備與CPU的接口電路，通信接口用于與編程器、上位機(jī)等外設(shè)連接。PLC的軟件由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。系統(tǒng)程序由PLC制造廠商設(shè)計(jì)編寫，并存入PLC的系統(tǒng)存儲(chǔ)器，用戶不能直接讀寫與更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監(jiān)控程序等。用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，根據(jù)控制要求編制的程序。PLC通常是SCADA系統(tǒng)和DCS中的關(guān)鍵組件，廣泛應(yīng)用于幾乎所有的工業(yè)生產(chǎn)過程。

圖1-5　PLC結(jié)構(gòu)

④ RTU。RTU是SCADA系統(tǒng)的基本組成單元，通常為安裝在遠(yuǎn)程現(xiàn)場的電子設(shè)備，負(fù)責(zé)對現(xiàn)場信號、工業(yè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。RTU的主要作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及本地控制。進(jìn)行本地控制時(shí)，其作為系統(tǒng)中獨(dú)立的工作站，可以獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)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(yè)上常用的控制調(diào)節(jié)功能。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，其作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信單元，可以完成或響應(yīng)本站與中心站或其他站的通信和遙控任務(wù)。RTU產(chǎn)品目前與無線設(shè)備、工業(yè)TCP/IP產(chǎn)品結(jié)合使用，廣泛應(yīng)用在油氣田、環(huán)保、熱網(wǎng)、水利、長輸管線、水處理、電力、交通、冶金、化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

4．工業(yè)主機(jī)

工業(yè)主機(jī)即工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（Industrial Personal Computer，IPC）（如圖1-6所示），是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）總線的工業(yè)計(jì)算機(jī)，具有重要的計(jì)算機(jī)屬性和特征，其主要的組成部分有工業(yè)機(jī)箱、無源底板及可插入的多種板卡，如CPU卡、I/O卡等。工業(yè)主機(jī)采用全鋼機(jī)殼、機(jī)卡壓條過濾網(wǎng)、雙正壓風(fēng)扇等設(shè)計(jì)，通過電磁兼容（ElectroMagnetic Compatibility，EMC）技術(shù)解決工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、震動(dòng)、灰塵、高溫/低溫等問題。

圖1-6 工業(yè)主機(jī)

工業(yè)主機(jī)通俗地說是專門為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，而工業(yè)現(xiàn)場一般具有震動(dòng)強(qiáng)、灰塵多、電磁場力強(qiáng)的特點(diǎn)，并且工廠一般是連續(xù)作業(yè)的。因此，工業(yè)主機(jī)與普通計(jì)算機(jī)相比必須具有以下特點(diǎn)。

● 工業(yè)機(jī)箱采用鋼結(jié)構(gòu)，有較強(qiáng)的防磁、防塵、防沖擊能力。

● 工業(yè)機(jī)箱內(nèi)有專用底板，底板上有PCI和ISA（Industry Standard Architecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)）插槽。

● 工業(yè)機(jī)箱內(nèi)有專門的電源，電源有較強(qiáng)的抗干擾能力。

● 具有連續(xù)長時(shí)間工作的能力。

● 一般采用便于安裝的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱。

雖然與普通的商用計(jì)算機(jī)相比，工業(yè)主機(jī)具有一定的優(yōu)勢，但其劣勢也非常明顯，具體如下。

● 配置硬盤容量小。

● 數(shù)據(jù)安全性低。

● 存儲(chǔ)選擇性小。

● 價(jià)格較高。

工業(yè)主機(jī)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)及生活的方方面面，如控制現(xiàn)場、路橋控制收費(fèi)系統(tǒng)、醫(yī)療器械、環(huán)境保護(hù)監(jiān)測、通信保障、智能交通管控系統(tǒng)、樓宇監(jiān)控安防、語音呼叫中心、排隊(duì)機(jī)、柜臺(tái)電子付款機(jī)（Point Of Sale，POS）、數(shù)控機(jī)床、加油機(jī)、金融信息處理、石化數(shù)據(jù)采集處理、物理勘探、野外便攜作業(yè)、軍工、電力、鐵路、高速公路、航天、地鐵、戶外廣告等。

5．工業(yè)通信設(shè)備

工業(yè)通信設(shè)備是用于連接感知設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備與管控中心，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、設(shè)備遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程管理維護(hù)的核心設(shè)備，能助力工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化運(yùn)行。典型的工業(yè)通信設(shè)備包括工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、工業(yè)路由器等，其中部分工業(yè)通信設(shè)備具有較強(qiáng)的品牌專用性。

（1）工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用于復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)采用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）機(jī)制，在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，其可靠性將大大降低，導(dǎo)致以太網(wǎng)不能使用。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)采用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)交換方式，可以加快以太網(wǎng)的通信速度，并且內(nèi)置智能報(bào)警設(shè)計(jì)，用于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，即便在惡劣、危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境中也能保證以太網(wǎng)可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)主要應(yīng)用在電力自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化、煤礦自動(dòng)化、軌道交通、風(fēng)能風(fēng)電等領(lǐng)域，還應(yīng)用在冶金、石油石化、道路交通控制自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)控制、油田控制自動(dòng)化、水電站控制自動(dòng)化、機(jī)房監(jiān)控、水利監(jiān)控、環(huán)保監(jiān)控等領(lǐng)域。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)因其具有較高的防護(hù)等級（一般為IP40）、較強(qiáng)的電磁兼容性（EMS 4級）、穩(wěn)定的工作性能而應(yīng)用在一些條件苛刻的工業(yè)現(xiàn)場，為工業(yè)通信提供有力的保障。

（2）工業(yè)路由器

工業(yè)路由器是一種物聯(lián)網(wǎng)無線通信路由器，網(wǎng)關(guān)可對標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議、無線與有線接口或以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種工廠自動(dòng)化設(shè)備結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，適用于無風(fēng)扇冷卻的惡劣工業(yè)環(huán)境，專門用于工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸。目前，工業(yè)路由器已廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的機(jī)器對機(jī)器（Machine to Machine，M2M）行業(yè)，如智能電網(wǎng)、智能交通、智能家居、金融、移動(dòng)POS終端、供應(yīng)鏈自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、智能建筑、消防、公共安全、環(huán)境保護(hù)、氣象、數(shù)字化醫(yī)療、遙感勘測、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水務(wù)、煤礦、石化等領(lǐng)域。

6．工業(yè)人機(jī)界面和傳感器

人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）是可以顯示程序狀態(tài)的設(shè)備，操作員可以依托HMI實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控及程序控制。HMI會(huì)連接到SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫及軟件，讀取相關(guān)信息，以顯示趨勢、診斷數(shù)據(jù)及相關(guān)管理信息，如定期維護(hù)程序、物流信息、特定傳感器或機(jī)器的細(xì)部線路圖、協(xié)助故障排除的專家系統(tǒng)。

傳感器是一種檢測裝置，主要存在于生產(chǎn)末端，能感受到測量的信息，并將感受到的信息按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)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(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。

7．工業(yè)生產(chǎn)信息系統(tǒng)

工業(yè)生產(chǎn)信息系統(tǒng)能夠助力企業(yè)建立合規(guī)、精確且具有時(shí)效性的生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，完成各類業(yè)務(wù)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(yè)生產(chǎn)信息系統(tǒng)有MES、ERP系統(tǒng)、客戶關(guān)系管理（Customer Relationship Management，CRM）系統(tǒng)、供應(yīng)商關(guān)系管理（Supplier Relationship Management，SRM）系統(tǒng)等。

MES是面向制造企業(yè)車間執(zhí)行層的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)，主要分為四大類，分別為針對某個(gè)特定領(lǐng)域問題而開發(fā)的專用MES、集成MES、可集成的MES、智能化的MES。國際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)（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(dá)到產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理。當(dāng)車間發(fā)生實(shí)時(shí)事件時(shí)，MES能及時(shí)做出反應(yīng)、報(bào)告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進(jìn)行指導(dǎo)處理。這種對狀態(tài)變化的迅速響應(yīng)使MES能夠減少企業(yè)內(nèi)部沒有附加值的活動(dòng)，有效地指導(dǎo)車間的生產(chǎn)運(yùn)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(chǎn)回報(bào)率。MES還通過雙向的直接通信在企業(yè)內(nèi)部和整個(gè)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中提供有關(guān)產(chǎn)品行為的關(guān)鍵任務(wù)信息”。

MES集成了車間中生產(chǎn)調(diào)度管理、生產(chǎn)質(zhì)量管理、生產(chǎn)設(shè)備管理、生產(chǎn)過程管理等相互獨(dú)立的模塊，實(shí)現(xiàn)模塊間的數(shù)據(jù)共享，各模塊如圖1-7所示。

● 資源分配和狀態(tài)管理：對資源分配和狀態(tài)信息進(jìn)行管理，包括機(jī)床、輔助工具、物料、勞動(dòng)者等生產(chǎn)能力實(shí)體以及開始加工前必須準(zhǔn)備的文檔和資源等詳細(xì)數(shù)據(jù)，對資源的管理還包括為滿足生產(chǎn)計(jì)劃的要求而對資源所做的預(yù)留和調(diào)度。

● 工序級詳細(xì)生產(chǎn)計(jì)劃：負(fù)責(zé)生成工序級操作計(jì)劃，即詳細(xì)生產(chǎn)計(jì)劃，提供基于指定生產(chǎn)單元相關(guān)的優(yōu)先級、屬性、特征、方法等的作業(yè)排序功能。其目的就是安排一個(gè)合理的序列以最大限度地壓縮生產(chǎn)過程中的輔助時(shí)間，它是基于有限能力的生產(chǎn)執(zhí)行計(jì)劃。

圖1-7　MES的模塊

● 生產(chǎn)調(diào)度管理：以作業(yè)、批量以及工作訂單等形式管理和控制生產(chǎn)單元中的物料流和信息流；能夠調(diào)整車間規(guī)定的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，對返修品和廢品進(jìn)行處理，用緩沖管理的方法控制在制品數(shù)量。

● 文檔管理：管理與生產(chǎn)單元相關(guān)的記錄/單據(jù)，包括圖紙、配方、工藝文件、工程變更等；還可以對存儲(chǔ)的生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)等操作。

● 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集：負(fù)責(zé)采集生產(chǎn)現(xiàn)場中各種必要的實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)。這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以從車間手動(dòng)輸入或通過各種自動(dòng)方式獲得。

● 人力資源管理：提供實(shí)時(shí)更新的員工狀態(tài)信息；可以與設(shè)備的資源分配和狀態(tài)管理模塊相互作用來決定最終的優(yōu)化分配。

● 生產(chǎn)質(zhì)量管理：對從制造現(xiàn)場收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析以控制產(chǎn)品質(zhì)量，并確定生產(chǎn)中需要注意的問題。

● 生產(chǎn)過程管理：監(jiān)控生產(chǎn)過程，自動(dòng)修正生產(chǎn)中的錯(cuò)誤，提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，并為用戶提供修正錯(cuò)誤和提高在制品生產(chǎn)行為的決策支持。

● 生產(chǎn)設(shè)備管理：跟蹤和指導(dǎo)企業(yè)維護(hù)設(shè)備和道具以保證制造過程順利進(jìn)行，并產(chǎn)生除報(bào)警外的階段性、周期性和預(yù)防性的維護(hù)計(jì)劃，同時(shí)對需要直接解決的問題進(jìn)行響應(yīng)。

● 產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理：通過監(jiān)視工件在任意時(shí)刻的位置和工藝狀態(tài)來獲取每個(gè)產(chǎn)品的歷史記錄，該記錄使產(chǎn)品組及每個(gè)最終產(chǎn)品的使用情況具有可追溯性。

● 生產(chǎn)性能分析：能提供實(shí)時(shí)更新的實(shí)際制造過程的結(jié)果報(bào)告，并將這些結(jié)果與歷史記錄及所期望出現(xiàn)的經(jīng)營目標(biāo)進(jìn)行比較。

ERP系統(tǒng)是從企業(yè)戰(zhàn)略角度出發(fā)，處理企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)中的計(jì)劃、生產(chǎn)、銷售、庫存等信息，優(yōu)化企業(yè)運(yùn)行模式的人機(jī)系統(tǒng)，分為適用于企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)的客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server，C/S）架構(gòu)下的ERP軟件，以及適用于局域網(wǎng)和外部網(wǎng)絡(luò)的瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)下的ERP軟件。ERP面向全球市場，協(xié)調(diào)企業(yè)各管理部門及其與供應(yīng)商和客戶的業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、采購、銷售流程的統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化，是集信息技術(shù)與先進(jìn)管理思想于一體，以系統(tǒng)化的管理思想為企業(yè)員工及決策層提供決策手段的管理平臺(tái)。

ERP系統(tǒng)的功能模塊主要包括財(cái)務(wù)、生產(chǎn)、采購與銷售三大模塊。隨著ERP系統(tǒng)的發(fā)展，其功能模塊也在不斷地?cái)U(kuò)展，如會(huì)計(jì)核算、財(cái)務(wù)管理、生產(chǎn)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(jì)劃（Material Requirement Planning，MRP）發(fā)展而來，擴(kuò)展了MRP的功能，其核心功能是供應(yīng)鏈管理，對于改善企業(yè)業(yè)務(wù)流程、提高企業(yè)核心競爭力具有顯著作用。

CRM系統(tǒng)以客戶數(shù)據(jù)的管理為核心，保證客戶的聯(lián)系信息處于最新狀態(tài)，跟蹤客戶與企業(yè)的每次交互并管理賬戶。

與ERP系統(tǒng)不同的是，CRM系統(tǒng)以建立、發(fā)展和維護(hù)客戶關(guān)系為主要目的，其本質(zhì)是吸引客戶、留住客戶、實(shí)現(xiàn)客戶利益最大化，發(fā)展客戶關(guān)系，推動(dòng)業(yè)務(wù)增長并提高客戶忠誠度。

SRM系統(tǒng)是建立商業(yè)規(guī)則的行為，幫助企業(yè)分析與具有不同重要性的產(chǎn)品和服務(wù)的供應(yīng)商如何進(jìn)行溝通以實(shí)現(xiàn)盈利，包括供應(yīng)商分類選擇、戰(zhàn)略關(guān)系發(fā)展、供應(yīng)商談判和供應(yīng)商績效評價(jià)4個(gè)方面。SRM系統(tǒng)主要用于改善企業(yè)與供應(yīng)商的關(guān)系，致力于幫助雙方建立和維持長久、緊密的合作關(guān)系。