工業軟件與工業4.0

PLCopen國際組織中國主席 嚴義

工業軟件與工業4.0

PLCopen國際組織中國主席 嚴義

1 引言

工業4.0給兩化融合帶來了新的動力，中國人善于追逐新名詞和新概念，雖然同是工業4.0一詞，不同的人對其卻有不同的理解。對于工業4.0的詮釋，在德國的漢諾威工業博覽會、紐倫堡SPS自動化工業展或相關網站能直接得到“真金”。近幾年，中國人開始關心這兩個世界頂級的工業盛會，特別是企業與行業相關的人，他們從中理解德國工業4.0，關心其中的工業軟件。

工業軟件是實現工業4.0的重要角色，據觀察，近幾年漢諾威工業博覽會和紐倫堡SPS展都設有專門的工業軟件展區，并分布在工業控制、工業網絡等廳中，大會目前為工業軟件進行了如下分類：項目規劃類，工程工具類（包括CAD、CAE、CAM等），管理類（包括虛擬現實的工廠仿真、資產管理系統、生產數據采集系統、ERP系統、信息管理系統、MES系統、工廠信息管理系統、工廠的情報系統、生產數據管理系統、SCADA系統、供應鏈管理系統等）、人機界面類、控制類、軟件服務類。

從物理形態上看，工業軟件可分成嵌入式軟件與非嵌入式軟件兩大類；嵌入式工業軟件是嵌入在控制器、人機界面（HMI）、通信、傳感裝置之中的采集、控制、通信、顯示等軟件；德國人將嵌入系統、嵌入式系統+網絡技術定義為本次工業4.0信息物理系統（CPS）的核心和基礎。非嵌入式軟件是裝在通用計算機、服務器、工業控制計算機之中的項目規劃、工程工具、服務管理等軟件，涵蓋設計、開發、工藝、監控、協議、管理等內容。

2 特點

（1）繼承性強。需行業經驗和長期積累，其專業性強，應用面窄；與IT領域通用軟件不同，不是關注不斷創新，而是要不斷積累；它強調將對物理世界的深刻理解，并能積累到軟件中；多數工業軟件開發工作量巨大，沒有團隊多年的工作，很難形成具有市場競爭力的軟件，更難說獨具特色。以企業管理類軟件SAP為例，SAP不僅提供管理軟件系統及軟件服務，更重要的是提供了一套管理方式，這套管理方式是多年經驗積累而成。又如1987成立的德國斯圖加特大學的ISG研究所，專門研究機器人控制(RC)、數控設備控制（NCN）領域的運動控制，并形成核心軟件ISG kernel，庫卡（KUKA）機器人目前運動控制采用該技術，是公認權威的優化運動控制軟件，其需要大量積累機器人與數控領域的經驗，短時間難以實現。

（2）可靠性高。軟件與制造業的生產過程和機器結合，需要高可靠性保證過程與動作的正確性；無論是高速列車、煉油過程、軋鋼生產，還是各類紡織機械、塑料機械、包裝機械、汽車生產等的控制都離不開可靠性，工業軟件不僅對軟件的正確性要求十分嚴苛，而且對軟件開發、管理要求十分嚴密，IEC61508軟件SIL安全認證，需監控軟件開發的全過程及軟件全生命周期。對于與硬件直接相關的軟件更是只能正確，這與我們平時用的手機、PC機的軟件偶爾死機的性質完全不同。

（3）平臺化。平臺化是當前工業軟件的主要特征，是軟件效率與可靠性的保證。工程設計類軟件（CAD、CAE、CAM等）的平臺性毫無爭議；控制、HMI、管理開發類軟件的平臺性已經發展成熟，如按照PLCopen的IEC61131-3標準開發的CODEsys與KW-MULTIPROG控制用平臺軟件，可滿足企業開發不同DCS、PLC產品的需要，又有很好的繼承性、可靠性，目前國內的主流DCS與PLC企業都在選用。軟件的平臺化使得軟件開發難度大大提高，軟件不僅要完成業務功能需求，還要能完成軟件復用、軟件生成和數據重構、處理輸出等功能。

3 現狀

國家十分重視工業軟件，從2010年工信部組織建立了中國工業軟件產業發展聯盟，到工業基礎軟件“自主可控”政策的推出，已經取得明顯的作用。但中國工業軟件的現狀不樂觀，主要體現在：

（1）認識不夠。從政府到企業，從大學到研究所，將工業軟件等同于應用軟件的開發，尚未認識到工業軟件基礎平臺化的重要性與困難；缺少對系統性、關鍵性軟件的持續支持，國家的科技攻關項目強調大工程、短平快，軟件項目附在大項目中，缺少打基礎、攻難關的工業軟件項目；國家有機器人用操作系統項目，但是，機器人的開發平臺、協同運動控制、網絡通信協議軟件是核心，每項內容都困難。說明對當前工業軟件認識有問題；開發平臺工業軟件難度大，但意義更大，不應該回避，更不應該將某個行業的應用軟件等同于平臺化的工業軟件；如計算機操作系統，國家應該給與大力和持續的支持。

（2）人才奇缺。IT業的發展已經開始制約工業軟件的基本人才條件，工業軟件的類型豐富，應用面廣，中國企業的人才目前只能滿足應用國外工業軟件的需求，很多類型的工業軟件缺少研發人員，因此大量開發類型軟件如CAD、CAE、CAM均靠進口。造成這種現象的原因是：IT工業與制造業發展不平衡。同是編程人員，甚至工業軟件的編程人員比IT的軟件人員要求更高，但目前IT業技術人員的收入是制造業的2～4倍，技術精英大量轉到IT業，人才離開了生產、設備與機器，誰來改造，提升制造業？

（3）“生態”混亂。國內工業軟件的研發、銷售的生態已“被”打亂，從開發、認證、規劃都存在自主技術不夠與引進技術不消化的問題。制造業企業沒有資金與能力開發，國內企業不愿意用自主產品，市場與環境沒有留下多少生存土壤，自主工業軟件發展艱難；政府對工業軟件的生態調控困難，已經出現國內工業軟件企業與國外企業技術競爭已明顯不公的情況。在與生產CODEsys軟件的德國3S公司深入交流可以發現，該公司很多年一直獲得歐盟、國家、州政府的經費長期支持；據斯圖加特大學的ISG研究所網站公布的數據顯示，2014年，獲德國教育與科技部的5個項目經費支持的公司都不是所謂的大公司。通過走訪國內民間企業也可發現問題，在浙江平陽，有一個當地十分有名氣的印刷機械設備企業，產值過億、產品出口；以其標簽檢品機產品為例，產品銷售價格40萬左右，其中進口關鍵部件BST圖像處理系統，價格20～30萬。這說明一方面中國企業產品利潤很低，沒有研發工業軟件的經濟條件。另一方面，生產產品越多，國外企業利潤越多，研發經費取之不竭。

4 發展

中國已經成為世界制造業大國，雖然產品過剩、利潤少、技術含量低等問題嚴重，但是企業的生產物理內容在中國，對事物的理解基礎在中國，只要愿意，制造過程的技術訣竅know how可以由民族團隊繼承；以PCB生產為例，我國已經是PCB第一生產大國，企業已經掌握PCB的CAD設計、生產、設備操作、工藝等全過程。從用戶CAD設計PCB文件到生產，首先需要CAM（軟件是以色列Orbotech、美國Gerber、美國Scitex等公司提供，價格不菲），完成自動布線規則檢查（DRC）及自動修改有問題的設計，自動完成拼板、旋轉和鏡向，自動添加電鍍夾片、內層排膠條和測試圖形，自動添加各種定位孔，生成數控鉆床鉆孔資料和銑外形資料，自動生成光板測試模板鉆孔資料和網絡表，計算導體銅箔的面積等；通過多年的生產，這些從PCB設計到加工的工藝細節中國企業已經掌握，只是PCB生產企業沒有軟件人才，PCB企業表示如果有軟件團隊，開發只是時間問題，當然需要資金。

如何解決中國從制造大國到制造強國轉型，目前來看跨越式發展是一個方法，但更適用于IT互聯網的世界。工業軟件靠積累，靠人類對客觀世界的認識的不斷提高。在當前經濟形式下，需小步快走，我國大學與研究所人才資源豐富，是一股可以依靠的力量；但需通過政府引導和國內制造業企業給與支持和理解，讓大學與研究所走向行業企業，接觸機器設備，了解用戶需求。雖然國內已經有了華中數控、浙大中控等一批著名企業，并給出很好的范例。但支持小團隊是支持創新的根本，所有成功的企業都是從小團隊開始。

從工業4.0談到智能制造，CPS更應該讓我們重視工業軟件，是否能放下談論，走向工業，接觸機器，讓我們知道智能制造需要什么。從設備級來說伺服代替齒輪是新一代工業革命要點，進一步需完成運動控制與視覺的智能結合，為柔性生產打基礎，這里嵌入式系統將仍然是主角。從工廠級來說需要將信息流代替人工流，從規劃、設計、生產、銷售到服務形成信息的閉環，互聯網將成為主角。

我們需要幾十年方向不變的小團隊，因為它們是中國工業軟件的未來。國家應該支持建立大量的工業軟件小團隊，采用階梯式、持續式、不變式的支持方式，代替短平快、跟風式、操作式方式，這些團隊必須面向企業、行業、窄方向，重新苦戰10年，中國工業軟件才有自己的話語權，才能將工業4.0成為中國的工業4.0。

嚴義，二級教授，博士生導師，計算機應用、計算機系統結構專業方向。智能與軟件研究所所長，兼杭州電子科技大學國家級計算機基礎實驗示范中心主任，浙江省嵌入式系統重點實驗室(杭電)主任，浙江省重點科技創新團隊（面向行業的嵌入式關鍵技術）負責人。現任PLCopen中國主席。

研究領域：計算機系統結構、嵌入式系統、機電一體化、自動化智能儀器儀表等。先后主持過國家自然基金、國家863項目，省部級科技重大、重點攻關項目若干。在國內外重要學術刊物及國際重要學術會議上發表論文40多篇，被SCI、EI檢索論文20余篇，教材論著3部，授權發明專利10多項。主持的項目獲浙江省科技進步獎一等獎一項、浙江省科技進步獎二等獎2項，浙江省科技進步獎三等獎1項。

現為享受政府特貼專家，浙江省有突出貢獻中青年專家，全國信息產業科技創新先進個人，浙江省151人才工程一層次人員（重點資助人員），浙江省高校中青年學科帶頭人。