工業(yè)軟件與工業(yè)4.0

PLCopen國際組織中國主席 嚴(yán)義

工業(yè)軟件與工業(yè)4.0

PLCopen國際組織中國主席 嚴(yán)義

1 引言

工業(yè)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(yè)4.0一詞，不同的人對其卻有不同的理解。對于工業(yè)4.0的詮釋，在德國的漢諾威工業(yè)博覽會、紐倫堡SPS自動化工業(yè)展或相關(guān)網(wǎng)站能直接得到“真金”。近幾年，中國人開始關(guān)心這兩個世界頂級的工業(yè)盛會，特別是企業(yè)與行業(yè)相關(guān)的人，他們從中理解德國工業(yè)4.0，關(guān)心其中的工業(yè)軟件。

工業(yè)軟件是實現(xiàn)工業(yè)4.0的重要角色，據(jù)觀察，近幾年漢諾威工業(yè)博覽會和紐倫堡SPS展都設(shè)有專門的工業(yè)軟件展區(qū)，并分布在工業(yè)控制、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等廳中，大會目前為工業(yè)軟件進(jìn)行了如下分類：項目規(guī)劃類，工程工具類（包括CAD、CAE、CAM等），管理類（包括虛擬現(xiàn)實的工廠仿真、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、工廠信息管理系統(tǒng)、工廠的情報系統(tǒng)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)等）、人機(jī)界面類、控制類、軟件服務(wù)類。

從物理形態(tài)上看，工業(yè)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(yè)軟件是嵌入在控制器、人機(jī)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(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)+網(wǎng)絡(luò)技術(shù)定義為本次工業(yè)4.0信息物理系統(tǒng)（CPS）的核心和基礎(chǔ)。非嵌入式軟件是裝在通用計算機(jī)、服務(wù)器、工業(yè)控制計算機(jī)之中的項目規(guī)劃、工程工具、服務(wù)管理等軟件，涵蓋設(shè)計、開發(fā)、工藝、監(jiān)控、協(xié)議、管理等內(nèi)容。

2 特點

（1）繼承性強(qiáng)。需行業(yè)經(jīng)驗和長期積累，其專業(yè)性強(qiáng)，應(yīng)用面窄；與IT領(lǐng)域通用軟件不同，不是關(guān)注不斷創(chuàng)新，而是要不斷積累；它強(qiáng)調(diào)將對物理世界的深刻理解，并能積累到軟件中；多數(shù)工業(yè)軟件開發(fā)工作量巨大，沒有團(tuán)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(yè)管理類軟件SAP為例，SAP不僅提供管理軟件系統(tǒng)及軟件服務(wù)，更重要的是提供了一套管理方式，這套管理方式是多年經(jīng)驗積累而成。又如1987成立的德國斯圖加特大學(xué)的ISG研究所，專門研究機(jī)器人控制(RC)、數(shù)控設(shè)備控制（NCN）領(lǐng)域的運(yùn)動控制，并形成核心軟件ISG kernel，庫卡（KUKA）機(jī)器人目前運(yùn)動控制采用該技術(shù)，是公認(rèn)權(quán)威的優(yōu)化運(yùn)動控制軟件，其需要大量積累機(jī)器人與數(shù)控領(lǐng)域的經(jīng)驗，短時間難以實現(xiàn)。

（2）可靠性高。軟件與制造業(yè)的生產(chǎn)過程和機(jī)器結(jié)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(chǎn)，還是各類紡織機(jī)械、塑料機(jī)械、包裝機(jī)械、汽車生產(chǎn)等的控制都離不開可靠性，工業(yè)軟件不僅對軟件的正確性要求十分嚴(yán)苛，而且對軟件開發(fā)、管理要求十分嚴(yán)密，IEC61508軟件SIL安全認(rèn)證，需監(jiān)控軟件開發(fā)的全過程及軟件全生命周期。對于與硬件直接相關(guān)的軟件更是只能正確，這與我們平時用的手機(jī)、PC機(jī)的軟件偶爾死機(jī)的性質(zhì)完全不同。

（3）平臺化。平臺化是當(dāng)前工業(yè)軟件的主要特征，是軟件效率與可靠性的保證。工程設(shè)計類軟件（CAD、CAE、CAM等）的平臺性毫無爭議；控制、HMI、管理開發(fā)類軟件的平臺性已經(jīng)發(fā)展成熟，如按照PLCopen的IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的CODEsys與KW-MULTIPROG控制用平臺軟件，可滿足企業(yè)開發(fā)不同DCS、PLC產(chǎn)品的需要，又有很好的繼承性、可靠性，目前國內(nèi)的主流DCS與PLC企業(yè)都在選用。軟件的平臺化使得軟件開發(fā)難度大大提高，軟件不僅要完成業(yè)務(wù)功能需求，還要能完成軟件復(fù)用、軟件生成和數(shù)據(jù)重構(gòu)、處理輸出等功能。

3 現(xiàn)狀

國家十分重視工業(yè)軟件，從2010年工信部組織建立了中國工業(yè)軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟，到工業(yè)基礎(chǔ)軟件“自主可控”政策的推出，已經(jīng)取得明顯的作用。但中國工業(yè)軟件的現(xiàn)狀不樂觀，主要體現(xiàn)在：

（1）認(rèn)識不夠。從政府到企業(yè)，從大學(xué)到研究所，將工業(yè)軟件等同于應(yīng)用軟件的開發(fā)，尚未認(rèn)識到工業(yè)軟件基礎(chǔ)平臺化的重要性與困難；缺少對系統(tǒng)性、關(guān)鍵性軟件的持續(xù)支持，國家的科技攻關(guān)項目強(qiáng)調(diào)大工程、短平快，軟件項目附在大項目中，缺少打基礎(chǔ)、攻難關(guān)的工業(yè)軟件項目；國家有機(jī)器人用操作系統(tǒng)項目，但是，機(jī)器人的開發(fā)平臺、協(xié)同運(yùn)動控制、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議軟件是核心，每項內(nèi)容都困難。說明對當(dāng)前工業(yè)軟件認(rèn)識有問題；開發(fā)平臺工業(yè)軟件難度大，但意義更大，不應(yīng)該回避，更不應(yīng)該將某個行業(yè)的應(yīng)用軟件等同于平臺化的工業(yè)軟件；如計算機(jī)操作系統(tǒng)，國家應(yīng)該給與大力和持續(xù)的支持。

（2）人才奇缺。IT業(yè)的發(fā)展已經(jīng)開始制約工業(yè)軟件的基本人才條件，工業(yè)軟件的類型豐富，應(yīng)用面廣，中國企業(yè)的人才目前只能滿足應(yīng)用國外工業(yè)軟件的需求，很多類型的工業(yè)軟件缺少研發(fā)人員，因此大量開發(fā)類型軟件如CAD、CAE、CAM均靠進(jìn)口。造成這種現(xiàn)象的原因是：IT工業(yè)與制造業(yè)發(fā)展不平衡。同是編程人員，甚至工業(yè)軟件的編程人員比IT的軟件人員要求更高，但目前IT業(yè)技術(shù)人員的收入是制造業(yè)的2～4倍，技術(shù)精英大量轉(zhuǎn)到IT業(yè)，人才離開了生產(chǎn)、設(shè)備與機(jī)器，誰來改造，提升制造業(yè)？

（3）“生態(tài)”混亂。國內(nèi)工業(yè)軟件的研發(fā)、銷售的生態(tài)已“被”打亂，從開發(fā)、認(rèn)證、規(guī)劃都存在自主技術(shù)不夠與引進(jìn)技術(shù)不消化的問題。制造業(yè)企業(yè)沒有資金與能力開發(fā)，國內(nèi)企業(yè)不愿意用自主產(chǎn)品，市場與環(huán)境沒有留下多少生存土壤，自主工業(yè)軟件發(fā)展艱難；政府對工業(yè)軟件的生態(tài)調(diào)控困難，已經(jīng)出現(xiàn)國內(nèi)工業(yè)軟件企業(yè)與國外企業(yè)技術(shù)競爭已明顯不公的情況。在與生產(chǎn)CODEsys軟件的德國3S公司深入交流可以發(fā)現(xiàn)，該公司很多年一直獲得歐盟、國家、州政府的經(jīng)費長期支持；據(jù)斯圖加特大學(xué)的ISG研究所網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)顯示，2014年，獲德國教育與科技部的5個項目經(jīng)費支持的公司都不是所謂的大公司。通過走訪國內(nèi)民間企業(yè)也可發(fā)現(xiàn)問題，在浙江平陽，有一個當(dāng)?shù)厥钟忻麣獾挠∷C(jī)械設(shè)備企業(yè)，產(chǎn)值過億、產(chǎn)品出口；以其標(biāo)簽檢品機(jī)產(chǎn)品為例，產(chǎn)品銷售價格40萬左右，其中進(jìn)口關(guān)鍵部件BST圖像處理系統(tǒng)，價格20～30萬。這說明一方面中國企業(yè)產(chǎn)品利潤很低，沒有研發(fā)工業(yè)軟件的經(jīng)濟(jì)條件。另一方面，生產(chǎn)產(chǎn)品越多，國外企業(yè)利潤越多，研發(fā)經(jīng)費取之不竭。

4 發(fā)展

中國已經(jīng)成為世界制造業(yè)大國，雖然產(chǎn)品過剩、利潤少、技術(shù)含量低等問題嚴(yán)重，但是企業(yè)的生產(chǎn)物理內(nèi)容在中國，對事物的理解基礎(chǔ)在中國，只要愿意，制造過程的技術(shù)訣竅know how可以由民族團(tuán)隊繼承；以PCB生產(chǎn)為例，我國已經(jīng)是PCB第一生產(chǎn)大國，企業(yè)已經(jīng)掌握PCB的CAD設(shè)計、生產(chǎn)、設(shè)備操作、工藝等全過程。從用戶CAD設(shè)計PCB文件到生產(chǎn)，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(guī)則檢查（DRC）及自動修改有問題的設(shè)計，自動完成拼板、旋轉(zhuǎn)和鏡向，自動添加電鍍夾片、內(nèi)層排膠條和測試圖形，自動添加各種定位孔，生成數(shù)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(wǎng)絡(luò)表，計算導(dǎo)體銅箔的面積等；通過多年的生產(chǎn)，這些從PCB設(shè)計到加工的工藝細(xì)節(jié)中國企業(yè)已經(jīng)掌握，只是PCB生產(chǎn)企業(yè)沒有軟件人才，PCB企業(yè)表示如果有軟件團(tuán)隊，開發(fā)只是時間問題，當(dāng)然需要資金。

如何解決中國從制造大國到制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)型，目前來看跨越式發(fā)展是一個方法，但更適用于IT互聯(lián)網(wǎng)的世界。工業(yè)軟件靠積累，靠人類對客觀世界的認(rèn)識的不斷提高。在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)形式下，需小步快走，我國大學(xué)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(dǎo)和國內(nèi)制造業(yè)企業(yè)給與支持和理解，讓大學(xué)與研究所走向行業(yè)企業(yè)，接觸機(jī)器設(shè)備，了解用戶需求。雖然國內(nèi)已經(jīng)有了華中數(shù)控、浙大中控等一批著名企業(yè)，并給出很好的范例。但支持小團(tuán)隊是支持創(chuàng)新的根本，所有成功的企業(yè)都是從小團(tuán)隊開始。

從工業(yè)4.0談到智能制造，CPS更應(yīng)該讓我們重視工業(yè)軟件，是否能放下談?wù)?，走向工業(yè)，接觸機(jī)器，讓我們知道智能制造需要什么。從設(shè)備級來說伺服代替齒輪是新一代工業(yè)革命要點，進(jìn)一步需完成運(yùn)動控制與視覺的智能結(jié)合，為柔性生產(chǎn)打基礎(chǔ)，這里嵌入式系統(tǒng)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(guī)劃、設(shè)計、生產(chǎn)、銷售到服務(wù)形成信息的閉環(huán)，互聯(lián)網(wǎng)將成為主角。

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

嚴(yán)義，二級教授，博士生導(dǎo)師，計算機(jī)應(yīng)用、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)專業(yè)方向。智能與軟件研究所所長，兼杭州電子科技大學(xué)國家級計算機(jī)基礎(chǔ)實驗示范中心主任，浙江省嵌入式系統(tǒng)重點實驗室(杭電)主任，浙江省重點科技創(chuàng)新團(tuán)隊（面向行業(yè)的嵌入式關(guān)鍵技術(shù)）負(fù)責(zé)人。現(xiàn)任PLCopen中國主席。

研究領(lǐng)域：計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)、機(jī)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(guān)項目若干。在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物及國際重要學(xué)術(shù)會議上發(fā)表論文40多篇，被SCI、EI檢索論文20余篇，教材論著3部，授權(quán)發(fā)明專利10多項。主持的項目獲浙江省科技進(jìn)步獎一等獎一項、浙江省科技進(jìn)步獎二等獎2項，浙江省科技進(jìn)步獎三等獎1項。

現(xiàn)為享受政府特貼專家，浙江省有突出貢獻(xiàn)中青年專家，全國信息產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新先進(jìn)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(xué)科帶頭人。