工业软件与工业4.0

PLCopen国际组织中国主席 严义

工业软件与工业4.0

PLCopen国际组织中国主席 严义

1 引言

工业4.0给两化融合带来了新的动力，中国人善于追逐新名词和新概念，虽然同是工业4.0一词，不同的人对其却有不同的理解。对于工业4.0的诠释，在德国的汉诺威工业博览会、纽伦堡SPS自动化工业展或相关网站能直接得到“真金”。近几年，中国人开始关心这两个世界顶级的工业盛会，特别是企业与行业相关的人，他们从中理解德国工业4.0，关心其中的工业软件。

工业软件是实现工业4.0的重要角色，据观察，近几年汉诺威工业博览会和纽伦堡SPS展都设有专门的工业软件展区，并分布在工业控制、工业网络等厅中，大会目前为工业软件进行了如下分类：项目规划类，工程工具类（包括CAD、CAE、CAM等），管理类（包括虚拟现实的工厂仿真、资产管理系统、生产数据采集系统、ERP系统、信息管理系统、MES系统、工厂信息管理系统、工厂的情报系统、生产数据管理系统、SCADA系统、供应链管理系统等）、人机界面类、控制类、软件服务类。

从物理形态上看，工业软件可分成嵌入式软件与非嵌入式软件两大类；嵌入式工业软件是嵌入在控制器、人机界面（HMI）、通信、传感装置之中的采集、控制、通信、显示等软件；德国人将嵌入系统、嵌入式系统+网络技术定义为本次工业4.0信息物理系统（CPS）的核心和基础。非嵌入式软件是装在通用计算机、服务器、工业控制计算机之中的项目规划、工程工具、服务管理等软件，涵盖设计、开发、工艺、监控、协议、管理等内容。

2 特点

（1）继承性强。需行业经验和长期积累，其专业性强，应用面窄；与IT领域通用软件不同，不是关注不断创新，而是要不断积累；它强调将对物理世界的深刻理解，并能积累到软件中；多数工业软件开发工作量巨大，没有团队多年的工作，很难形成具有市场竞争力的软件，更难说独具特色。以企业管理类软件SAP为例，SAP不仅提供管理软件系统及软件服务，更重要的是提供了一套管理方式，这套管理方式是多年经验积累而成。又如1987成立的德国斯图加特大学的ISG研究所，专门研究机器人控制(RC)、数控设备控制（NCN）领域的运动控制，并形成核心软件ISG kernel，库卡（KUKA）机器人目前运动控制采用该技术，是公认权威的优化运动控制软件，其需要大量积累机器人与数控领域的经验，短时间难以实现。

（2）可靠性高。软件与制造业的生产过程和机器结合，需要高可靠性保证过程与动作的正确性；无论是高速列车、炼油过程、轧钢生产，还是各类纺织机械、塑料机械、包装机械、汽车生产等的控制都离不开可靠性，工业软件不仅对软件的正确性要求十分严苛，而且对软件开发、管理要求十分严密，IEC61508软件SIL安全认证，需监控软件开发的全过程及软件全生命周期。对于与硬件直接相关的软件更是只能正确，这与我们平时用的手机、PC机的软件偶尔死机的性质完全不同。

（3）平台化。平台化是当前工业软件的主要特征，是软件效率与可靠性的保证。工程设计类软件（CAD、CAE、CAM等）的平台性毫无争议；控制、HMI、管理开发类软件的平台性已经发展成熟，如按照PLCopen的IEC61131-3标准开发的CODEsys与KW-MULTIPROG控制用平台软件，可满足企业开发不同DCS、PLC产品的需要，又有很好的继承性、可靠性，目前国内的主流DCS与PLC企业都在选用。软件的平台化使得软件开发难度大大提高，软件不仅要完成业务功能需求，还要能完成软件复用、软件生成和数据重构、处理输出等功能。

3 现状

国家十分重视工业软件，从2010年工信部组织建立了中国工业软件产业发展联盟，到工业基础软件“自主可控”政策的推出，已经取得明显的作用。但中国工业软件的现状不乐观，主要体现在：

（1）认识不够。从政府到企业，从大学到研究所，将工业软件等同于应用软件的开发，尚未认识到工业软件基础平台化的重要性与困难；缺少对系统性、关键性软件的持续支持，国家的科技攻关项目强调大工程、短平快，软件项目附在大项目中，缺少打基础、攻难关的工业软件项目；国家有机器人用操作系统项目，但是，机器人的开发平台、协同运动控制、网络通信协议软件是核心，每项内容都困难。说明对当前工业软件认识有问题；开发平台工业软件难度大，但意义更大，不应该回避，更不应该将某个行业的应用软件等同于平台化的工业软件；如计算机操作系统，国家应该给与大力和持续的支持。

（2）人才奇缺。IT业的发展已经开始制约工业软件的基本人才条件，工业软件的类型丰富，应用面广，中国企业的人才目前只能满足应用国外工业软件的需求，很多类型的工业软件缺少研发人员，因此大量开发类型软件如CAD、CAE、CAM均靠进口。造成这种现象的原因是：IT工业与制造业发展不平衡。同是编程人员，甚至工业软件的编程人员比IT的软件人员要求更高，但目前IT业技术人员的收入是制造业的2～4倍，技术精英大量转到IT业，人才离开了生产、设备与机器，谁来改造，提升制造业？

（3）“生态”混乱。国内工业软件的研发、销售的生态已“被”打乱，从开发、认证、规划都存在自主技术不够与引进技术不消化的问题。制造业企业没有资金与能力开发，国内企业不愿意用自主产品，市场与环境没有留下多少生存土壤，自主工业软件发展艰难；政府对工业软件的生态调控困难，已经出现国内工业软件企业与国外企业技术竞争已明显不公的情况。在与生产CODEsys软件的德国3S公司深入交流可以发现，该公司很多年一直获得欧盟、国家、州政府的经费长期支持；据斯图加特大学的ISG研究所网站公布的数据显示，2014年，获德国教育与科技部的5个项目经费支持的公司都不是所谓的大公司。通过走访国内民间企业也可发现问题，在浙江平阳，有一个当地十分有名气的印刷机械设备企业，产值过亿、产品出口；以其标签检品机产品为例，产品销售价格40万左右，其中进口关键部件BST图像处理系统，价格20～30万。这说明一方面中国企业产品利润很低，没有研发工业软件的经济条件。另一方面，生产产品越多，国外企业利润越多，研发经费取之不竭。

4 发展

中国已经成为世界制造业大国，虽然产品过剩、利润少、技术含量低等问题严重，但是企业的生产物理内容在中国，对事物的理解基础在中国，只要愿意，制造过程的技术诀窍know how可以由民族团队继承；以PCB生产为例，我国已经是PCB第一生产大国，企业已经掌握PCB的CAD设计、生产、设备操作、工艺等全过程。从用户CAD设计PCB文件到生产，首先需要CAM（软件是以色列Orbotech、美国Gerber、美国Scitex等公司提供，价格不菲），完成自动布线规则检查（DRC）及自动修改有问题的设计，自动完成拼板、旋转和镜向，自动添加电镀夹片、内层排胶条和测试图形，自动添加各种定位孔，生成数控钻床钻孔资料和铣外形资料，自动生成光板测试模板钻孔资料和网络表，计算导体铜箔的面积等；通过多年的生产，这些从PCB设计到加工的工艺细节中国企业已经掌握，只是PCB生产企业没有软件人才，PCB企业表示如果有软件团队，开发只是时间问题，当然需要资金。

如何解决中国从制造大国到制造强国转型，目前来看跨越式发展是一个方法，但更适用于IT互联网的世界。工业软件靠积累，靠人类对客观世界的认识的不断提高。在当前经济形式下，需小步快走，我国大学与研究所人才资源丰富，是一股可以依靠的力量；但需通过政府引导和国内制造业企业给与支持和理解，让大学与研究所走向行业企业，接触机器设备，了解用户需求。虽然国内已经有了华中数控、浙大中控等一批著名企业，并给出很好的范例。但支持小团队是支持创新的根本，所有成功的企业都是从小团队开始。

从工业4.0谈到智能制造，CPS更应该让我们重视工业软件，是否能放下谈论，走向工业，接触机器，让我们知道智能制造需要什么。从设备级来说伺服代替齿轮是新一代工业革命要点，进一步需完成运动控制与视觉的智能结合，为柔性生产打基础，这里嵌入式系统将仍然是主角。从工厂级来说需要将信息流代替人工流，从规划、设计、生产、销售到服务形成信息的闭环，互联网将成为主角。

我们需要几十年方向不变的小团队，因为它们是中国工业软件的未来。国家应该支持建立大量的工业软件小团队，采用阶梯式、持续式、不变式的支持方式，代替短平快、跟风式、操作式方式，这些团队必须面向企业、行业、窄方向，重新苦战10年，中国工业软件才有自己的话语权，才能将工业4.0成为中国的工业4.0。

严义，二级教授，博士生导师，计算机应用、计算机系统结构专业方向。智能与软件研究所所长，兼杭州电子科技大学国家级计算机基础实验示范中心主任，浙江省嵌入式系统重点实验室(杭电)主任，浙江省重点科技创新团队（面向行业的嵌入式关键技术）负责人。现任PLCopen中国主席。

研究领域：计算机系统结构、嵌入式系统、机电一体化、自动化智能仪器仪表等。先后主持过国家自然基金、国家863项目，省部级科技重大、重点攻关项目若干。在国内外重要学术刊物及国际重要学术会议上发表论文40多篇，被SCI、EI检索论文20余篇，教材论著3部，授权发明专利10多项。主持的项目获浙江省科技进步奖一等奖一项、浙江省科技进步奖二等奖2项，浙江省科技进步奖三等奖1项。

现为享受政府特贴专家，浙江省有突出贡献中青年专家，全国信息产业科技创新先进个人，浙江省151人才工程一层次人员（重点资助人员），浙江省高校中青年学科带头人。