内刊访谈

[特别策划] 流程行业工业软件发展困境如何破局?

发表时间:2019-11-06 09:49:32

文/周剑
 

  周剑:北京和利时系统工程有限公司系统设计师
 

  提话:流程行业所蕴含的行业专业知识背景差异巨大,其应用到的工业软件种类繁多。流程行业工业软件企业与国外企业相比起点低、发展不平衡、研发投入少、专业人员较为缺乏。与其一味强调新一代信息技术在制造业智能化上的作用,不如重视发展专业细分领域的工业软件,扶持一些重点专业和企业,聚焦各类CAX软件,解决制造行业难题。
 

  流程行业所涉及的领域非常广,不同类型的行业其行业专业背景知识差异巨大,生产装置、生产机理千差万别,完成它们设计制造、生产控制的各个工作环节所需的CAX(计算机辅助设计、制造、生成等类)、生成管理、控制、仿真、测量等工业软件的种类异常繁多,且差异巨大。
 

  工业软件的概念和特点分析
 

  工业软件(Industrial Software)是指在工业领域里应用的软件,用以解决工业生产的设计、制造、生产、维护等各个阶段的问题。按照目前公认的分类方法,工业软件可分为两类:嵌入式软件和非嵌入式软件。

  嵌入式软件是嵌入在控制器、通信、传感装置之中的采集、控制、通信等软件,非嵌入式软件是安装在通用计算机、或者工业控制计算机、或者“云”之中的设计、编程、工艺、监控、管理等软件。

  工业软件分析起来其特点表现在5个方面:

  专业性:工业软件与通用软件最大的差异就是它的专业性,通用软件不受应用领域、专业、行业的限制,比如Office软件,哪个专业、行业都可以使用,它的需求和所解决的问题不受应用领域的限制,软件也没有应用领域的专业知识。而工业软件是与它应用领域的专业知识有着非常紧密的关系的,比如医疗CT机的软件具有人体解刨解剖方面的专业知识,用于流程行业控制的软件肯定具有自动控制的专业知识。

  碎片化:每一款工业软件都有特定的工业行业应用范围,甚至具体到某种工艺装置,比如和利时的“MACS智能母管协调控制系统”可以非常好的解决母管制锅炉汽机的解耦和优化控制问题,但是在其他形式的发电机组上就不能发挥它的优势。这种特点就导致了工业软件的种类繁多,据相关资料介绍,波音公司为了解决自己在飞机制造过程中的生产问题,使用的软件工具就多达9000多种。

  大投入:每种工业软件都凝聚着它所属行业的专业知识,有着相应的核心技术,否则就难以体现出价值。因此,开发工业软件时,不仅要有熟练的软件开发技能,更要有熟悉的行业背景,还要有各种实践经验和大量隐性的知识和判断,这个开发投入是天量的。全球知名的CAE厂商ANSYS(美国安世亚太)每年的研发投入在5亿美元左右,每年循环,持续如此。

  低收益:虽然工业软件的市场份额相当庞大,但是由于工业软件的专业化和碎片化的特点,每种工业软件的应用子领域的市场容量都不是很大,况且在其领域中还会有众多的竞争对手,因此作为企业来讲,要想单纯的凭借工业软件在某个细分领域中取得较好的收益是一件较难的事情。

  国家竞争力的核心:如果说以前软件只是硬件的附属物,那么现在的软件已反客为主,成为了机器的大脑和神经,主宰了机器世界的运行逻辑,一个没有软件的世界是不可想象的。智能制造涉及硬件、软件、网络、计算等多种技术和制造技术的融合,而工业软件是其中最为关键的技术。无论是硬件、网络、计算等技术和制造工艺融合,都离不开软件定义、编码和封装。现在可以毫不夸张地说:没有工业软件,智能制造就是空想。
 

  流程行业工业软件分类
 

  流程工业主要通过对原材料进行混合、分离、粉碎、加热等物理或化学方法,使原材料增值。通常是以批量或连续的方式进行生产。典型的流程工业包括电力、化工、食品饮料、制药、化妆品等行业。因此,流程行业所涉及的领域非常广,不同类型的行业其行业专业背景知识差异巨大,生产装置、生产机理千差万别,完成它们设计制造、生产控制的各个工作环节所需的CAX(计算机辅助设计、制造、生成等类)、生成管理、控制、仿真、测量等工业软件的种类异常繁多,且差异巨大。

  用于流程行业的工业软件,根据软件在其工业领域的工作阶段或者工作层级,大致可分为以下几类:
 

  1.CAX类

  CAX软件指的是以计算机为核心载体,完成工业生成中的各类辅助功能,常被统称为计算机辅助设计软件。可以细分为CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、CAE(计算机辅助工程)、CAPP(计算机辅助过程计划)、CAS(计算机辅助服务)、CAT(计算机辅助测试)、CAI(计算机辅助教育)等。在流程行业领域,此类软件一般用于工厂和产品的设计制造阶段,常用于设计研究院所等单位。
 

  2.管理类

  管理类工业软件以ERP(Enterprise Resources Planning企业资源计划)和MES(Manufacturing Execution System制造执行系统)为典型代表,它们辅助流程企业完成企业经营和生成过程中的各种人、财、物、流的资源调配、计划制定、精细生产等,以帮助企业更好地进行优化管控和各项决策。
 

  3.控制类

  控制类软件直接用于对流程行业企业生产过程的各类自动化过程控制,典型的代表是DCS(Distributed Control System)系统软件、SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统软件、PLC(Programmable Logic Controller)系统软件、SIS(Safety instrumented System)安全仪表系统,以及为了配合生产过程控制的各类辅助软件,如:Batch(批量控制)软件、AAS(Advanced Alarm System)高级报警系统、AMS(Asset Management System)设备管理系统、DMS(Data Management System)历史数据管理系统、APC(Advanced Optimal Control)高级优化控制软件,等等。
 

  4.测量类

  测量类软件把生产过程知识有机的结合起来,应用计算机技术对难以测量或者暂时不能测量的重要变量,选择另外一些容易测量的变量,通过构成某种数学关系来推断或者估计,以软件替代硬件的功能。在工业控制中,要想达到全自动化控制,离不开对被控对象的识别和测量,没有准确的测量,自动控制根本无法实现。目前以微控制器为核心的数字化智能化测量仪表已经成为测控设备的主角,它们内在的核心是各类测量类工业软件。
 

  5.仿真类

  仿真类软件使用数字化去仿真和模拟真实的物理世界,用以验证自动控制的效果,为系统设计提供环境支撑,还可以为人员培训提供一个物理装置的模拟环境。仿真软件为工业生产的设计、制造、生产各个阶段提供了一个强大的工具,直接提高了各个阶段的生产效率和准确度,仿真已成为工业软件的一个必不可少的分支。
 

  流程行业工业软件发展现状
 

  1.起点低基础薄

  欧美是工业软件的起源地,也是工业软件最大的市场。中国工业软件的市场份额仅占世界工业软件市场份额很小的一部分,而且现在基本处于相对低端、简单的应用软件层次,即便是本土龙头企业,市场实力也相当薄弱。

  以和利时为代表的流程控制软件企业是国内最早的、目前规模最大的、软件种类最齐全的流程控制软件企业。和利时成立于1993年,而DCS行业的鼻祖美国Honeywell公司1974年就已经推出了世界第一套DCS系统(TDC-1000系统)。国内大规模将计算机应用于国民生产各个领域是在90年代逐渐开始的,而欧美40年代就已逐渐开始了计算机在国民生产的各个领域的应用(如1958年美国 Louisina公司的电厂投入了第一个计算机安全监视系统)。
 

  2.发展不平衡

  目前,国内流程行业各类工业软件的发展不平衡,过程自动化控制软件基本上已能满足行业应用需求,在国内的市场份额也已经超过进口同类产品。但是在CAX类软件上,特别是涉及生产装置机理模型理论方面的计算机辅助设计、仿真类软件,以及特殊的测量类软件,目前国内甚至还是空白,全部依赖进口软件。这些类型的工业软件的开发严重依赖于对工艺机理的认识以及行业理论知识的积累,而目前国内工业软件企业的行业领域专业知识的积累还比较有限。
 

  3.软件企业从业人员专业性差

  工业软件从业人员与通用软件相比,有更高的要求,不但要求他们具有深厚的软件开发相关技能,而且还要求具有所属领域的专业知识,特别是涉及的工业对象的理论和机理模型方面知识。但目前的现状是:不但工业软件企业从业人员的软件开发能力不如常规软件开发企业(很多软件能力较强的技术人员都去从事互联网行业,很少人在工业里做软件研发),而且他们对所属领域工业行业知识的认识水平还不足以支撑他们开发高质量的、专业性特强的工业软件,这与一些社会大环境因素有关。
 

  4.企业投入意愿差

  企业要生存,就要盈利,要趋利避害,不愿意把投资放在风险大而收益小的方向;而自主开发工业软件恰是投资大风险大而收益不确定的,所以大多数企业选择代理国外成熟的软件去做工程项目实施,而不愿意去开发同类软件。
 

  5.国内流程行业工业软件供应商现状

  国内流程行业工业软件的供应商企业目前还比较多,值得一提的是以控制类软件见长的和利时集团。和利时集团是中国领先的自动化与信息技术解决方案供应商,也是国内最早一批流程行业工业软件供应商之一,坚持自主研发可靠、先进、易用的技术和产品,并提供一体化的解决方案和全生命周期服务。和利时能提供除CAX类软件外、门类较全的流程行业软件,形成了以DCS软件为核心,以BATCH、AMS、AAS、ODS、APC、SCADA、PLC等全套控制软件;以流程行业为基础的MES套件软件系统;和用于用户培训、学生教学的2D和3D的OTS系统。
 

  流程行业工业软件困境所在
 

  1.国内企业的开发能力弱

  工业软件开发企业的能力表现在以下几个方面:一是公司普遍年轻,目前国内的工业软件开发企业大多是90年代以后成立的公司,还有很多是最近10年的初创公司,对所从事领域专业知识的积累少,不像西门子、Honeywell、ABB等欧美工业公司,有近百年的专业领域知识积累;二是公司的人员知识结构不利于软件开发的发展,目前国内此类公司大多思考的是如何活下去,因此他们关注的重点是如何实现盈利,对那些投入久、风险大、专业性强的东西,基本不敢碰,也不敢像华为那样大量吸纳专业领域的高端人才,因此也很难在理论方面有所突破;三是国内工业软件企业的规模普遍偏小,除了个别企业外,绝大多数都是小微企业,在夹缝中求生存的他们,很难在专业领域知识门槛较高的工业软件领域有重大突破。
 

  2.开发投入少,驱动力不足

  企业要获得超额利润,必须要有自己的核心竞争力,有自主创新产品。然而我国的工业软件企业普遍没有自主创新产品,而是通过代理国外成熟产品进行经营。国内个别流程行业工业软件的龙头企业,其市场实力与国外同类企业相比,也有一定差距。工业软件的研发投入大、回报低,无论是企业还是技术人才都不愿意涉足,这也是国产软件差距越来越大的主要原因。

  另外,就开发投入的总量来说,国外知名的工业软件企业的开发投入量基本上比国内一般企业的年收入还高,因此,国内企业软件开发投入总量还是太少!
 

  3.软件产品效能不足

  任何产品,包括工业软件产品,只有真正满足用户需求,解决用户的问题,为用户带来价值,用户才愿意掏腰包。目前国内流程行业的工业软件产品与国外同类产品相比,虽在设计原理上无太大差异,但在软件功能、性能、稳定性方面,还有一定差距。因此,很多用户更愿意花钱购买国外的同类产品,而不愿意使用国内的产品,国内工业软件企业的经营便形成了一种恶性的循环:营收少、投入少、产品差、营收更少!
 

  4.行业生态环境差

  行业生态环境包含两类:一类是用户和供应商的生态,在这一点上,国外企业的做法值得借鉴,德国BASF公司与和利时集团合作时,就会把他们对自己生产工艺的理解和要求文档化提供给和利时,要求固化至软件中,并为BASF专用,从而获取高质量的定制化工业软件产品,实现了双方共赢。这种合作模式在国内的三大油、五大电是没有的。

  另一类是供应商之间的生态,在欧美一些企业中,有些从事单一和小众领域软件的企业,凭借单一的产品就活的很好,其他企业也不会与之竞争,而是另找专业方向开发,从而相互促进和弥补,面向用户形成一个丰富的产品族,这也是国内企业需要借鉴的。
 

  未来展望
 

  1.软件定义是方向

  “软件定义”目前已经成为工业业界共识,流程行业也不例外。过去由硬件和机械装置组成的系统,已经被通用计算单元+工业软件所替代,就如同智能手机+应用软件形成的强大功能是传统功能手机所不可具有的,最终使功能手机走向了灭亡。在流程行业,各类工业软件是机器以后的主宰和主人,工业软件的开发、应用效果和掌控程度,已成为流程行业企业体现差异化竞争优势的关键。
 

  2. IT和云不是根本

  当许多人都在沉迷于用工业互联网、人工智能、大数据来推动制造业转型升级的时候,没有人意识到这些概念如果脱光了一层一层衣服,最内核的就是工业软件。各种IT技术、公有云、私有云都是手段和舞台,最终实现用户价值的是运行于其上的各类工业软件。工业软件的本质是工业品,它从来都是工业的结晶,而非IT的产物。工业软件是工业化长期积累的工业知识与诀窍的结晶,是工业化进程不可缺少的伴生物。而在当前的国内,很多时候,它却被简单地认为是IT软件属性,跟其它管理软件、甚至互联网一起发展。这是一个天大的误判。因此,无论过去、现在还是未来,工业软件才是根本!
 

  3.行业难题解决方案是根本

  具备较强竞争力的工业软件一定是能解决行业难题的产品,基于深入理解用户行业知识的工业软件产品,才能为用户所接受。工业软件企业在“专”和“大”之间选择时,“专”更为重要!流程行业的各类CAX软件目前是用户的痛点,国内的软件企业应该在这个方向上研究突破。
 

  4.国家扶持和企业竞争并重

  一直以来有两种相互冲突的看法:一种认为国家应该扶持工业软件企业,一种认为工业软件开发企业应该遵循市场原则自行发展壮大。实际上这两种方式应该是相辅相成的,国家应该支持和扶持一些重点专业和企业,且不应局限于大型企业,还应该向小微企业倾斜,因为工业软件的种类和细分领域很多,有些小微企业在某个细分领域可能更具有专业能力。
 

  5.流程行业的国内工业软件还将长期处于不平衡状态

  目前,国内流程行业的控制类软件与国外同类产品相比,已经可以同道赛跑了;有些管理类的软件产品,由于文化更切合国内用户的需求与习惯,其优势会大于国外同类产品;国内一些对过程生产大数据挖掘和深度控制类的软件产品,目前与国外同类产品属于同一起跑线和同质水准。但是由于CAX类软件对行业知识的深度要求,在今后很长一段时间内,国内的工业软件企业还得处于跟跑状态。不过随着国内生产制造业整体水平的提高,这种跟跑的差距会逐渐减少。总体来看,流程行业的国内工业软件还将长期处于不平衡状态。