1.1.2 工业软件

工业是指采集原料并把它们加工成产品的工作和过程。

制造业是指使用劳动力和机器、工具、化学、生物加工技术、配方等生产可供使用或销售的产品。制造业通常也指一系列人类活动，从手工业到高技术制造业，最常应用于工业生产，其中的原材料被大规模转化为成品。这些成品可用于制造其他更复杂的产品，如家用电器、汽车或飞机等。

制造业分为流程型制造和离散型制造两大类。

流程型制造又被称为连续性生产，是以资源和可回收资源为原料，通过物理变化和化学反应而实现的连续复杂生产；它是为制造业提供原材料和能源的基础工业，包括石化、化工、造纸、水泥、有色、钢铁、制药、食品饮料等行业。

流程型制造的运行模式特点包括原料变化频繁、生产过程涉及物理变化和化学反应、机理复杂。它的生产过程要连续，不能停顿，任一工序出现问题必然会影响整个生产线和最终的产品质量。部分产业的原料成分、设备状态、工艺参数和产品质量等无法被实时或全面检测。该运行模式特点导致流程型制造测量难、建模难、控制难和优化决策难。

离散型制造为物理加工过程，其特点是产品可单件计数、制造过程易数字化、强调个性化需求和柔性制造。

流程型制造和离散型制造的特点也决定了参与制造作业的软件的特点，即狭义上的工业软件。

图1.2所示为工业软件全景示意。工业软件其实是一个非常大的软件范畴，包括工业物理学和工业管理学，不仅涉及各工业的垂直领域（航天航空、机械、汽车、消费电子、军工、制药等），还涉及工业工艺的各流程环节（研发、生产、管理、协同等），甚至包括工厂设计，特别是数字工厂[2]。

工业软件身兼“工业品”与“软件”双重属性。工业软件和工业设备、工业品一样，是工业化过程中人类智慧与劳动的沉淀和结晶，以工业知识为内核，以工业设备为伙伴，外层包裹软件。工业软件与工业升级是相辅相成的关系，是高水平工业化的产物，同时是工业的一个组成部分。

工业软件是物理、化学、生物等自然科学知识与人类设计制造实践相互结合、相互浸润、长期磨合而成的人类智慧的表达，代表着工业文明的高级形态。

工业软件的本质是将特定工业场景下的经验知识，以数字化模型或专业化软件工具的形式积累下来，重复使用，以提高效率、降低成本。

工业软件的意义在于连接设计与制造。设计是指在实际产品制造之前，使用可视化的方式规划和优化产品的全生命周期制造过程。工业软件使用数字化解决了产品试制周期长、制造工艺不稳定等现实问题。

工业软件是工业数据的主要来源。工业软件的产业属性本质上属于工业制造业类，而不属于信息产业类。工业系统本质上是信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS）一直进行软件、硬件融合的产物：工业知识不断“软化”为工业软件；工业软件不断“硬化”为芯片、控制器、设备、生产线，直至数字工厂。

1.1.2.1 工业软件特点

工业软件特点介绍如下。

1）维度多样化

工业软件蕴含工业生产的业务流程和工艺，工业生产的工艺有多复杂，工业软件就有多复杂。相对于一般的商业软件，工业软件对非功能性需求、硬件设施和运行平台的要求维度更多，指标要求也更高。

2）通用性较低

工业软件行业异质性强，由于不同下游在生产制造环节具有不同的工艺要求，因此越接近生产实际，工业软件的通用性就越低，就越需要进行平台化设计，并根据行业需求、企业需要进行客户化开发或配置。

3）协同要求高

每个工业软件都只完成工业流域中的一个环节或一个部分，相当于大系统中的一个模块。由于它必须和其他工业软件或硬件设备协同配合才能发挥最大价值，因此开放的接口和协议是其必然需求。

1.1.2.2 工业软件分类

表1.1中把工业软件分为运营管理类、生产控制类、研发设计类、嵌入式4类。

在企业运营管理层面，ERP、SCM、OA等系统协同配合，打造整体数字化解决方案，形成企业内全域数字化有机整体，实现企业的数字化管控。

1964年，Toolmaker Black and Decker提出了物料需求计划（Material Requirement Planning，MRP）解决方案。1983年，制造资源计划（MRPII）被提出，该计划包括采购、物料清单、排程和合同管理。随着互联网技术的发展，ERP于1990年被提出，随后快速普及。

简单来说，ERP是有助于企业全面管理业务运营的一类软件系统，它能够帮助企业全方位管理财务、人力资源、制造、供应链、服务、采购等流程。从软件分工来说，ERP更倾向于全企业（包括部分外部企业）的日常业务管理，它是通过软件来表现流程的管理技术和管理工具。

生产控制类、研发设计类工业软件是集人类基础学科和工程知识之大成者。各类工业软件在工业发展过程中不断促进设备智能化和工艺流程优化，这相当于人类大脑发挥的作用。MBSE是支撑复杂工业品开发的一种方法论和系统观。MBSE正与工业互联网平台集成融合，构建“工业互联网平台+MBSE”的技术体系。

DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的，以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通信、显示和控制等技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活及组态方便。火电DCS如图1.3所示。DCS的设计目的是过程自动化，用于控制精度要求高、测控点集中的流程工业，如化工、冶金、电站等工业过程[3]。

MES是以机器为中心、向上到ERP、向下到HMI的一个管理平台，是传统制造的核心中枢。它解决了物流计划与执行系统之间的关联问题。

WMS是通过入库业务、出库业务、仓库调拨、库存调拨和虚仓管理等功能，对批次管理、物料对应、库存盘点、质检管理、即时库存管理等功能进行综合运用的管理系统。结合使用WMS与MES，可以使企业员工在分拣时把物料的供应商信息和仓库流转信息传递到配料标签上，当物料连同配料标签被送到车间时，可通过配料标签达到精确追溯及防错的目的。对只需要模糊追溯的物料来说，在领料时将工单、物料的供应商信息和仓库流转信息进行关联即可。

SCADA主要用于测控点分布范围广泛的生产过程或设备的监控。在通常情况下，测控现场是无人或少人值守的，如移动通信基站、长距离石油输送管道的远程监控、环保监控等。

在制药行业中，SCADA一般包括生产过程的实时监控、异常报警记录、数据处理与分析、实时数据管理与归档、权限管理等。数据处理与分析是SCADA的核心，它由数据采集、实时数据库、事件报警、历史趋势数据库、历史数据/事件报警转储等功能模块共同组成。同时，SCADA考虑配置审计追踪功能，保证操作的可追溯性。制药企业的生产过程通常可分为原料药生产和成品药生产两个阶段。原料药生产的流程控制一般通过大型DCS完成；而在成品药生产过程中，各工艺步骤使用的设备通常通过内置的PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）系统进行控制。这些PLC系统一般来自不同厂家，各系统之间相互独立[4]。

随着互联网和新一代信息技术的不断渗透和蔓延，工业控制系统与管理信息系统交叉互联，逐渐形成了一体化、融合化、数字化的系统。自动化控制系统通过与DCS或SCADA建立接口采集现场控制数据及信息，并与MES建立接口实现信息流互通。MES通过和批处理系统的交互来确定不同批次的生产参数，这些参数经由MES确认后被下发至自动化控制系统。自动化控制系统把时间、状态、过程参数等数据回传给MES，完成电子批记录。

工业软件和工业网络是工业互联网的重要基石。在工业互联网时代，工业软件将成为工业互联网的大脑，而工业网络将成为工业互联网的神经。