工業軟件產業發展的探索與實踐
http://www.gjzbw99.com 2011-07-15 11:54 來源：首鋼自動化信息技術有限公司副總經理 陳志
中國自動化產業已經走過了五十年的歷程。進入21世紀以來，自動化已經成為我國制造業實現可持續發展的重要支撐與保證。在“滿足用戶需求，利用技術推動”的前提下，我國自動化產業正在不斷出現新的可喜的變化。其主要特征是，產品實現數字化、智能化、網絡化與綜合集成化，并在性能上向著高精度、高可靠性、高適應性方向發展。隨著自動化行業的發展，工業控制軟件逐漸成為自動化行業發展的趨勢和主流。本文總結了工業控制軟件今年來發展的狀況，提出了工業控制軟件就是軟件的一部分，以及軟件的核心——數學模型的發展方向等觀點。并結合實際案例，進行了客觀剖析。
中國自動化產業已經走過了五十年的歷程。進入21世紀以來，自動化已經成為我國制造業實現可持續發展的重要支撐與保證。在“滿足用戶需求，利用技術推動”的前提下，我國自動化產業正在不斷出現新的可喜的變化。其主要特征是，產品實現數字化、智能化、網絡化與綜合集成化，并在性能上向著高精度、高可靠性、高適應性方向發展。隨著自動化行業的發展，工業控制軟件逐漸成為自動化行業發展的趨勢和主流。
一、 工業控制軟件的特點
工業控制軟件除具有軟件的性質外，還具有鮮明的行業特色，隨著自動化產業的不斷發展，通過不斷積累行業知識，將行業應用知識作為發展自動化產業的關鍵要素，逐漸成為企業調整經濟結構，轉變經濟增長方式的主要因素。
1、工業控制軟件離不開工藝的支持
不同行業的工業控制軟件，其服務對象均不相同，鋼鐵行業針對的是冶金工業，其控制軟件很難適用機械行業，反之亦然。一套好的工業控制軟件，不僅能夠滿足當前工藝的需要，而且在控制思想上，還有一定的超前意識，在一定時間內不會落后。
2、工業控制軟件要有行業數據知識庫做支撐
行業數據知識庫，是指對行業控制軟件起支撐作用的行業生產過程中經驗積累的集合。特別需要指出的是行業生產過程中關鍵知識、軟件、訣竅及數據等知識的匯集，也是我國自動化控制系統裝上“中國腦”的基礎。其主要內容包括：生產過程中采集到各種數據后，經驗計算公式、技術訣竅、各種事故處理經驗及各種操作經驗，操作手冊、技術規范、工藝模型、算法參數、系數及權重比例分配等。既包括以文檔形式存在的技術規范，操作規范，國家標準等，也包括經驗公式、模型算法等軟件核心內容及解決工具。目前針對不同行業的工業控制軟件產品的開發與生產正在興起，各個行業的數據知識庫正在成為工業控制軟件的核心性，基礎性要素的發展與壯大，這樣也是我們的優勢所在，建設好行業數據知識庫，將使行業知識變成行業工業控制軟件發展的動力，并推動我國工業控制軟件的技術水平更好的完成由低端向著高端的轉換。
二、 工業控制軟件是軟件產業的重要組成部分
工業控制軟件要想做大做強，就一定要作為軟件產業來抓。研制與生產過程都要實行標準化作業，按照CMMI內容要求規范軟件產業的發展，CMMI全稱是capability Maturity Model integration,即集成的能力成熟度模型，是國際通用的反應系統工程和軟件工程的集成成熟度模型，CMMI共分五個等級，第五等級是最高級，他是一套融合多學科的、可擴充的產品集合，同時他也是工程集成與管理的最佳辦法。CMMI是評價一個軟件企業項目管理與研發實力的國際準則。他標志著企業走上標準化、規范化、國際化的發展之路，在國際上具有較高的認知度。CMMI認證可幫助企業提高軟件質量和提升軟件開發水平，是通向國際軟件外包市場的“通行證”。
不僅如此，提高工業控制軟件的質量也是發展軟件產業的重要內容之一。為了進一步提高軟件開發的工程化，規范化和系統化水平、加強軟件開發的質量管理，1995年國家標準局頒布了國標GB/T 8566-1995，規定了軟件從需求分析到使用終止的系統開發、操作和維護中所需要實施的過程、活動和任務，他反應了對軟件生存周期各項活動的組織方式。對此我們都要有一個明確的認識。
軟件生存周期中的活動可分成七個基本的、主要生存期過程，既管理過程、獲取過程、供應過程、開發過程、操作過程、維護過程、支持過程。工業控制軟件的生存周期也同樣遵循著七個過程。
一個軟件企業的發展，一般都要經歷從無到有，從小到大，從弱到強這樣一個過程。在初始階段，一般都是從編制程序開始。但要明確的是，工業控制軟件的開發不僅僅是要會編程序，而是涉及到系統架構、控制思想、算法選擇、參數優化等諸多方面，是一個由工藝人員、計算機人員、數學人員共同組成的一個開發團隊、應用團隊，而不是一個個人小作坊式的生產研發方式。這也是經過多年摸索找到的一個比較認可的工業控制軟件的研發與生產方式。
三、 數學模型是工業控制軟件的核心技術
在工業控制軟件中，數學模型是對控制對象的表征，是對象可執行的表述，正在由于它與自動化控制技術、信息技術、工藝能力的有效結合，并發揮了重要的指揮與優化的作用，所以我們才把數學模型稱之為自動化控制軟件的核心技術。數學模型是對過程要素的數學描述，這種數學描述再用計算機語言準確地表達出來，并選擇適合的參數或系數。數學模型包含三大要素，數學公式或算法，公式的求解及參數或系數的選擇。無論是機理模型、數理統計統計模型和人工智能模型，在工業控制軟件中都得到了廣泛的應用。
按照目前我國制造業自動化、信息化、應用發展狀況，一般將企業的自動化、信息化系統分成BAS（基礎自動化系統）、PCS（過程控制系統）、MES（制造執行管理系統）及ERP（企業資源規劃）四級。在BAS級，也就是一級系統中的工業控制軟件中的模型，我們也叫基礎模型或一級模型，它一般是由簡單算法構成的底層模型，完成比較簡單的運算與控制。在PCS級，也就是二級系統中的工業控制軟件中的模型，我們也叫過程控制模型或二級模型。過程控制模型是工業自動化控制的重點內容。在過程控制模型中，利用線性控制技術是比較廣泛的，也是十分有用的。線性控制系統中的比例環節、積分環節、微分環節、一階慣性環節、二階慣性環節、一階微分環節、二階微分環節和延遲環節的協同與應用，是開發過程控制模型的主要技術手段。
過程控制模型是一個工業控制模型組件的集合，只有通過許多模型組件的協同與配合，并在性能上向著高精度、高可靠性、高適應性方向發展。不僅如此，過程控制模型應用的物理環境以及應用背景都是過程控制模型的重要組成部分。隨著自動化整體行業的發展，會使“中國腦”即工業控制軟件的得到進一步發展，模型的應用才能發揮到極致。
參數或系數的選擇需要做艱苦工作。同一套控制模型系統由于應用的環境不同，甚至控制對象處于生產前期階段、中期階段或者末期階段，其參數或系數都有可能不同，這既需要歷史經驗，也需要現實數據經過推理演繹與實驗才能最終確定。
對生產數據的利用也決定了工業控制模型應用的質量，特別是在線數據分析技術的應用，對于提高過程控制模型的自診斷、自適應等功能，效果是十分明顯的。所有數據在利用之前，都要進行處理，將無關數據、異常數據等進行處理后，在進行使用。效果會更好。處理的手段很多，結合實際應用現狀進行數據處理是比較有效的方法。利用數據挖掘技術，對數據資源進行充分利用，是提高工業控制模型應用質量和精度的一個新的技術層面的內容，同時也是工業控制軟件和管理軟件走向融合的一個很好的切入點，雙方共用一套數據庫，對數據有充分共享的自由，對數據的真實性、可靠性、實時性有充分的保證，以數據為媒，管理軟件與控制軟件、軟件與服務對象就有了共同的語言，并形成新的管控一體化系統，使整套系統的自動化、信息化水平得到進一步優化與提高。
利用數學模型與數據挖掘技術,首鋼成功開發了集冷連軋生產過程控制、生產管理和工藝分析于一體的冷連軋生產工藝數據動態分析系統。該系統以在線數據采集為主要手段，離線數據采集為補充，以鋼卷為單位長期采集和存儲主要工藝過程數據，滿足軋后對軋制過程和產品質量的追溯；在軋制過程中，利用非線性多項式尋優方式，對摩擦系數模型和變性抗力模型進行回歸分析，從而使模型系統更加適應工藝需要，提高了模型系統的控制精度和水平；在冷連軋板形控制工藝知識的指導下，以獲取冷連軋板形過程中的板型控制規律為目標，利用模糊聚類分析和關聯規則分析等數據挖掘方法，對冷連軋軋制過程中產生的海量過程數據進行數據挖掘，為提高冷連軋帶鋼板形質量提供了新的分析方法。該系統投入使用后，起到了生產過程管控、軋后產品追溯、生產過程精細化管理的作用。同時，通過對海量工藝數據的分析， 挖掘數據背后的工藝控制規律，為模型系統優化和關鍵參數的優化提供了手段，對冷軋生產線生產能力的發揮起到了積極的作用。
四、 工業控制軟件也是服務
軟件即是服務。這不單單是一個概念，而是一個過程、一個體系、是一項系統工程。不僅軟件是服務，明確的講，工業控制軟件也是服務，更是現代服務業的重要組成部分。我國明確將信息服務業等五大分類標準界定為現代服務，并對現代服務業明確定義為：是指伴隨信息技術和知識經濟的發展產生，用現代化的新技術，新業態和新服務方式改造傳統產業，創造需求，引導消費，向 社會提供高附加值、高層次知識型的生產服務和生活服務的服務業。前面我們曾對數學模型是這樣定義的：數學模型是對控制對象的表征，是對象可執行的表述，由此我們也可以理解為工業控制軟件就是為控制對象服務的。
當前我國制造業正在經歷著一場走“新型工業化道路”的深刻變革，通過兩化融合，實現可持續發展。無論是改造傳統產業，還是發展現代產業，其主要技術手段是自動化技術的普及與推廣，特別是發展具有自主知識產權的工業控制軟件更是首當其沖。換個角度來思考這個問題，就是工業控制軟件對傳統產業，現代制造業提供一流的知識型服務，滿足他們的需要。所以在當前這場走“新型工業化道路”的深刻變革中，為工業控制軟件的服務內容提供了更廣闊的空間，對服務質量也提出了更高的要求。，這種服務已經不是傳統認識上的服務，不再是制造業的附屬品，也不附帶任何政治色彩，而是在市場力的推動下成為制造業新的核心功能。這種服務是以系統化、規范化、標準化、流程化的方式建設的一種新型的軟件服務保障體系。
這種軟件服務保障體系，是以軟件工程中的軟件生存周期為中心，以服務對象為服務載體，以制度管理、軟件維護、資料管理、安全管理、軟件質量、軟件維護周期等專業管理為手段，以軟件專業技術為條件，以人員素質、軟件物理環境、應用背景等條件為基礎，以軟件應用零故障為目標，為用戶提供有力的軟件專業服務與保障。（首鋼自動化信息技術有限公司副總經理 陳志/自動化博覽）
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