工业互联网：2021将是“软件定义工控”拐点之年

作者:彭昭(物联网智库创始人&云和资本合伙人)

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导  读

类似于数码相机取代胶卷相机,当前科技领域一个很明确的趋势是软件正在吞噬世界,软件定义网络、软件定义存储、软件定义数据中心…而工业界正处于“软件定义工控”的变革前夜。可以预判,未来的工控格局一定会发生重大变化,有远见的企业都在加速拥抱软件,一切只是时间问题。

在《创新者的窘境》一书中,作者哈佛商学院教授克里斯坦森介绍的柯达被超越的故事令人记忆犹新。

1975年,“胶卷相机之王”柯达公司里有一名工程师,没日没夜的鼓捣出了一个类似“面包盒”的机器,它就是历史上第一部数码相机。

虽然拥有数码相机的发明者,但柯达公司却将这个技术“雪藏”了。

因为有了这个设备,从此拍照就可以不用胶卷了。这等于彻底动摇了柯达的发展根基,当时在照相胶卷市场,柯达一度占据90%的市场份额。

大势难挡,对数码相机的“封杀”令柯达错失了创新良机。

故事的结果大家也很清楚——最终在2012年,柯达申请破产,宣告着这家有着131年历史的巨无霸公司从此退出历史舞台。

类似于数码相机取代胶卷相机,当前科技领域一个很明确的趋势是软件正在吞噬世界,软件定义网络、软件定义存储、软件定义数据中心…

而工业界正处于“软件定义工控”的变革前夜。

工业是一个纵深层次很多的领域,而且还可以不断切分。从整体的设备和产线出发,下面有显示面板、控制器、变频器,再下面有交换机,再再下面还有执行元器件,再再再到底层的传感器、各种传动器件…

工业互联网从信息层向控制层、传感层渗透,通过软件的推动和革新,更容易实现战略跃迁。

可以预判,未来的工控格局一定会发生重大变化,有远见的企业都在加速拥抱软件,一切只是时间问题。

不过在今天的工控领域,仍旧存在很多“黑匣子”,完成各种离散控制、过程控制和运动控制。这些黑匣子中的控制硬件与软件紧紧绑定在一起,其核心技术由传统的少数几家工业自动化巨头所掌控。

虽然基于软件的控制器已经被提出一段时间,但是情况并没有很大的改观,工控的“江湖”仍旧是专用硬件的天下。

究其原因,“软件定义工控”的星星之火还没有达到足够“燎原”的火候,技术的稳定成熟和市场的推动力量需要时间酝酿。

不过,随着虚拟化技术、实时操作系统,以及边缘计算能力的进步,使用基于软件的控制系统来代替“黑匣子”成为工控领域一股蒸蒸日上的明确势力,由此产生的变革将非常深远。

最近我观察到了一些“软件定义工控”的拐点信号。多年之后才会发生的变化,如果回溯可能都将源于2021。

因此本文将这些信号做个记录,留待日后评判。

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信号1:逐步趋近10倍好

克里斯坦森提出的颠覆性创新,描述了规模小、资源少的公司,成功挑战在位大企业的过程。

大公司往往聚焦于高端市场改善产品和服务。而成功的颠覆性创新企业则聚焦于被忽略的细分市场,从低端或者特定场景切入,通过提供性价比或使用感受更好的产品获得立足之地。

在获得部分市场的认可之后,创新型企业逐步向高端的主流市场移动,当大部分用户开始接纳新产品和服务时,颠覆便产生了。

不过一款新产品若想成功,就必须比此前的产品好上10倍,这样才算真正拥有一个让用户采用新品的足够理由。

虽然传统的工业控制器满足了高端市场的大部分需求,但是基于软件的控制器正在凭借更灵活的架构,以及更高的性价比切入部分细分市场。

最近德国的一位工程师,在知名杂志SPS上描述了他们使用基于软件的控制器,操作传送带和码垛机,进行工厂内部物流自动控制与管理的过程。

这位工程师带领了包含他在内的三人研发小组,在压力大、任务重、调试时间紧的条件下开始了工作。

他们面对的是一个具有高度灵活性、软件程序需要根据需求更新、停机切换时间非常有限的场景,很难找到能够直接满足需求的现成产品。上图是工厂中仓库的照片。

艺高人胆大,因为读了一篇长篇博客,其中介绍了一种基于软件的控制器解决方案,他们就开始了网上下载控制程序、在YouTube看视频学习调试方法的看似“不靠谱”之旅。

这种做法的直接好处有两点,他们获得了系统软件的平台化,以及应用软件的多样化。通过软件可以对硬件资源进行统一的管控、配置与分配。应用软件不受硬件资源约束,可以对外提供更为灵活高效的服务。

最终,基于云端软件的控制器取得了6倍好的结果。

过去需要两个小时来进行配置的物流控制系统,现在只需要20分钟,提速了6倍。虽然距离10倍还有差距,但他们至少已经上路了。

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信号2:成本降低超过一半

另一家名为KINGSTAR的公司发布了一份白皮书,基于8轴运动控制场景,对比了基于硬件的运动控制方案,和基于软件实现精准运动控制方案。

结果是显而易见的,使用基于软件的方式来做运动控制,只需要通用的工控机或者电脑做硬件,可以显著降低总体拥有成本,费用仅有原先的44%,节约了56%。

而且基于软件的运动控制方案使用起来更加灵活,在计算能力上具有更高的性能,以及更好的可扩展性。

这份白皮书还说明,过去被认为对实时性和稳定性要求非常严苛的运动控制场景,目前也存在使用基于软件的方案进行替代的可能性。

通过软件+工控机+实时操作系统的组合,可以实现不亚于原有专用硬件控制器的性能。

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信号3:销售以5倍速扩张

市场分析公司IoT Analytics比较了倍福公司和罗克韦尔公司的销售情况,倍福公司是基于软件控制技术的主要供应商之一。

倍福的强项在于软控制器,罗克韦尔的强项在于硬控制器,两者的对比堪称软硬世界的两个代表。

虽然起步的基数很小,但是自从2000年以来,倍福的销售复合年增长率约为15%,而同期罗克韦尔公司的工厂自动化业务部门,复合年增长率仅为3%,倍福是其5倍。

这种增长率的差异导致,倍福与罗克韦尔工厂自动化业务的销售额对比,从2000年的不到5%,增长为目前的大于30%。

进一步的研究显示,从2019年到2025年,基于软件的工控系统比例,预计将翻一番,将从整个工业控制器市场的3．5%增长到7%。

星星之火已经点燃。

写在最后

最早在1985年,随着Windows的发布诞生了第一批基于软件的工业控制器,不过彼时的他们之中没有一款能在市场上立足。

蓝屏、死机、易受攻击是Windows系统的通病,在那时,虚拟化、容器化、边缘计算也无从谈起。

时间快进,如今的技术环境已经发生了颠覆性的变化。实时操作系统、容器技术、各种开源软件、低成本的边缘计算硬件…触手可及。

在去年的工博会上,业界首个使用5G通过云端软件进行操控的工控解决方案正式亮相。

软件定义工控有可能在2021迎来真正的春天。

对于这个新鲜事物,不妨多给它一些包容和耐心,市场最终会做出自己的选择。

参考资料:

1． Updates für Codesys-Steuerungs applikationen, 600% schneller über die Cloud,来源:SPS magazin

2． Soft PLCs: The industrial innovator’s dilemma,来源:IoT Analytics

3． Software vs Hardware Machine Control: Cost and Performance Compared,来源:KINGSTAR