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林雪萍:锁住石化咽喉的工业软件

绊马索的功效

要说绊马索的功效,可谓世界上性价比最高的工具。无论价值连城的汗血宝马,还是彪悍骑兵,在绊马索面前,似乎都不堪一击。简单小物,可以将巨大力量,放倒在地。这种威力极不对称的悬殊对比,总令人感到惊诧。西方如大卫挑战歌利亚巨人,东方如孙悟空横捣天宫秩序,都在描述着这种不对称的神话。

在中国,对于每年产值高达15万亿的石油化工行业的庞然大物,如果说有忌惮之物,那么流程模拟软件就完全可以成为这样的绊马索。

石油化工行业的工厂,到处充满各种化学反应,要搞清楚那些高大威武的容器里面,到底进行了何种神秘的聚会非常困难。这些反应容器,就是一个个巨大的黑箱子,只有谜面没有谜底。而化工流程模拟软件是少见的一扇能够洞察神秘的窗户。在这个领域,国外形成了高度的垄断。

石油化工行业涉及到的软件很多,从工程设计、计划调度,到工厂运行、资产管理,覆盖整个价值链条。在这些软件中,作为应用型软件,如先进过程控制,中国已经取得了一些进展,如中控技术就跟美国Aspentech的DMC3进行对标。但流程模拟软件,情况完全不同。它主要是用于描述工艺过程的机理,最关键、也最难。这一方面,美国Aspentech已经形成霸主地位,而且在国内是毫无对手。

流程模拟作为一种基础性软件,涉及多门学科。它以工艺过程的机理模型为基础,采用数学方法来描述化工过程,进行过程物料衡算、热量衡算等计算分析。它跟仿真软件CAE有所不同。仿真软件CAE只能进行工程分析,能发现问题,但不能解决问题,类似医学检查的核磁或动脉造影。而流程模拟软件,则可以进行稳态和动态模拟分析等,一定程度上可以给出解决方案。它能根据装置尺寸、原料产品性质、工艺条件等进行模型校准,以便更准确地表征某个单元操作或加工流程,支持后续的分析工作。

工艺流程模拟软件,其中Aspen、PRO/II, HYSYS为国内绝大多数设计院所使用。Aspen适应范围最广,其中电解质、固体等模块是其它软件难以比拟的;PRO/II在石化上应用较多;而HYSYS则在炼油工程领域有着较高的精度和准确性。

表1 流程模拟主要软件一览表

(整理by 南山林雪萍)

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产学研的优等生

Aspen最早源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院(MIT)组织的大会战,旨在开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为“过程工程的先进系统”(Advanced System for Process Engineering,简称ASPEN),并于1981年完成。项目到此结束。值得注意的是,该软件Aspen并没有国家知识产权,因为这是能源部的投资。而根据美国很早出台的知识产权法《拜杜法案》的规定,国家投资科研项目,所产生的知识产权,可以完全托付给实施方的大学。随后,为了更好的商业化,在1982年,科研项目负责人就以这样的软件为基础,成立了AspenTech公司,并开发了Aspen Plus的软件,以跟原有软件名称相区分。

作为大型通用流程模拟系统,Aspen Plus是全球各大化工、石化、炼油等过程工业的常用软件。它具有非常完备的物性系统,基于状态方程和活度系数方法的物性模型,例如20多种状态方程模型有15种活度系数模型,有10多种摩尔体积模型等。这种软件,本身就是无数本深度教科书。化学大典里的每一页纸,在这里都会化作代码。

最重要的是,Aspen Plus数据库,包括了5000多种纯组分的物性数据。它的物性数据库中,有近2000种化合物的物性数据,是来自美国化工协会AIChE开发的DIPPR物性数据库。Aspen是唯一获准与德国化学协会DECHEMA的数据库接口软件,从而拥有了最完备的气液平衡及液液平衡数据,共计二十五万多套数据。而这种合作,也跨越了国界。

尝百草而成神农,Aspen Plus也是吃百家饭、学百家拳而长成一身本领。更重要的是,它是一个连续并购的狂人。可以说,对于许多工业软件品牌而言,Aspentech就是一个连环杀手。它一路行走至今,就像是一只贪吃蛇,吃掉了太多的石化行业的工业软件。而最新在物联网时代的举动,则是在2019年收购了德国Mnubo公司。在石化行业,到处了充满自动化巨头,软件、硬件结合非常明显。强敌环伺之下,Aspentech要在流程模拟行业站住脚,需要拼命扩大软件地盘。并购是它最重要的防身之策略吧。

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图1 流程行业软件并购图

(整理by 南山林雪萍)

中国对于Aspen的软件崛起,也功不可没。2002年前后是它最煎熬的时候,国外都在谈论它的并购,当时可能的买家包括西门子、ABB、霍尼韦尔。如果没有中石化、中石油等大量软件采购,Aspen这样的软件其实很难生存。在它进入中国的早期,更是有大量浙大化工系的学生对软件进行了丰富和性能提升,均导致了在中国流程模拟软件基本都是Aspen的天下。

VMG:曲线突破

VMGSim软件是一家加拿大公司开发的热力学物性软件包,物性数据库也包括超过5600个纯组分,10万个二元交互作用参数。这些惊人的数字,都不过是验证了这类软件的最大壁垒,其实并不是化学基础理论的突破,也不是软件技术性能的卓越,而是以细致全面专业而胜出。这些软件的伟大之处,正是建立在一细致解决工业模型的功能之上。本类软件不同于传统软件,其关键之处并不在于软件多么精巧或者功能繁多,而是在于覆盖全面、细致入微、稳定可靠,能够精准对工艺特点进行模拟与预测。开发工业软件需要参与者既对工艺有深入了解与认识,又懂计算机编程,能够准确把握相关软件的特点。因此,开发工业软件的天然壁垒比较高,一方面是对相关人员的综合技术要求比较高,另一方面是对相关工艺技术积累有较高的要求。

看上去也是流程模拟软件,但是VMGSim还是避开了AspenTech的正面阵地。VMG先避开Aspen的强项,催化裂化FCC等先不做。而是先从细分领域、从专有过程做起,比如二氧化碳处理、脱硫磺过程等。

这家公司跟同处在一个城市的卡尔加里大学重油实验室,有着长期的合作协议,前者甚至在大学里直接租借1层楼,共同研发。除此之外,该公司每年投入几十万美金扶持大学实验室。这里的重油实验室做全世界油品的特性分析,最擅长化学关系式的表达,表征能力很强。另外,VMG还覆盖了世界各地的脱硫协会提供的各种实验数据。

这种错位竞争,使得VMG异军突起,硬是从AspenTech的野心版图中圈定了自己的地盘。目前国内企业做硫磺回收,基本都会用VMG,因为环保很重要。VMG早在2004年前就可以计算硫磺回收装置,而AspenTech直到2014年通过收购,才算补齐了这个短板。

这样定位清晰的一个流程模拟软件,2018年还是卖给了石油服务巨头美国斯伦贝谢公司,被集成到了一个基于云的数字化协作平台上去。国外大公司的数字化平台之下,都是有着厚重的工业软件打底。中国也曾经有机会,参与这样的并购。可惜,国内一向重视硬件的投入,对软件的重要性认识不足,很多时候并不会把软件当作重要的资产来对待。

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图2 斯伦贝谢的勘探数字化平台

英国KBC被日本反转美国

KBC最早是一家英国技术咨询公司,面向全球油气、炼油和化工领域,既为石油和天然气的上游(勘探和生产),也为下游(炼油)行业提供从市场分析、项目可行性研究,到工厂运行效率优化和企业效益优化等技术咨询的公司。

不出意外,这一类技术咨询公司一开始就有着很强的软件意识。流程模拟软件是技术咨询过程中的必备分析工具,也是用户持续进行优化增效工作的支撑。从八十年代初开发自有工艺装置模拟、炼厂全流程模拟开始,KBC公司不断增强其在流程模拟软件上的投入。1998年KBC收购了一家美国炼油模拟公司,进一步增强其在装置反应机理模型上的领先地位。2001年KBC公司与加拿大的Hysys合作,联合推出基于流程图建模方式的炼厂全流程模拟软件。基于这个结果,在2004年推出Petro-SIM流程模拟软件,该软件基于炼油化工基本原理,以严格的反应动力学与热力学理论为基础,包含独特的烃组分表征技术和炼油装置反应机理模型,形成了基于严格机理的炼油厂全流程模拟软件。这在全球也是第一家。

随着全球各个行业的整合,单打独斗的技术咨询公司,都会感受到被并购的压力。2016年1月12日,AspenTech宣布收购KBC。令人大跌眼镜的是,这笔看上去很合理的买卖,却被野心勃勃的横河电机,横刀夺爱。在第二年,正式推出知识专家系统KBC Co-Pilot计划,正如飞机副驾驶利用额外知识协助正驾驶, KBC Co-Pilot利用专业知识和见解为工厂提供支持。这些解决方案可以用于炼油装置的远程效能监控。横河电机已经不满足于硬件控制系统的领导地位了,大力发展软件成为它决意推动工业智能的尖刀战略。

硬件的影子

流程行业的工业软件,跟离散制造行业的机械CAD软件一样,都精准地反映了计算机硬件的变化。作为最早推出通用化工稳态流程模拟软件的公司,Simsci可以看成是一个硬件与软件技术同步进化的刻度尺。它精确地反应了硬件的变化。早在1967年,SimSci 公司开发出了世界上第一个炼油蒸馏模拟器。那个时候,软件是硬件微不足道的附属。商业性也不明显。而在六年之后,SimSci又推出了基于流程图的模拟器,图形时代正在计算机上开始崭露头角。它被用于烃类加工工业的设计,显示了商业上潜在价值。而又过了六年,基于PC 机的流程模拟软件Process正式推出。这就是PRO/II的前身。又有仿真模拟功能的完善,它成为该领域的行业基准。可以说,相对于机械制造而言,流程行业无论是在自动化,还是在软件模拟仿真方面,都远远走在了前面。

而大放异彩的Hyprotech也正是得益于计算机的发展。Hyprotech在1980年,推出了小型机的系统,而在1984年紧紧跟随IBM PC的发布,推出PC的版本。

1995年微软的Win95发布,对工业软件而言,是一个石破天惊的里程碑。由于微机的高速发展及Windows软件的推出,改变了DOS对微机资源及单任务的限制,使得动态模拟系统在微机上运行成为可能。Hyprotech抓住了这个机会,率先开发出微机版动态模拟系统HYSYS1.0,一举夺魁,成为石油化工领域划时代的里程碑。这是历史上第一家由稳态模拟转向动态模拟的公司。

同样听到了那块激起巨浪的石头的声音,还有来自机械制造领域的CAD软件。在美国,江湖地位基本已经确立了的三维设计软件,走来了新锐的力量。无论是AutoCAD,还是Solidworks,以及独家建模技术的PTC,都依靠PC机的发展而异军突起。而那些绑定Unix系统、工作站、小型机的老牌CAD软件,如响当当的CV公司等,最后基本都是全军覆没。

计算机硬件的变化,犹如陨石撞击地球,抹掉了很多恐龙,也带来了很多新生的物种。

大学的痕迹

工业软件的早期发展都充满了校园的影子,流程行业也不例外。工业软件产值很小,即使像流程模拟软件,在中国每年也不过十亿人民币的规模。而Aspen都发展了四十年,才走到了今天,也不过是一年几个亿的规模。这就决定了,它一开始的产生,很难靠市场投入来实现第一桶金。星星之火,往往会来自大学。

Hyprotech公司的创始人之一就是加拿大卡尔加里大学化工系的教授。

gPROMS流程模拟软件是PSE公司开发的通用工艺过程模拟系统,可以工艺过程建模、模拟和优化。而PSE公司源自英国帝国大学的团队。

美国的GT-PRO是一类专门进行电厂热平衡类计算的专业软件。软件产品包括燃汽轮机系列和火力发电系列产品。它可以有效地兼容GE、ABB、Alstom等公司的燃机模型库。这家公司也是脱胎于从美国麻省理工学院,跟AspenTech公司的诞生几乎是完全重现剧本。这自然给人一种印象,大学能够成为工业软件最重要的摇篮。当然,它背后的一套转化机制更为关键。

中国的流程模拟软件落在了青岛化工学院(现在已经更名为青岛科技大学)的身上。1987年,就已经开发了可以在微机运行的通用流程模拟软件ECSS( Engineering Chemistry Simulation System)。这个软件采用当时最常见的序贯模块法,是中国自行开发的第一代流程模拟软件的代表。可惜的是,跟其它高校所有的软件特点都一样:技术不错,但用户体验很差。而加拿大Hysys的软件设计,一开始就充满了极简主义,要让工程师易学易懂,在使用过程中能随心所欲地设置。这种软件,一旦在用户落地,就会自动扎根盘踞。用户软件替换非常难的。而缺乏用户知识的回馈和打磨,这让ECSS也是举步维艰。甚至都很难说,这是一款商业化软件。三十多年来,这款软件至今犹存,留下了中国流程工业软件的所有回忆。

如何开启未来,还得需要仔细斟酌,选择合适的突破战略。

美国政府如何扶持软件

从流程行业的工业软件发展,可以清晰地看出美国政府对于工业软件的扶持和监管思路,可以说是简洁明了、驾轻就熟。归结为两点:一个是大力扶持基础研究;二是坚决避免垄断。

Aspen软件可以看成是美国工业软件三部曲的完美诠释。第一曲:政府资助,企业协助。Aspen软件,是由美国能源部的500万美元的项目委托开始。在政府投入的带动下,第一批企业既是金主,也是用户。第二曲:产权转让。项目结束后,国家毫不留恋地抽身而退,产权完全留给学校和教授。而教授担负起了企业家的角色,大踏步实现从实验室软件向商业化软件的迈进。第三曲:社会资金依次跟上。在风险投资的帮助下,Aspen软件很快就得以上市。从上市的10美元,到一年后到每股80美元。上市成功,极大地拓展了这类工业软件本来狭窄的生存空间。而有钱之后,后续一系列的并购,大大巩固了先行者的江山。工业软件,既是用钱堆出来的,也是用户用出来的。每一个阶段,都无法离开精心设计的资金支撑和用户支持。

然而,做大做强的工业软件商,如果走到了接近市场垄断的地位,美国政府也会坚决出手,制止垄断发生。在2002年以前,市面上的流程模拟软件主要是Aspen、加拿大Hyprotech的Hysys和美国Simsci的ProII。三国鼎立的局面,初步形成。

然而,野心膨胀的Aspentech则另有所思。尽管在静态模拟方面一枝独秀,但在动态模拟方面,却是落后于加拿大的Hyprotech公司。而且在当时,随着分布式控制系统DCS在流程行业的崛起,一种全新的操作员训练软件OTS(Operator Training System)也广受化工用户青睐。而在90年代,Hyprotech 公司和美国的ABB Simcon 公司一起成为世界上最有名的OTS供应商。两个公司几乎瓜分了世界上仿真培训业务70%市场份额。上述两个原因使得Aspen决定吃掉Hyprotech公司。Hysys也因此成为了Aspentech公司旗下的软件。

三家变成两家,三国均衡的局面被打破,Aspen形成事实上的垄断。这立刻就引起了美国政府的注意。为了防止垄断所造成的创新阻断,美国政府开始进行干涉。两年后,美国联邦贸易委员会裁定垄断成立, Aspentech不得不将Hyprotech和Hysys的源代码对外出售。

此时,镜头切换到了流程行业自动化控制系统的主角之一,霍尼韦尔。它在DCS控制系统已经占有不可动摇的统治地位,然而对于流程模拟与优化,却是攻门乏术。对于美国的裁决,霍尼韦尔可以说是喜出望外,购买了Hysys的源代码,并在此基础上,开发出全新的一款流程模拟软件:Unisim。这使得它不仅在流程模拟领域,而且在培训软件仿真也收获颇丰。

三国之战的另外一家,Simsci则相对较弱,应该是三国演义中早期蜀国的样子。在2002年前后,Simsci 被英维思收购,后者则在2014年成为施耐德的囊中之物。目前Pro/II已经被整合到施耐德旗下的AVEVA中。依然是三分天下,只是换了一种方式。而相对均衡的竞争局面依然存在。这也是美国监管部门想要的结果。

小记

在中国,工业软件的起步向来都不晚。每一个领域都是如此。无论是流程模拟软件,还是在计算机辅助设计软件CAD、计算机辅助工程软件CAE,以及电子设计自动化软件EDA,中国的大学院所的学者们,几乎与美国、法国等同时看到了东方划破黑暗的那道明亮的天际线。在当时,软件也不是什么保密的贵重物品。例如,美国加州伯克利分校的许多软件的源代码,无论是CAE,还是EDA,都曾作为学术交流的礼物,赠送给了北大、北航等学校的教授们。而中国还真是推出了很多可以应用的工业软件。上个世纪八十年代,是中国工业软件最好的时光。可惜,正如中老年人在回忆美好韶华所经常会说起的那样,“那个时候,我们不懂爱情”。彼时,对于工业软件的价值真的不懂。

流程模拟软件,是无数卡住中国制造业喉咙的工业软件之一。群情激昂,到处充满了突破的雄心。然而工业软件的发展,向来不是五十米冲刺,一时半刻的慷慨投入,并无法保证软件的成功。而在石化行业,由于涉及到大量的物性参数和经验常识,这是后来追赶者所需要解决的重大问题。国外的流程模拟软件,背后有着很多化工协会、工程公司等提供大量的化学参数库。而广泛且深入的并购,让跨国化工行业的知识在软件编码层面得到了极大的融合。全世界的精英悄无声息地浸润在软件之中。

这意味着,单独靠软件开发商,是不可能完成一个完整的软件开发。没有大学院所,没有石化领导层的决策,没有用户工程师的配合,这种软件没有成功的可能。正如我们在各个领域所能看到的一样,工业软件的发展,需要用一场马拉松的叙事方式。唯有时间的长镜头,唯有合作的广角度,工业软件这种体量微小的杠杆支点,才能破壁而出。

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