CWPE2019：慧虹远航冯乐：工控系统工具链设计

 

　　以下为演讲实录：

 

　　我是慧虹远航的冯乐（音）。王鹏军老师有事，由我代为分享我们团队在工业控制系统工具链设计的思考，我们是来自于清华大学电机团队，多年来服务于航空航天电机领域，在这块积累了一些思考，今天跟大家进行分享，期待在风电行业碰撞出火花，如果讲得不对的地方请各位见谅。

 

　　今天的内容是有这么几个方面，昨天老师和专家们讲到风电行业的特点，这些特点和成果离不开风电工控系统的发展，昨天大家提到了海上风电的问题，如果提高海上风电的问题，如何应对分布式风电多元地理性的要求，以及保持研发成本是我们关注的事情。工欲善其事必先利其器，在工控领域是否有更好的软件支撑。

 

　　先讲一下这几个工具在微子模型中的位置。微子模型是系统工程中经典的设计方法，系统工程最早是服务于航空航天大型设计系统的方法论，整体涵盖了从用户的需求侧到整体的功能分析、结构设计、详细设计以及整个产品的研发、集成测试和后续的运行维护，我们这几个工具，像Deliframe 服务于系统结构设计，DeliICD服务于系统详细设计，DeliWorks支持软件的研发和测试，而Delitest服务于整机的测试。

 

　　第一个Deliworks，可配置式应用式软件开发平台。在设计大的测试系统过程中，系统工程告诉我们一个成功的型号一定是在上一个型号的基础上加入上面本型号的适用性更改，这样带来安全性、成本、进度、可靠性多方面的收益。但是现实情况下，一些系统的软件基本上是处于重新开发的过程中，这是一种现状。那么一个真正高可靠的工业控制系统，一定是要讲究集成，即使是创新和发展也是在集成的前提下完成的。这是一个软件开发的典型的情况，我们每个团队中多多少少都会遇到类似于这样的角色，像高手张三，糊涂的王麻子和普通的李四，在大的项目和重要的项目，我们会派一个顶级的工程师像高手张三接手，他拿到需求分析到位，根据自己的经验和常识考虑后期的维护性，确保合理的设计，做到以往代码的大量继承，以至于后续的供应方的更改，能够保证软件的设计以及满足其他的需求，由于种种原因，这个代码可能会交给另外一位同事维护，迫于时间的压力，比如说糊涂的王麻子他是简单快上根本没有进行思考，导致后续的架构设计不合理，也不考虑集成，最后系统的发展和编写埋下了隐患。比较可悲的或者是不幸的是李四同学，因为种种压力迫切接手进度危机的软件，由于前期需求分析不到位，短时间消化不了，然后形成了传统说的N代单传的代码，这样的过程导致严重的时间浪费和质量的隐患，相信这样的情况在很多的团队和很多领域都是存在的，它的本质是什么？本质是软件开发严重依赖于人的一个因素。一个好的方法或者是好的解决方案，它应该最大程度地将人的不稳定性因素降到最低。

 

　　Deliworks提出了一套思路和方法，本质的核心是这样的，由于之前是服务于航空航天领域，在这样的行业中一般它是存在一个设计单位，我们叫总体单位，它有点像是提供整体的设计，这样的单位它会提供相应的设计标准，我们通过这样的设计标准会抽象出一套规则，简而言之，我们将这套规则理解为一套一套的表格，那么这样做的话，就把之前的开发和设计过程中，将它转换成去完善一个一个表格，这样做的话我们会有一套配套的软件叫DeliCreate，通过引导性操作告诉你第一步做什么，你的时延、有没有冗余算法的支撑，通过这个描述生成逻辑文件，可以直接存储在计算机中的。而DeliWorks加载这套表格应用起来，无论表格填的是什么，都可以驱动、解释和应用起来。对于不同的控制器肯定会存在差异的地方，将它进一步地抽象转化成算法的逻辑库，整个过程中的编码工作就会压缩到对算法的软件编码过程中，另外一个差异的部分是技术驱动，Deliworks提供标准的封装接口，通过一定的封装调用不同厂家的驱动，整体这些加载到控制机和控制器当中，就完成了系统控制的过程。

 

　　这是配置软件的交互界面，整套软件的输入可以由介绍的DDICG导入，然后这是功能分析界面，整个过程是引导式和拖拽式的操作，通过引导和拖拽完成功能的设计。这些表格是刚才看到的信号的输入以及功能的选择。这是生成的逻辑描述文件的生成截面，这是静态分析界面，当我们完成系统设计当中的话，这套软件有能力将它展开，分析每一个层级之间的关系，方便我们调整和优化以及追溯问题。这是生成的逻辑描述文件，Excel格式方便人们的解读，Bin是加载当中，可以调用。整个的设计完成，生成Bin文件最终放到计算机和控制器当中，完成功能的实现。整个过程中全流程加入了校验防止低级错误的产生。比如说一个采集器10路的输入，你不得不配成一路，这是流程中防止低级错误的产生。

 

　　这是DeliWorks的行业支持包，目前可以在DSP、Linux平台，然后服务于航空航天等领域，行业愿意和各企业合作，帮助各企业依据他的模型完成自身工程的建设。Deliworks简而言之是稳定开放的软件架构，另一个特点是减缓人力资源的压力，我们知道一个好的工控系统一定是由行业专家设计的，而同时的话会要求行业专家具有一定的或者是很强的软件编码能力，这无形中提高了人力资源的成本，通过Deliworks让行业专家专注于系统本身，整个只需要很小的团队来去维护这个算法知识库就可以了。同时这套开发流程有助于形成行业标准，也方便后期对系统的功能优化和扩展。

 

　　第二个是Deliframe，控制系统功能架构设计平台。其发展的背景是工业4.0。对于工业1.0关注的是工位，2.0是生产线，3.0关注的是企业的机械化管理，4.0关注的是价值链，它比较关注于数字化、网络化和智能化。我们纵观中国的智能制造2025，德国的工业4.0，欧盟的CPS，以及美国的重返制造业。其本质是打造下一代基于模型和智能制造的工具工业，涵盖了从设计、生产包括后续的交互、运维等种种的过程。从我们来看下一代工业系统的核心已经不单单基于产品的技术本身，而是设计的知识工具体系，换句话来说就是一个企业、一个团队所具备的能力。而我们在整体的开发过程中，不可避免地会使用到各种各样的软件工具，这首先是由于整个系统的设计的复杂性，导致我们不得不使用工具，另外是为了保证质量的一致性。我们目前所有工具的工具软件基本上是由国外的厂商提供的，比如说达索、IBM和Math works，这些工具都面临国产化的问题。近年的贸易战都让我们知道我们国产的短板，讲芯片、设备的国产化，软件工具的国产化也需要我们重视。假如说有一天真正打得不可开交，所有的设计文件都打不开了，甚至是比芯片的断供比我们的影响更大。一个好的工具需要做到简单可靠，同时做到低成本，一定的程度上去专家化，专家对我们团队很重要，但是过分依赖专家也会产生问题，我们是依靠专家的能力固化成工具，提高团队和企业的能力。另外工业的发展要注重体系化，避免产生信息孤岛和技术壁垒。我们有些设计软件A厂商和B厂商的不兼容，上游和下游文件打不开的问题，导致了开发工具中很多的信息孤岛。Deliframe是伴随这一场景产生的，它的设计本质是描述系统的每一个功能是怎样实现的，千人千面，但是万变不离其宗。对于控制系统的设计过程，都可以抽象为对需求的捕获、定义、分解逻辑实验以及验证。这个图是展示了航天领域的设计过程，所有这里面标准的地方涉及到上下游的交互，存在比较冗余的工作，在传统或者是在现在这些交互环节大部分是以文档的形式传递，上游单位给下游单位，对于技术规范和技术文档。然儿现实过程中由于人为的偏差存在不可靠的因素，我们需要制定标准，更好地是提供软件工具，去约束和辅助设计者完成，同时提供一定的手段，将之前的文档传递转化为模型转递。

 

　　这是应对于场景而出的Deliframe，这是登录界面，旁边可以做权限管理，可以做到不同的工程师多人协同开发。这是功能设计液面，以及属性编辑，可以详细地展开子系统的关系，方便追溯和交流。这是我们的设计模板，可以根据不同的团队去定义和编辑整体设计的风格。Deliframe实现了对系统功能的分配、分解和估算，面对不同的团队做到一定的同质化，支持将设计工作导成各种文件，完成已有的评审流程。

 

　　下一个工具是DeliICD，基于物理量流的ICD设计工具，ICD也就是控制接口文件。它是产品生成、试验、测试、集成、交付等重要环节的设计文件。由于它是交互和设计的描述，天不可避免就是要做到同步，同时ICD保证质量环节，不然设计了一个产品，等到集成的时候，A设备连不到B设备，这样的发生是非常不允许接受的。这是一个传统接口设计的过程，我们可以看到是从采集传感器再到处理和执行，如果系统涉及到仿真和激励，也会多出很多交付的接口。类似于这样的情况，由于接口数量比较庞大，不可避免地会犯错，同时的话多头的难度高，效率低效存在大量的低效工作。Deliicd基于物理量流，清晰的一个模型是这样的，通过对系统模型的抽象，将接口属性抽象成接入点和节点，传输管道和方向，在每一个  流程和过程中，对应的是系统的节点，节点和节点之间的交互构成了一个接口，这就成为了典型的接口模型。DeliICD对于这一接口模型进行维护、编辑和管理，同时这一软件是可以使用Deliframe导出文件进行下一步的工作。本质上，DeliICD建立了全新的接口设计规范，可以做到物理量流的全程追溯，极大提高了接口传输的效率。

 

　　第四个工具是DeliStore，控制系统功能逻辑库，这块的功能比较简单，它是配合DeliWorks来运行的，它本质上是把行业中的控制逻辑进行归纳和整理入库，方便下一个型号设计的过程中直接和间接引用。同时DeliStore提供多视角的察看，方便用户的检索。配合DeliWorks会有Widows和Linux的移植，可以做到逻辑仿真和单元测试。好处是它可以做到隐蔽设计，现在低成本的压力下，很多的团队都可以把一定的开发做外包，可以做到技术脱敏，将编码工作交给第三方团队维护。

 

　　下一个是Delitest，控制化系统自动化测试平台中间的是计算机，外围的是一套激励器，这个除了测试系统的功能以外，更重要的是验证我们整个系统在异常的情况下它的输出，能否按照我们预设去在最低的线路下去保证这一系统的运行。也就是系统的可靠性。大型的测试系统还是存在问题的，其有一点是自动化不高，很多时候需要人工设立激励去观察结果，一个大型的系统有时候在测试过程中需要连轴地去转好几个李白，打一个盹就飘过去了。总而言之就是设备的鼓掌能力注入不足。为了解决这一情况，Delitest提出的是颗粒化和标准化，所谓的颗粒化是将整个实验的过程和时间去分轴，将它等效分解成最小的颗粒，对每个时间片的行为进行定义，这样一来所有的试验行为均发发生在不同的时间序列中，有这个约束就要求激励器是统一和标准的，也就是标准化，这样做的话还有一个好处，就是和仿真系统的联动，测试和仿真是系统设计的两个重要的测试手段，但是由于种种情况，很多情况下是没有联结在一块儿的，一个重要的原因是物理和仿真时间的对不齐，通过颗粒化，人为调整物理系统的时间，以做到和仿真模型的联合。这是对于通用激励器的设计，本质是测试平台，配合激励器的软件，共同支撑DeliTest的功能，DeliTest本质是实现了自动化的测试系统，能够做到了故障的随机注入以及和仿真模型的关联。

 

　　最后做一下简单的总结，这张图展示了刚才介绍了几个工具之间的关系，它涵盖了工业控制系统在整个的设计、验证、实现和测试的环节，希望未来在风电行业找到我们的契合点。对于工具设计发展的话，首先是工具体系成就未来，过去我们讲一流企业做标准，现在我们的标准是超一流企业输出行业标准工具链，我去指导行业软件系统的制定，我区引导行业的上下流。另外是将专家的知识固化成体系，提升行业的水平。另外一点是自主可控，国内的大部分行业基本上经历了仿制产品、购买技术、购买工具、自主研发、目前很多行业是集中在这一阶段。我们应该有足够的信心研发自己的工具软件和体系，来真正引领行业的发展。

 

　　介绍以下公司的其他业务，包括实验手段与环境建设、复杂系统的设计与咨询等，谢谢大家！

 

　　（内容来自现场速记，未经本人审核）