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CWPE2019:慧虹遠(yuǎn)航馮樂:工控系統(tǒng)工具鏈設(shè)計

2019-11-28 來源:東方風(fēng)力發(fā)電網(wǎng) 瀏覽數(shù):1823

2019年11月22—23日,第四屆中國風(fēng)電電氣裝備與微電網(wǎng)技術(shù)高峰論壇暨中國電器工業(yè)協(xié)會風(fēng)力發(fā)電電器設(shè)備分會二屆四次年會于江蘇蘇州召開,本次會議的主題是“智慧能源、智能制造、智控微網(wǎng)”?;酆邕h(yuǎn)航科技有限公司技術(shù)總監(jiān)馮樂在會上為大家?guī)砹祟}為《工控系統(tǒng)工具鏈設(shè)計》的精彩演講。

   2019年11月22—23日,第四屆中國風(fēng)電電氣裝備與微電網(wǎng)技術(shù)高峰論壇暨中國電器工業(yè)協(xié)會風(fēng)力發(fā)電電器設(shè)備分會二屆四次年會于江蘇蘇州召開,本次會議的主題是“智慧能源、智能制造、智控微網(wǎng)”?;酆邕h(yuǎn)航科技有限公司技術(shù)總監(jiān)馮樂在會上為大家?guī)砹祟}為《工控系統(tǒng)工具鏈設(shè)計》的精彩演講。


 
  以下為演講實錄:
 
  我是慧虹遠(yuǎn)航的馮樂(音)。王鵬軍老師有事,由我代為分享我們團隊在工業(yè)控制系統(tǒng)工具鏈設(shè)計的思考,我們是來自于清華大學(xué)電機團隊,多年來服務(wù)于航空航天電機領(lǐng)域,在這塊積累了一些思考,今天跟大家進行分享,期待在風(fēng)電行業(yè)碰撞出火花,如果講得不對的地方請各位見諒。
 
  今天的內(nèi)容是有這么幾個方面,昨天老師和專家們講到風(fēng)電行業(yè)的特點,這些特點和成果離不開風(fēng)電工控系統(tǒng)的發(fā)展,昨天大家提到了海上風(fēng)電的問題,如果提高海上風(fēng)電的問題,如何應(yīng)對分布式風(fēng)電多元地理性的要求,以及保持研發(fā)成本是我們關(guān)注的事情。工欲善其事必先利其器,在工控領(lǐng)域是否有更好的軟件支撐。
 
  先講一下這幾個工具在微子模型中的位置。微子模型是系統(tǒng)工程中經(jīng)典的設(shè)計方法,系統(tǒng)工程最早是服務(wù)于航空航天大型設(shè)計系統(tǒng)的方法論,整體涵蓋了從用戶的需求側(cè)到整體的功能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計以及整個產(chǎn)品的研發(fā)、集成測試和后續(xù)的運行維護,我們這幾個工具,像Deliframe 服務(wù)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計,DeliICD服務(wù)于系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計,DeliWorks支持軟件的研發(fā)和測試,而Delitest服務(wù)于整機的測試。
 
  第一個Deliworks,可配置式應(yīng)用式軟件開發(fā)平臺。在設(shè)計大的測試系統(tǒng)過程中,系統(tǒng)工程告訴我們一個成功的型號一定是在上一個型號的基礎(chǔ)上加入上面本型號的適用性更改,這樣帶來安全性、成本、進度、可靠性多方面的收益。但是現(xiàn)實情況下,一些系統(tǒng)的軟件基本上是處于重新開發(fā)的過程中,這是一種現(xiàn)狀。那么一個真正高可靠的工業(yè)控制系統(tǒng),一定是要講究集成,即使是創(chuàng)新和發(fā)展也是在集成的前提下完成的。這是一個軟件開發(fā)的典型的情況,我們每個團隊中多多少少都會遇到類似于這樣的角色,像高手張三,糊涂的王麻子和普通的李四,在大的項目和重要的項目,我們會派一個頂級的工程師像高手張三接手,他拿到需求分析到位,根據(jù)自己的經(jīng)驗和常識考慮后期的維護性,確保合理的設(shè)計,做到以往代碼的大量繼承,以至于后續(xù)的供應(yīng)方的更改,能夠保證軟件的設(shè)計以及滿足其他的需求,由于種種原因,這個代碼可能會交給另外一位同事維護,迫于時間的壓力,比如說糊涂的王麻子他是簡單快上根本沒有進行思考,導(dǎo)致后續(xù)的架構(gòu)設(shè)計不合理,也不考慮集成,最后系統(tǒng)的發(fā)展和編寫埋下了隱患。比較可悲的或者是不幸的是李四同學(xué),因為種種壓力迫切接手進度危機的軟件,由于前期需求分析不到位,短時間消化不了,然后形成了傳統(tǒng)說的N代單傳的代碼,這樣的過程導(dǎo)致嚴(yán)重的時間浪費和質(zhì)量的隱患,相信這樣的情況在很多的團隊和很多領(lǐng)域都是存在的,它的本質(zhì)是什么?本質(zhì)是軟件開發(fā)嚴(yán)重依賴于人的一個因素。一個好的方法或者是好的解決方案,它應(yīng)該最大程度地將人的不穩(wěn)定性因素降到最低。
 
  Deliworks提出了一套思路和方法,本質(zhì)的核心是這樣的,由于之前是服務(wù)于航空航天領(lǐng)域,在這樣的行業(yè)中一般它是存在一個設(shè)計單位,我們叫總體單位,它有點像是提供整體的設(shè)計,這樣的單位它會提供相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),我們通過這樣的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)會抽象出一套規(guī)則,簡而言之,我們將這套規(guī)則理解為一套一套的表格,那么這樣做的話,就把之前的開發(fā)和設(shè)計過程中,將它轉(zhuǎn)換成去完善一個一個表格,這樣做的話我們會有一套配套的軟件叫DeliCreate,通過引導(dǎo)性操作告訴你第一步做什么,你的時延、有沒有冗余算法的支撐,通過這個描述生成邏輯文件,可以直接存儲在計算機中的。而DeliWorks加載這套表格應(yīng)用起來,無論表格填的是什么,都可以驅(qū)動、解釋和應(yīng)用起來。對于不同的控制器肯定會存在差異的地方,將它進一步地抽象轉(zhuǎn)化成算法的邏輯庫,整個過程中的編碼工作就會壓縮到對算法的軟件編碼過程中,另外一個差異的部分是技術(shù)驅(qū)動,Deliworks提供標(biāo)準(zhǔn)的封裝接口,通過一定的封裝調(diào)用不同廠家的驅(qū)動,整體這些加載到控制機和控制器當(dāng)中,就完成了系統(tǒng)控制的過程。
 
  這是配置軟件的交互界面,整套軟件的輸入可以由介紹的DDICG導(dǎo)入,然后這是功能分析界面,整個過程是引導(dǎo)式和拖拽式的操作,通過引導(dǎo)和拖拽完成功能的設(shè)計。這些表格是剛才看到的信號的輸入以及功能的選擇。這是生成的邏輯描述文件的生成截面,這是靜態(tài)分析界面,當(dāng)我們完成系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中的話,這套軟件有能力將它展開,分析每一個層級之間的關(guān)系,方便我們調(diào)整和優(yōu)化以及追溯問題。這是生成的邏輯描述文件,Excel格式方便人們的解讀,Bin是加載當(dāng)中,可以調(diào)用。整個的設(shè)計完成,生成Bin文件最終放到計算機和控制器當(dāng)中,完成功能的實現(xiàn)。整個過程中全流程加入了校驗防止低級錯誤的產(chǎn)生。比如說一個采集器10路的輸入,你不得不配成一路,這是流程中防止低級錯誤的產(chǎn)生。
 
  這是DeliWorks的行業(yè)支持包,目前可以在DSP、Linux平臺,然后服務(wù)于航空航天等領(lǐng)域,行業(yè)愿意和各企業(yè)合作,幫助各企業(yè)依據(jù)他的模型完成自身工程的建設(shè)。Deliworks簡而言之是穩(wěn)定開放的軟件架構(gòu),另一個特點是減緩人力資源的壓力,我們知道一個好的工控系統(tǒng)一定是由行業(yè)專家設(shè)計的,而同時的話會要求行業(yè)專家具有一定的或者是很強的軟件編碼能力,這無形中提高了人力資源的成本,通過Deliworks讓行業(yè)專家專注于系統(tǒng)本身,整個只需要很小的團隊來去維護這個算法知識庫就可以了。同時這套開發(fā)流程有助于形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),也方便后期對系統(tǒng)的功能優(yōu)化和擴展。
 
  第二個是Deliframe,控制系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計平臺。其發(fā)展的背景是工業(yè)4.0。對于工業(yè)1.0關(guān)注的是工位,2.0是生產(chǎn)線,3.0關(guān)注的是企業(yè)的機械化管理,4.0關(guān)注的是價值鏈,它比較關(guān)注于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。我們縱觀中國的智能制造2025,德國的工業(yè)4.0,歐盟的CPS,以及美國的重返制造業(yè)。其本質(zhì)是打造下一代基于模型和智能制造的工具工業(yè),涵蓋了從設(shè)計、生產(chǎn)包括后續(xù)的交互、運維等種種的過程。從我們來看下一代工業(yè)系統(tǒng)的核心已經(jīng)不單單基于產(chǎn)品的技術(shù)本身,而是設(shè)計的知識工具體系,換句話來說就是一個企業(yè)、一個團隊所具備的能力。而我們在整體的開發(fā)過程中,不可避免地會使用到各種各樣的軟件工具,這首先是由于整個系統(tǒng)的設(shè)計的復(fù)雜性,導(dǎo)致我們不得不使用工具,另外是為了保證質(zhì)量的一致性。我們目前所有工具的工具軟件基本上是由國外的廠商提供的,比如說達索、IBM和Math works,這些工具都面臨國產(chǎn)化的問題。近年的貿(mào)易戰(zhàn)都讓我們知道我們國產(chǎn)的短板,講芯片、設(shè)備的國產(chǎn)化,軟件工具的國產(chǎn)化也需要我們重視。假如說有一天真正打得不可開交,所有的設(shè)計文件都打不開了,甚至是比芯片的斷供比我們的影響更大。一個好的工具需要做到簡單可靠,同時做到低成本,一定的程度上去專家化,專家對我們團隊很重要,但是過分依賴專家也會產(chǎn)生問題,我們是依靠專家的能力固化成工具,提高團隊和企業(yè)的能力。另外工業(yè)的發(fā)展要注重體系化,避免產(chǎn)生信息孤島和技術(shù)壁壘。我們有些設(shè)計軟件A廠商和B廠商的不兼容,上游和下游文件打不開的問題,導(dǎo)致了開發(fā)工具中很多的信息孤島。Deliframe是伴隨這一場景產(chǎn)生的,它的設(shè)計本質(zhì)是描述系統(tǒng)的每一個功能是怎樣實現(xiàn)的,千人千面,但是萬變不離其宗。對于控制系統(tǒng)的設(shè)計過程,都可以抽象為對需求的捕獲、定義、分解邏輯實驗以及驗證。這個圖是展示了航天領(lǐng)域的設(shè)計過程,所有這里面標(biāo)準(zhǔn)的地方涉及到上下游的交互,存在比較冗余的工作,在傳統(tǒng)或者是在現(xiàn)在這些交互環(huán)節(jié)大部分是以文檔的形式傳遞,上游單位給下游單位,對于技術(shù)規(guī)范和技術(shù)文檔。然兒現(xiàn)實過程中由于人為的偏差存在不可靠的因素,我們需要制定標(biāo)準(zhǔn),更好地是提供軟件工具,去約束和輔助設(shè)計者完成,同時提供一定的手段,將之前的文檔傳遞轉(zhuǎn)化為模型轉(zhuǎn)遞。
 
  這是應(yīng)對于場景而出的Deliframe,這是登錄界面,旁邊可以做權(quán)限管理,可以做到不同的工程師多人協(xié)同開發(fā)。這是功能設(shè)計液面,以及屬性編輯,可以詳細(xì)地展開子系統(tǒng)的關(guān)系,方便追溯和交流。這是我們的設(shè)計模板,可以根據(jù)不同的團隊去定義和編輯整體設(shè)計的風(fēng)格。Deliframe實現(xiàn)了對系統(tǒng)功能的分配、分解和估算,面對不同的團隊做到一定的同質(zhì)化,支持將設(shè)計工作導(dǎo)成各種文件,完成已有的評審流程。
 
  下一個工具是DeliICD,基于物理量流的ICD設(shè)計工具,ICD也就是控制接口文件。它是產(chǎn)品生成、試驗、測試、集成、交付等重要環(huán)節(jié)的設(shè)計文件。由于它是交互和設(shè)計的描述,天不可避免就是要做到同步,同時ICD保證質(zhì)量環(huán)節(jié),不然設(shè)計了一個產(chǎn)品,等到集成的時候,A設(shè)備連不到B設(shè)備,這樣的發(fā)生是非常不允許接受的。這是一個傳統(tǒng)接口設(shè)計的過程,我們可以看到是從采集傳感器再到處理和執(zhí)行,如果系統(tǒng)涉及到仿真和激勵,也會多出很多交付的接口。類似于這樣的情況,由于接口數(shù)量比較龐大,不可避免地會犯錯,同時的話多頭的難度高,效率低效存在大量的低效工作。Deliicd基于物理量流,清晰的一個模型是這樣的,通過對系統(tǒng)模型的抽象,將接口屬性抽象成接入點和節(jié)點,傳輸管道和方向,在每一個  流程和過程中,對應(yīng)的是系統(tǒng)的節(jié)點,節(jié)點和節(jié)點之間的交互構(gòu)成了一個接口,這就成為了典型的接口模型。DeliICD對于這一接口模型進行維護、編輯和管理,同時這一軟件是可以使用Deliframe導(dǎo)出文件進行下一步的工作。本質(zhì)上,DeliICD建立了全新的接口設(shè)計規(guī)范,可以做到物理量流的全程追溯,極大提高了接口傳輸?shù)男省?/div>
 
  第四個工具是DeliStore,控制系統(tǒng)功能邏輯庫,這塊的功能比較簡單,它是配合DeliWorks來運行的,它本質(zhì)上是把行業(yè)中的控制邏輯進行歸納和整理入庫,方便下一個型號設(shè)計的過程中直接和間接引用。同時DeliStore提供多視角的察看,方便用戶的檢索。配合DeliWorks會有Widows和Linux的移植,可以做到邏輯仿真和單元測試。好處是它可以做到隱蔽設(shè)計,現(xiàn)在低成本的壓力下,很多的團隊都可以把一定的開發(fā)做外包,可以做到技術(shù)脫敏,將編碼工作交給第三方團隊維護。
 
  下一個是Delitest,控制化系統(tǒng)自動化測試平臺中間的是計算機,外圍的是一套激勵器,這個除了測試系統(tǒng)的功能以外,更重要的是驗證我們整個系統(tǒng)在異常的情況下它的輸出,能否按照我們預(yù)設(shè)去在最低的線路下去保證這一系統(tǒng)的運行。也就是系統(tǒng)的可靠性。大型的測試系統(tǒng)還是存在問題的,其有一點是自動化不高,很多時候需要人工設(shè)立激勵去觀察結(jié)果,一個大型的系統(tǒng)有時候在測試過程中需要連軸地去轉(zhuǎn)好幾個李白,打一個盹就飄過去了??偠灾褪窃O(shè)備的鼓掌能力注入不足。為了解決這一情況,Delitest提出的是顆?;蜆?biāo)準(zhǔn)化,所謂的顆?;菍⒄麄€實驗的過程和時間去分軸,將它等效分解成最小的顆粒,對每個時間片的行為進行定義,這樣一來所有的試驗行為均發(fā)發(fā)生在不同的時間序列中,有這個約束就要求激勵器是統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)的,也就是標(biāo)準(zhǔn)化,這樣做的話還有一個好處,就是和仿真系統(tǒng)的聯(lián)動,測試和仿真是系統(tǒng)設(shè)計的兩個重要的測試手段,但是由于種種情況,很多情況下是沒有聯(lián)結(jié)在一塊兒的,一個重要的原因是物理和仿真時間的對不齊,通過顆?;?,人為調(diào)整物理系統(tǒng)的時間,以做到和仿真模型的聯(lián)合。這是對于通用激勵器的設(shè)計,本質(zhì)是測試平臺,配合激勵器的軟件,共同支撐DeliTest的功能,DeliTest本質(zhì)是實現(xiàn)了自動化的測試系統(tǒng),能夠做到了故障的隨機注入以及和仿真模型的關(guān)聯(lián)。
 
  最后做一下簡單的總結(jié),這張圖展示了剛才介紹了幾個工具之間的關(guān)系,它涵蓋了工業(yè)控制系統(tǒng)在整個的設(shè)計、驗證、實現(xiàn)和測試的環(huán)節(jié),希望未來在風(fēng)電行業(yè)找到我們的契合點。對于工具設(shè)計發(fā)展的話,首先是工具體系成就未來,過去我們講一流企業(yè)做標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)在我們的標(biāo)準(zhǔn)是超一流企業(yè)輸出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具鏈,我去指導(dǎo)行業(yè)軟件系統(tǒng)的制定,我區(qū)引導(dǎo)行業(yè)的上下流。另外是將專家的知識固化成體系,提升行業(yè)的水平。另外一點是自主可控,國內(nèi)的大部分行業(yè)基本上經(jīng)歷了仿制產(chǎn)品、購買技術(shù)、購買工具、自主研發(fā)、目前很多行業(yè)是集中在這一階段。我們應(yīng)該有足夠的信心研發(fā)自己的工具軟件和體系,來真正引領(lǐng)行業(yè)的發(fā)展。
 
  介紹以下公司的其他業(yè)務(wù),包括實驗手段與環(huán)境建設(shè)、復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計與咨詢等,謝謝大家!
 
  (內(nèi)容來自現(xiàn)場速記,未經(jīng)本人審核)

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