一、前言
　　近年來，國內(nèi)工控行業(yè)的發(fā)展日新月異，國內(nèi)企業(yè)在DCS領(lǐng)域也有了長足的發(fā)展，涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀企業(yè)和產(chǎn)品。然而，國內(nèi)工控行業(yè)的發(fā)展并不平衡：一方面，在工控硬件方面和國際水平全面接軌；另一方面，在工控軟件設(shè)計(jì)方面卻遇到發(fā)展瓶頸，全面落后于國外先進(jìn)水平。這方面的介紹文章也很少見到。

　　在目前國際上較通用的自控軟件開發(fā)工程中，編寫源代碼只占整個(gè)開發(fā)過程的30%。而從工程角度對產(chǎn)品功能進(jìn)行劃分，并形成一系列相關(guān)文檔（編寫詳細(xì)的代碼說明、相關(guān)支持文檔等）將占去70%的開發(fā)時(shí)間。大多數(shù)設(shè)計(jì)在現(xiàn)場安裝調(diào)試前就已經(jīng)通過仿真進(jìn)行了校驗(yàn)測試，進(jìn)而確保整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝調(diào)試可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成。而在我國，這一情況正好相反，甚至尤有過之，編寫源代碼占去了開發(fā)的絕大部分時(shí)間，冗長的現(xiàn)場調(diào)試更是費(fèi)時(shí)費(fèi)力。造成大多數(shù)項(xiàng)目不能按時(shí)完工，且頻繁超過預(yù)算。由于缺乏完善的規(guī)范化的設(shè)計(jì)方法，國內(nèi)的自控設(shè)計(jì)在控制精度和控制效果方面仍然處于落后水平，同時(shí)也極大地限制了完成復(fù)雜的大規(guī)模控制系統(tǒng)的能力。

　　造成這一情況固然有我國工程化開發(fā)水平較低的原因，開發(fā)觀念、工具平臺上的不足也是很重要的因素。從當(dāng)前我國從事工控軟件開發(fā)的人員構(gòu)成來看，一方面大多數(shù)開發(fā)人員工程化軟件開發(fā)方面的知識較為缺乏；另一方面，目前的大學(xué)教育對軟件工程概念仍然認(rèn)識不足，教學(xué)方法和教育平臺仍較落后。這兩方面原因造成了我國工控軟件的開發(fā)水平、尤其是工程化水平仍然較低。與國外優(yōu)秀的工控軟件開發(fā)過程相比，我們自己開發(fā)的軟件常常有源代碼而無流程圖、無詳細(xì)說明文檔、質(zhì)量不高、設(shè)計(jì)復(fù)用困難、需要長時(shí)間在現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試以及升級維護(hù)困難。

　　從國際上來看，自控軟件設(shè)計(jì)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入到自動化、圖形化開發(fā)階段。用戶通過功能強(qiáng)大的系統(tǒng)級圖形化軟件開發(fā)工具對所開發(fā)的項(xiàng)目進(jìn)行描述，建立整套系統(tǒng)的形式化模型。只要能夠建立起正確的系統(tǒng)模型，圖形化開發(fā)工具就可以根據(jù)該模型生成PLC或C語言的源代碼，提供完善的系統(tǒng)流程圖、標(biāo)準(zhǔn)化的軟件說明文檔，并對系統(tǒng)功能進(jìn)行仿真校驗(yàn)，顯著縮短現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間，可以極大提高自控軟件的開發(fā)效率。下面，我們將從幾個(gè)方面介紹一下國外先進(jìn)的工控軟件設(shè)計(jì)的理念，希望能給國內(nèi)自控界的朋友帶來一些啟示，早日趕超國際先進(jìn)水平。

二、仿真校驗(yàn)測試
　　目前國際上已經(jīng)普遍采用的是在現(xiàn)場之前校驗(yàn)測試自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而節(jié)省大量的現(xiàn)場工作時(shí)間和勞動。國內(nèi)則剛好相反，全面軟件測試和綜合軟件測試全部需要到現(xiàn)場去做。在現(xiàn)場邊安裝邊調(diào)試成為國內(nèi)所有系統(tǒng)集成商的唯一選擇。大多數(shù)工程都必須花費(fèi)數(shù)個(gè)月的現(xiàn)場時(shí)間，不僅嚴(yán)重影響用戶的產(chǎn)品上市時(shí)間，對于系統(tǒng)集成商本身也是巨大人力和物力的浪費(fèi)。

　　 今天，長時(shí)間的現(xiàn)場調(diào)試已經(jīng)變得不可容忍！最終用戶給予系統(tǒng)集成商的時(shí)間越來越短，并且對工程延誤處以高額罰金。這就迫使自控系統(tǒng)集成商在現(xiàn)場調(diào)試之前對自控代碼設(shè)計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)并更正絕大多數(shù)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，從而確保使用最短的現(xiàn)場時(shí)間完成系統(tǒng)的安裝調(diào)試。

　　很顯然，通過仿真方法建立現(xiàn)場對象的形式化模型，然后在此仿真環(huán)境中對自控軟件進(jìn)行校驗(yàn)和驗(yàn)證是最自然的解決方案。當(dāng)然，這樣的仿真校驗(yàn)必須是在完整的仿真環(huán)境下（仿真整個(gè)生產(chǎn)線甚至是整個(gè)工廠環(huán)境）進(jìn)行，而各硬件廠商自帶的仿真工具由于只能仿真測試單個(gè)功能塊，是無法擔(dān)此重任的，需要使用一些先進(jìn)的自控軟件設(shè)計(jì)CASE（計(jì)算機(jī)輔助軟件工程）工具，如ControlBuild等。
通過仿真進(jìn)行校驗(yàn)測試具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)：
　　1、在仿真環(huán)境下校驗(yàn)測試自控軟件，發(fā)現(xiàn)并更正絕大多數(shù)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，大大縮短現(xiàn)場安裝調(diào)試時(shí)間。從國外的經(jīng)驗(yàn)來看，通過仿真校驗(yàn)可以將數(shù)個(gè)月的現(xiàn)場安裝調(diào)試時(shí)間縮短到數(shù)個(gè)星期，極大地提高了效率。
　　2、在仿真環(huán)境下，改變環(huán)境及生產(chǎn)條件，測試設(shè)計(jì)的反應(yīng)
　　3、在仿真環(huán)境下，可以引入各種異常，失靈情況，對設(shè)計(jì)進(jìn)行破壞性測試
　　4、在仿真環(huán)境下，虛擬機(jī)器100％可使用
　　5、在仿真環(huán)境下，有更多的時(shí)間去測試和修改
　　6、仿真環(huán)境提供了更好的工作環(huán)境，避免進(jìn)入一些高危險(xiǎn)性的場合（高溫、酸、易爆、有毒等）
　　7、在物理設(shè)備或系統(tǒng)沒有實(shí)際安裝或聯(lián)接的情況下，可以提早校驗(yàn)測試、提早投產(chǎn)
　　8、系統(tǒng)操作員和維護(hù)人員可以提早接受培訓(xùn)，提高操作維護(hù)水平。

　　仿真校驗(yàn)在歐美自控界已被廣泛使用。更由于仿真校驗(yàn)對最終用戶的巨大好處（幾乎沒有壞處）而受到最終用戶的強(qiáng)烈推崇。許多公司甚至硬性規(guī)定必須使用仿真校驗(yàn)。例如，ＰＳＡ標(biāo)志雪鐵龍集團(tuán)就強(qiáng)迫要求所有自控系統(tǒng)集成商，在現(xiàn)場安裝之前必須使用仿真對設(shè)計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)測試，確保生產(chǎn)線按時(shí)高質(zhì)量完工。事實(shí)上，來自最終用戶的強(qiáng)力推動正是仿真校驗(yàn)在歐美迅速推廣起來的重要原因之一。然而令人驚訝的是，這樣的先進(jìn)理念在國內(nèi)卻無聲無息，我們遲遲看不到這方面的介紹和探討。而最終用戶更是在不知情的情況下被迫接受效率極其低下的現(xiàn)場調(diào)試，并且對頻繁的工程延誤和預(yù)算超標(biāo)束手無策。當(dāng)然我們相信這樣的狀況不會持久。隨著國外自控系統(tǒng)集成商和工程公司的逐步進(jìn)入，先進(jìn)的自控設(shè)計(jì)理念也必然隨之進(jìn)入中國。仿真校驗(yàn)作為一股不可阻擋的潮流，在國內(nèi)自控界的流行將指日可待。

三、CASE工具篇
　　在上篇介紹文章中我們介紹了國際自動軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域中仿真校驗(yàn)的趨勢，接下來我們來談?wù)凜ASE這個(gè)概念。CASE 是英文 Computer Aided Software Engineering的縮寫，主要是指利用一整套的方法和工具對系統(tǒng)規(guī)則進(jìn)行建模，并自動生成合適的程序。CASE概念在IT界已經(jīng)流行多年，現(xiàn)在已經(jīng)是必不可少的常用手段。而在自控軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，CASE概念的流行還是最近幾年的事情，但發(fā)展速度之迅速卻是出乎許多人的預(yù)料。由于CASE概念為自控軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來脫胎換骨般的變化，使整個(gè)領(lǐng)域提升至一個(gè)全新的高度，在短短一兩年的時(shí)間內(nèi)就迅速在歐美自控界普及開來。令人遺憾的是在國內(nèi)自控界卻幾乎無人談及，也很少有這方面的介紹文章。
　　CASE概念在自控軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要還是圍繞著標(biāo)準(zhǔn)V型設(shè)計(jì)流程來展開。在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，盡量多的使用計(jì)算機(jī)手段幫助設(shè)計(jì)人員高質(zhì)量地完成設(shè)計(jì)，并盡可能地減少需要使用的不同工具或產(chǎn)品種類，減少不同工具之間的數(shù)據(jù)重新捕獲，提高設(shè)計(jì)復(fù)用性，減輕設(shè)計(jì)人員掌握不同工具所需的學(xué)習(xí)量，降低整個(gè)設(shè)計(jì)和運(yùn)營成本。下面，我們就根據(jù)V型圖的設(shè)計(jì)流程，逐一介紹一下CASE概念在自控軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

　1、設(shè)計(jì)規(guī)格說明書：可執(zhí)行的規(guī)格說明書（形式化設(shè)計(jì)）
　　自控軟件設(shè)計(jì)的第一步是根據(jù)用戶需求完成設(shè)計(jì)規(guī)格說明書。設(shè)計(jì)說明書是后面所有工作的基礎(chǔ)，它的好壞直接影響到整個(gè)設(shè)計(jì)的好壞。目前國內(nèi)普遍使用基于文本的工具編寫（如Word、Excel等）。但是，由于文本語言自身的特點(diǎn)，對于相同的文本每個(gè)人的理解經(jīng)常會出現(xiàn)差異，基于文本的設(shè)計(jì)說明書不可避免地在用戶和設(shè)計(jì)人員之間造成歧義和誤解。這些錯(cuò)誤往往要到設(shè)計(jì)的最后階段甚至到現(xiàn)場安裝階段才被發(fā)現(xiàn)，造成巨大浪費(fèi)并付出重大代價(jià)。因此，如何在設(shè)計(jì)的最初始階段解決所有的歧義，充分和用戶溝通并確保設(shè)計(jì)規(guī)格說明書完全符合用戶需求就顯得極為重要。
　　 目前國際上的做法是在文本說明書的基礎(chǔ)上，全面使用“可執(zhí)行”的說明書。所謂“可執(zhí)行”，是指在設(shè)計(jì)的最開始階段，設(shè)計(jì)人員通過對用戶需求的分析，對系統(tǒng)進(jìn)行高層設(shè)計(jì)，使用用戶熟悉的圖形化方法對系統(tǒng)進(jìn)行分解和形式化建模。這就把基于文本的設(shè)計(jì)規(guī)格說明書可視化，同時(shí)清晰準(zhǔn)確地和客戶溝通。對現(xiàn)場對象的形式化建模能夠清除在用戶需求清單中含糊不清的條款，降低在項(xiàng)目后期再對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改的風(fēng)險(xiǎn)。從而在設(shè)計(jì)的開始階段就避免所有的歧義、誤解和含糊不清的地方。這就是可執(zhí)行的規(guī)格說明書，也是目前國際上非常流行的形式化設(shè)計(jì)的一種形式。

　　國內(nèi)有些單位也已經(jīng)認(rèn)識到基于文本的設(shè)計(jì)說明書的缺陷，有時(shí)在和用戶溝通的過程中也會使用Visio之類的工具畫出高層功能分解，并拿給用戶看。不過，這種做法的缺陷在于，這樣的圖形表示實(shí)際上只是一個(gè)示意性的說明，無法進(jìn)行模塊間連接有效性的檢查。另一方面，這種示意圖在實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)僅能作為參考，無法與實(shí)現(xiàn)過程緊密結(jié)合并強(qiáng)制地要求實(shí)際實(shí)現(xiàn)與其完全一致，從而大大削弱了其實(shí)際作用。

　2、設(shè)計(jì)：自頂向下、自底向上的設(shè)計(jì)方法
　　通過對高層需求的功能性分解，把整個(gè)系統(tǒng)逐步分解為最基本的組件，可以通過圖形化語言描述組件，完成設(shè)計(jì)。這是自頂向下的設(shè)計(jì)方法。
　　另一方面，在系統(tǒng)存在許多有共性或相同的組件，設(shè)計(jì)一個(gè)組件模板，就可以通過復(fù)制生成許多實(shí)例，像搭積木一樣把整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來。這是自底向上的設(shè)計(jì)方法。最有效的設(shè)計(jì)工具應(yīng)該支持兩種方法的混合使用。
每當(dāng)做完一個(gè)組件設(shè)計(jì)，應(yīng)該可以很容易地進(jìn)行單元測試，確保組件的正確。另外，對由多個(gè)組件組成的復(fù)雜組件，最好能復(fù)用各單元測試的結(jié)果進(jìn)行集成測試。

　3、自動設(shè)計(jì)文檔生成
　　在傳統(tǒng)的自控設(shè)計(jì)中，手工編寫設(shè)計(jì)文檔占去了設(shè)計(jì)人員相當(dāng)多的時(shí)間和精力，是設(shè)計(jì)人員最不愿意做的事情之一。手工編寫設(shè)計(jì)文檔不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，更重要的是，難以保證所編寫的設(shè)計(jì)文檔和設(shè)計(jì)完全符合。對設(shè)計(jì)的每次更改，都會帶來設(shè)計(jì)文檔的更改甚至完全重新編寫，浪費(fèi)大量精力和時(shí)間。自動設(shè)計(jì)文檔生成工具可以有效地解決這個(gè)難題。設(shè)計(jì)人員需要做的就是點(diǎn)擊一下鼠標(biāo)，所有的設(shè)計(jì)都會自動生成文檔，隨時(shí)隨地。小到基本組件，大到整個(gè)系統(tǒng)，都可以生成用戶定制的設(shè)計(jì)文檔。當(dāng)設(shè)計(jì)發(fā)生修改時(shí)，只需點(diǎn)擊一下鼠標(biāo)就可以輕松地再次生成文檔，并保證生成的設(shè)計(jì)文檔和設(shè)計(jì)是完全一致的，節(jié)省大量編寫文檔的時(shí)間和人力。
　4、控制代碼自動生成
　　隨著控制代碼自動生成工具的普及，越來越多的設(shè)計(jì)人員開始放棄手工編寫控制代碼，轉(zhuǎn)向使用自動工具。設(shè)計(jì)人員通過系統(tǒng)級圖形化軟件開發(fā)工具（如使用IEC61131-3語言）對所開發(fā)的項(xiàng)目進(jìn)行描述，建立整套系統(tǒng)的形式化模型。然后代碼自動生成工具就可以根據(jù)該模型生成PLC或C語言的源代碼。自動生成代碼能夠大幅提高設(shè)計(jì)品質(zhì)：
　?。?提高代碼質(zhì)量
　?。?提高代碼的可復(fù)用性
　?。?降低開發(fā)時(shí)間和成本
　?。?縮短調(diào)試時(shí)間
　?。?與設(shè)計(jì)完全吻合。如果設(shè)計(jì)更改，程序代碼保持一致
　　＊ 這是一種充分的、能夠完全被理解的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，因?yàn)殚_發(fā)者的想法被自動地實(shí)現(xiàn)
　?。?在集成到目標(biāo)設(shè)備之前允許在一臺主機(jī)上進(jìn)行仿真，驗(yàn)證更加規(guī)范和全面。
　5、仿真校驗(yàn)
這部分內(nèi)容我們已經(jīng)在上一篇文章中詳細(xì)介紹過了
　6、透明設(shè)計(jì)：維護(hù)與升級
　　在目前國內(nèi)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，自控系統(tǒng)集成商的設(shè)計(jì)對于最終用戶來說完全是“黑箱”設(shè)計(jì)。工程結(jié)束后，供應(yīng)商留下的設(shè)計(jì)文檔和控制代碼往往令人難以理解，用戶變成了“瞎子”，完全不知道自己的自控系統(tǒng)是如何設(shè)計(jì)和運(yùn)作的。這會給用戶的系統(tǒng)維護(hù)、系統(tǒng)將來的升級改造帶來巨大困難！
　　這些年國際上普遍使用的是“透明設(shè)計(jì)”理念，自控集成商在設(shè)計(jì)過程中，采用了標(biāo)準(zhǔn)化的CASE工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，從最開始的設(shè)計(jì)規(guī)格說明書到系統(tǒng)實(shí)施階段全程和用戶溝通，全程對用戶透明，用戶完全知道是如何設(shè)計(jì)的，這樣對將來的系統(tǒng)維護(hù)和升級都極有好處。

　7、全流程的自控軟件解決方案
　　雖然在每個(gè)設(shè)計(jì)階段都存在著若干CASE工具幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)，但對于一個(gè)完整的設(shè)計(jì)流程來說，設(shè)計(jì)人員往往需要掌握和使用多個(gè)工具，這顯然不能令人滿意。一個(gè)全流程的解決方案自然會成為設(shè)計(jì)人員的最愛。全流程的設(shè)計(jì)工具涵蓋了從設(shè)計(jì)規(guī)格說明書、設(shè)計(jì)、代碼生成、仿真校驗(yàn)、到系統(tǒng)實(shí)施的全部過程，在享用CASE工具帶來的巨大好處的同時(shí)，設(shè)計(jì)人員無需在不同的工具間捕獲數(shù)據(jù)，無需同時(shí)學(xué)習(xí)掌握多種工具，從而大大降低設(shè)計(jì)成本，提高了設(shè)計(jì)效率。

四、總結(jié)
　　至此我們簡要介紹了一些目前國際上流行的自控軟件設(shè)計(jì)的先進(jìn)理念和技術(shù)，因?yàn)槠邢?，不能深入進(jìn)行探討。大家在讀這篇文章的時(shí)候，可能也在思考我們的差距。是的，差距是顯而易見的，并且軟件設(shè)計(jì)方面的差距導(dǎo)致了我們的控制水平在精度和質(zhì)量等方面都落后于國際先進(jìn)水平。然而，我們也大可不必妄自菲薄。我們擁有一支數(shù)量眾多的高水平自控設(shè)計(jì)人員隊(duì)伍，不但專業(yè)知識扎實(shí)，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)豐富，接受新思想的速度也很快。從這幾年自控硬件的飛速發(fā)展就可以略窺一二。中國又是目前世界上最具活力的經(jīng)濟(jì)體，全球的制造中心，成千上萬的新工廠、新生產(chǎn)線每天都在建成，這無疑為自控領(lǐng)域的飛速發(fā)展提供了肥沃的土壤。只要我們堅(jiān)持開放的心態(tài)，經(jīng)常了解國外先進(jìn)的理念和技術(shù)并為我所用，趕上并超過國外的日子也就指日可待了。