一、前言
　　近年來，國內工控行業(yè)的發(fā)展日新月異，國內企業(yè)在DCS領域也有了長足的發(fā)展，涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀企業(yè)和產品。然而，國內工控行業(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，在工控軟件設計方面卻遇到發(fā)展瓶頸，全面落后于國外先進水平。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開發(fā)過程的30%。而從工程角度對產品功能進行劃分，并形成一系列相關文檔（編寫詳細的代碼說明、相關支持文檔等）將占去70%的開發(fā)時間。大多數(shù)設計在現(xiàn)場安裝調試前就已經(jīng)通過仿真進行了校驗測試，進而確保整個系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝調試可以在很短的時間內完成。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)的絕大部分時間，冗長的現(xiàn)場調試更是費時費力。造成大多數(shù)項目不能按時完工，且頻繁超過預算。由于缺乏完善的規(guī)范化的設計方法，國內的自控設計在控制精度和控制效果方面仍然處于落后水平，同時也極大地限制了完成復雜的大規(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。從當前我國從事工控軟件開發(fā)的人員構成來看，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，目前的大學教育對軟件工程概念仍然認識不足，教學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、無詳細說明文檔、質量不高、設計復用困難、需要長時間在現(xiàn)場進行調試以及升級維護困難。

　　從國際上來看，自控軟件設計的發(fā)展已經(jīng)進入到自動化、圖形化開發(fā)階段。用戶通過功能強大的系統(tǒng)級圖形化軟件開發(fā)工具對所開發(fā)的項目進行描述，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、標準化的軟件說明文檔，并對系統(tǒng)功能進行仿真校驗，顯著縮短現(xiàn)場調試時間，可以極大提高自控軟件的開發(fā)效率。下面，我們將從幾個方面介紹一下國外先進的工控軟件設計的理念，希望能給國內自控界的朋友帶來一些啟示，早日趕超國際先進水平。

二、仿真校驗測試
　　目前國際上已經(jīng)普遍采用的是在現(xiàn)場之前校驗測試自控系統(tǒng)的設計，從而節(jié)省大量的現(xiàn)場工作時間和勞動。國內則剛好相反，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)場邊安裝邊調試成為國內所有系統(tǒng)集成商的唯一選擇。大多數(shù)工程都必須花費數(shù)個月的現(xiàn)場時間，不僅嚴重影響用戶的產品上市時間，對于系統(tǒng)集成商本身也是巨大人力和物力的浪費。

　　 今天，長時間的現(xiàn)場調試已經(jīng)變得不可容忍！最終用戶給予系統(tǒng)集成商的時間越來越短，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)場調試之前對自控代碼設計進行校驗測試，發(fā)現(xiàn)并更正絕大多數(shù)設計錯誤，從而確保使用最短的現(xiàn)場時間完成系統(tǒng)的安裝調試。

　　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)境中對自控軟件進行校驗和驗證是最自然的解決方案。當然，這樣的仿真校驗必須是在完整的仿真環(huán)境下（仿真整個生產線甚至是整個工廠環(huán)境）進行，而各硬件廠商自帶的仿真工具由于只能仿真測試單個功能塊，是無法擔此重任的，需要使用一些先進的自控軟件設計CASE（計算機輔助軟件工程）工具，如ControlBuild等。
通過仿真進行校驗測試具有無可比擬的優(yōu)點：
　　1、在仿真環(huán)境下校驗測試自控軟件，發(fā)現(xiàn)并更正絕大多數(shù)的設計錯誤，大大縮短現(xiàn)場安裝調試時間。從國外的經(jīng)驗來看，通過仿真校驗可以將數(shù)個月的現(xiàn)場安裝調試時間縮短到數(shù)個星期，極大地提高了效率。
　　2、在仿真環(huán)境下，改變環(huán)境及生產條件，測試設計的反應
　　3、在仿真環(huán)境下，可以引入各種異常，失靈情況，對設計進行破壞性測試
　　4、在仿真環(huán)境下，虛擬機器100％可使用
　　5、在仿真環(huán)境下，有更多的時間去測試和修改
　　6、仿真環(huán)境提供了更好的工作環(huán)境，避免進入一些高危險性的場合（高溫、酸、易爆、有毒等）
　　7、在物理設備或系統(tǒng)沒有實際安裝或聯(lián)接的情況下，可以提早校驗測試、提早投產
　　8、系統(tǒng)操作員和維護人員可以提早接受培訓，提高操作維護水平。

　　仿真校驗在歐美自控界已被廣泛使用。更由于仿真校驗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烈推崇。許多公司甚至硬性規(guī)定必須使用仿真校驗。例如，ＰＳＡ標志雪鐵龍集團就強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計進行校驗測試，確保生產線按時高質量完工。事實上，來自最終用戶的強力推動正是仿真校驗在歐美迅速推廣起來的重要原因之一。然而令人驚訝的是，這樣的先進理念在國內卻無聲無息，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)場調試，并且對頻繁的工程延誤和預算超標束手無策。當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入，先進的自控設計理念也必然隨之進入中國。仿真校驗作為一股不可阻擋的潮流，在國內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計領域中仿真校驗的趨勢，接下來我們來談談CASE這個概念。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。而在自控軟件設計領域，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料。由于CASE概念為自控軟件設計領域帶來脫胎換骨般的變化，使整個領域提升至一個全新的高度，在短短一兩年的時間內就迅速在歐美自控界普及開來。令人遺憾的是在國內自控界卻幾乎無人談及，也很少有這方面的介紹文章。
　　CASE概念在自控軟件設計領域中的應用主要還是圍繞著標準V型設計流程來展開。在設計的各個階段，盡量多的使用計算機手段幫助設計人員高質量地完成設計，并盡可能地減少需要使用的不同工具或產品種類，減少不同工具之間的數(shù)據(jù)重新捕獲，提高設計復用性，減輕設計人員掌握不同工具所需的學習量，降低整個設計和運營成本。下面，我們就根據(jù)V型圖的設計流程，逐一介紹一下CASE概念在自控軟件設計領域中的應用。

　1、設計規(guī)格說明書：可執(zhí)行的規(guī)格說明書（形式化設計）
　　自控軟件設計的第一步是根據(jù)用戶需求完成設計規(guī)格說明書。設計說明書是后面所有工作的基礎，它的好壞直接影響到整個設計的好壞。目前國內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，對于相同的文本每個人的理解經(jīng)常會出現(xiàn)差異，基于文本的設計說明書不可避免地在用戶和設計人員之間造成歧義和誤解。這些錯誤往往要到設計的最后階段甚至到現(xiàn)場安裝階段才被發(fā)現(xiàn)，造成巨大浪費并付出重大代價。因此，如何在設計的最初始階段解決所有的歧義，充分和用戶溝通并確保設計規(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上，全面使用“可執(zhí)行”的說明書。所謂“可執(zhí)行”，是指在設計的最開始階段，設計人員通過對用戶需求的分析，對系統(tǒng)進行高層設計，使用用戶熟悉的圖形化方法對系統(tǒng)進行分解和形式化建模。這就把基于文本的設計規(guī)格說明書可視化，同時清晰準確地和客戶溝通。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，降低在項目后期再對設計進行修改的風險。從而在設計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計的一種形式。

　　國內有些單位也已經(jīng)認識到基于文本的設計說明書的缺陷，有時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，這樣的圖形表示實際上只是一個示意性的說明，無法進行模塊間連接有效性的檢查。另一方面，這種示意圖在實際系統(tǒng)實現(xiàn)時僅能作為參考，無法與實現(xiàn)過程緊密結合并強制地要求實際實現(xiàn)與其完全一致，從而大大削弱了其實際作用。

　2、設計：自頂向下、自底向上的設計方法
　　通過對高層需求的功能性分解，把整個系統(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，完成設計。這是自頂向下的設計方法。
　　另一方面，在系統(tǒng)存在許多有共性或相同的組件，設計一個組件模板，就可以通過復制生成許多實例，像搭積木一樣把整個系統(tǒng)設計出來。這是自底向上的設計方法。最有效的設計工具應該支持兩種方法的混合使用。
每當做完一個組件設計，應該可以很容易地進行單元測試，確保組件的正確。另外，對由多個組件組成的復雜組件，最好能復用各單元測試的結果進行集成測試。

　3、自動設計文檔生成
　　在傳統(tǒng)的自控設計中，手工編寫設計文檔占去了設計人員相當多的時間和精力，是設計人員最不愿意做的事情之一。手工編寫設計文檔不但費時費力，更重要的是，難以保證所編寫的設計文檔和設計完全符合。對設計的每次更改，都會帶來設計文檔的更改甚至完全重新編寫，浪費大量精力和時間。自動設計文檔生成工具可以有效地解決這個難題。設計人員需要做的就是點擊一下鼠標，所有的設計都會自動生成文檔，隨時隨地。小到基本組件，大到整個系統(tǒng)，都可以生成用戶定制的設計文檔。當設計發(fā)生修改時，只需點擊一下鼠標就可以輕松地再次生成文檔，并保證生成的設計文檔和設計是完全一致的，節(jié)省大量編寫文檔的時間和人力。
　4、控制代碼自動生成
　　隨著控制代碼自動生成工具的普及，越來越多的設計人員開始放棄手工編寫控制代碼，轉向使用自動工具。設計人員通過系統(tǒng)級圖形化軟件開發(fā)工具（如使用IEC61131-3語言）對所開發(fā)的項目進行描述，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計品質：
　?。?提高代碼質量
　?。?提高代碼的可復用性
　　＊ 降低開發(fā)時間和成本
　?。?縮短調試時間
　?。?與設計完全吻合。如果設計更改，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)設計方法，因為開發(fā)者的想法被自動地實現(xiàn)
　?。?在集成到目標設備之前允許在一臺主機上進行仿真，驗證更加規(guī)范和全面。
　5、仿真校驗
這部分內容我們已經(jīng)在上一篇文章中詳細介紹過了
　6、透明設計：維護與升級
　　在目前國內傳統(tǒng)的設計方法中，自控系統(tǒng)集成商的設計對于最終用戶來說完全是“黑箱”設計。工程結束后，供應商留下的設計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)是如何設計和運作的。這會給用戶的系統(tǒng)維護、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“透明設計”理念，自控集成商在設計過程中，采用了標準化的CASE工具進行設計，從最開始的設計規(guī)格說明書到系統(tǒng)實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計的，這樣對將來的系統(tǒng)維護和升級都極有好處。

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

四、總結
　　至此我們簡要介紹了一些目前國際上流行的自控軟件設計的先進理念和技術，因為篇幅有限，不能深入進行探討。大家在讀這篇文章的時候，可能也在思考我們的差距。是的，差距是顯而易見的，并且軟件設計方面的差距導致了我們的控制水平在精度和質量等方面都落后于國際先進水平。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計人員隊伍，不但專業(yè)知識扎實，實際經(jīng)驗豐富，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)濟體，全球的制造中心，成千上萬的新工廠、新生產線每天都在建成，這無疑為自控領域的飛速發(fā)展提供了肥沃的土壤。只要我們堅持開放的心態(tài)，經(jīng)常了解國外先進的理念和技術并為我所用，趕上并超過國外的日子也就指日可待了。