國際自控軟件設(shè)計(jì)的最新趨勢（I）：前言及仿真校驗(yàn)篇

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(dòng)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(dòng)。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(dòng)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。

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