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CWPE2019:慧虹遠航馮樂:工控系統工具鏈設計_東方風力發電網
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CWPE2019:慧虹遠航馮樂:工控系統工具鏈設計

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-11-28   來源:東方風力發電網  瀏覽次數:383
核心提示:2019年11月22—23日,第四屆中國風電電氣裝備與微電網技術高峰論壇暨中國電器工業協會風力發電電器設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”。慧虹遠航科技有限公司技術總監馮樂在會上為大家帶來了題為《工控系統工具鏈設計》的精彩演講。
   2019年11月22—23日,第四屆中國風電電氣裝備與微電網技術高峰論壇暨中國電器工業協會風力發電電器設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”。慧虹遠航科技有限公司技術總監馮樂在會上為大家帶來了題為《工控系統工具鏈設計》的精彩演講。


 
  以下為演講實錄:
 
  我是慧虹遠航的馮樂(音)。王鵬軍老師有事,由我代為分享我們團隊在工業控制系統工具鏈設計的思考,我們是來自于清華大學電機團隊,多年來服務于航空航天電機領域,在這塊積累了一些思考,今天跟大家進行分享,期待在風電行業碰撞出火花,如果講得不對的地方請各位見諒。
 
  今天的內容是有這么幾個方面,昨天老師和專家們講到風電行業的特點,這些特點和成果離不開風電工控系統的發展,昨天大家提到了海上風電的問題,如果提高海上風電的問題,如何應對分布式風電多元地理性的要求,以及保持研發成本是我們關注的事情。工欲善其事必先利其器,在工控領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。微子模型是系統工程中經典的設計方法,系統工程最早是服務于航空航天大型設計系統的方法論,整體涵蓋了從用戶的需求側到整體的功能分析、結構設計、詳細設計以及整個產品的研發、集成測試和后續的運行維護,我們這幾個工具,像Deliframe 服務于系統結構設計,DeliICD服務于系統詳細設計,DeliWorks支持軟件的研發和測試,而Delitest服務于整機的測試。
 
  第一個Deliworks,可配置式應用式軟件開發平臺。在設計大的測試系統過程中,系統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。但是現實情況下,一些系統的軟件基本上是處于重新開發的過程中,這是一種現狀。那么一個真正高可靠的工業控制系統,一定是要講究集成,即使是創新和發展也是在集成的前提下完成的。這是一個軟件開發的典型的情況,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,根據自己的經驗和常識考慮后期的維護性,確保合理的設計,做到以往代碼的大量繼承,以至于后續的供應方的更改,能夠保證軟件的設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,導致后續的架構設計不合理,也不考慮集成,最后系統的發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,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,然后形成了傳統說的N代單傳的代碼,這樣的過程導致嚴重的時間浪費和質量的隱患,相信這樣的情況在很多的團隊和很多領域都是存在的,它的本質是什么?本質是軟件開發嚴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,它應該最大程度地將人的不穩定性因素降到最低。
 
  Deliworks提出了一套思路和方法,本質的核心是這樣的,由于之前是服務于航空航天領域,在這樣的行業中一般它是存在一個設計單位,我們叫總體單位,它有點像是提供整體的設計,這樣的單位它會提供相應的設計標準,我們通過這樣的設計標準會抽象出一套規則,簡而言之,我們將這套規則理解為一套一套的表格,那么這樣做的話,就把之前的開發和設計過程中,將它轉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加載這套表格應用起來,無論表格填的是什么,都可以驅動、解釋和應用起來。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驅動,Deliworks提供標準的封裝接口,通過一定的封裝調用不同廠家的驅動,整體這些加載到控制機和控制器當中,就完成了系統控制的過程。
 
  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導入,然后這是功能分析界面,整個過程是引導式和拖拽式的操作,通過引導和拖拽完成功能的設計。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,這是靜態分析界面,當我們完成系統設計當中的話,這套軟件有能力將它展開,分析每一個層級之間的關系,方便我們調整和優化以及追溯問題。這是生成的邏輯描述文件,Excel格式方便人們的解讀,Bin是加載當中,可以調用。整個的設計完成,生成Bin文件最終放到計算機和控制器當中,完成功能的實現。整個過程中全流程加入了校驗防止低級錯誤的產生。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生。
 
  這是DeliWorks的行業支持包,目前可以在DSP、Linux平臺,然后服務于航空航天等領域,行業愿意和各企業合作,幫助各企業依據他的模型完成自身工程的建設。Deliworks簡而言之是穩定開放的軟件架構,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一定是由行業專家設計的,而同時的話會要求行業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讓行業專家專注于系統本身,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。同時這套開發流程有助于形成行業標準,也方便后期對系統的功能優化和擴展。
 
  第二個是Deliframe,控制系統功能架構設計平臺。其發展的背景是工業4.0。對于工業1.0關注的是工位,2.0是生產線,3.0關注的是企業的機械化管理,4.0關注的是價值鏈,它比較關注于數字化、網絡化和智能化。我們縱觀中國的智能制造2025,德國的工業4.0,歐盟的CPS,以及美國的重返制造業。其本質是打造下一代基于模型和智能制造的工具工業,涵蓋了從設計、生產包括后續的交互、運維等種種的過程。從我們來看下一代工業系統的核心已經不單單基于產品的技術本身,而是設計的知識工具體系,換句話來說就是一個企業、一個團隊所具備的能力。而我們在整體的開發過程中,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的設計的復雜性,導致我們不得不使用工具,另外是為了保證質量的一致性。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化的問題。近年的貿易戰都讓我們知道我們國產的短板,講芯片、設備的國產化,軟件工具的國產化也需要我們重視。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,提高團隊和企業的能力。另外工業的發展要注重體系化,避免產生信息孤島和技術壁壘。我們有些設計軟件A廠商和B廠商的不兼容,上游和下游文件打不開的問題,導致了開發工具中很多的信息孤島。Deliframe是伴隨這一場景產生的,它的設計本質是描述系統的每一個功能是怎樣實現的,千人千面,但是萬變不離其宗。對于控制系統的設計過程,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域的設計過程,所有這里面標準的地方涉及到上下游的交互,存在比較冗余的工作,在傳統或者是在現在這些交互環節大部分是以文檔的形式傳遞,上游單位給下游單位,對于技術規范和技術文檔。然兒現實過程中由于人為的偏差存在不可靠的因素,我們需要制定標準,更好地是提供軟件工具,去約束和輔助設計者完成,同時提供一定的手段,將之前的文檔傳遞轉化為模型轉遞。
 
  這是應對于場景而出的Deliframe,這是登錄界面,旁邊可以做權限管理,可以做到不同的工程師多人協同開發。這是功能設計液面,以及屬性編輯,可以詳細地展開子系統的關系,方便追溯和交流。這是我們的設計模板,可以根據不同的團隊去定義和編輯整體設計的風格。Deliframe實現了對系統功能的分配、分解和估算,面對不同的團隊做到一定的同質化,支持將設計工作導成各種文件,完成已有的評審流程。
 
  下一個工具是DeliICD,基于物理量流的ICD設計工具,ICD也就是控制接口文件。它是產品生成、試驗、測試、集成、交付等重要環節的設計文件。由于它是交互和設計的描述,天不可避免就是要做到同步,同時ICD保證質量環節,不然設計了一個產品,等到集成的時候,A設備連不到B設備,這樣的發生是非常不允許接受的。這是一個傳統接口設計的過程,我們可以看到是從采集傳感器再到處理和執行,如果系統涉及到仿真和激勵,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,通過對系統模型的抽象,將接口屬性抽象成接入點和節點,傳輸管道和方向,在每一個  流程和過程中,對應的是系統的節點,節點和節點之間的交互構成了一個接口,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導出文件進行下一步的工作。本質上,DeliICD建立了全新的接口設計規范,可以做到物理量流的全程追溯,極大提高了接口傳輸的效率。
 
  第四個工具是DeliStore,控制系統功能邏輯庫,這塊的功能比較簡單,它是配合DeliWorks來運行的,它本質上是把行業中的控制邏輯進行歸納和整理入庫,方便下一個型號設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計,現在低成本的壓力下,很多的團隊都可以把一定的開發做外包,可以做到技術脫敏,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,這個除了測試系統的功能以外,更重要的是驗證我們整個系統在異常的情況下它的輸出,能否按照我們預設去在最低的線路下去保證這一系統的運行。也就是系統的可靠性。大型的測試系統還是存在問題的,其有一點是自動化不高,很多時候需要人工設立激勵去觀察結果,一個大型的系統有時候在測試過程中需要連軸地去轉好幾個李白,打一個盹就飄過去了。總而言之就是設備的鼓掌能力注入不足。為了解決這一情況,Delitest提出的是顆粒化和標準化,所謂的顆粒化是將整個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發生在不同的時間序列中,有這個約束就要求激勵器是統一和標準的,也就是標準化,這樣做的話還有一個好處,就是和仿真系統的聯動,測試和仿真是系統設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結在一塊兒的,一個重要的原因是物理和仿真時間的對不齊,通過顆粒化,人為調整物理系統的時間,以做到和仿真模型的聯合。這是對于通用激勵器的設計,本質是測試平臺,配合激勵器的軟件,共同支撐DeliTest的功能,DeliTest本質是實現了自動化的測試系統,能夠做到了故障的隨機注入以及和仿真模型的關聯。
 
  最后做一下簡單的總結,這張圖展示了剛才介紹了幾個工具之間的關系,它涵蓋了工業控制系統在整個的設計、驗證、實現和測試的環節,希望未來在風電行業找到我們的契合點。對于工具設計發展的話,首先是工具體系成就未來,過去我們講一流企業做標準,現在我們的標準是超一流企業輸出行業標準工具鏈,我去指導行業軟件系統的制定,我區引導行業的上下流。另外是將專家的知識固化成體系,提升行業的水平。另外一點是自主可控,國內的大部分行業基本上經歷了仿制產品、購買技術、購買工具、自主研發、目前很多行業是集中在這一階段。我們應該有足夠的信心研發自己的工具軟件和體系,來真正引領行業的發展。
 
  介紹以下公司的其他業務,包括實驗手段與環境建設、復雜系統的設計與咨詢等,謝謝大家!
 
  (內容來自現場速記,未經本人審核)
 
 

 
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