控制系统工程设计中的方法论研究

    随着计算机和电子技术的飞速发展以及各行业控制系统日趋规模化和信息化，自动化控制系统的设计要求也不断提高，相应的人力资源成本也日趋增加。由于任何一个控制系统因具体工艺细节要求的不同而不同。因此，几乎没有完全相同的两个系统（除完全拷贝的）。控制系统集成者往往凭借个人经验来完成控制系统设计，所以在系统设计过程中存在大量的重复的人力资源成本。在我国经济快速发展、国家积极提倡努力建设创新型社会的今天，研究控制系统工程设计的共性方法，寻找一种具有普遍意义的模式和方法具有重要的现实意义而且迫在眉睫。

一、工程设计中方法论的重要性 

    印度学者C.Rajendra Kumar在其《Research Methodology》一书中指出“研究方法论是一种可以系统解决研究问题的途径，可被理解为如何科学地进行研究。研究方法论是研究所有步骤以及背后所存在的逻辑。”方法论是关于目标及其实现途径的理论。在具体建立系统工程设计的方法论之前，应当对系统工程设计的目标及其所受到的约束条件进行定义，并以经验思维和有序规范方法的对比，见证方法论的深远意义。  

    系统工程设计的目标是能利用有限的时间和资源按要求达到工程目的。其选择的方法未必是最优，但必须保证百分之百能实现工程目的。在系统工程设计中，可纳入的资源主要以人力为主（财力是保证人力资源被雇用的必要条件，为避免重复计算，此处省略），它与时间变量和效率变量一起构成了系统工程设计的约束条件，即：工程目标＝人力x时间x效率，这里的效率是由采用的方法决定的。 

    有一个反映德国人严谨作风的“找针”的故事与工程设计的理念有着异曲同工之妙。即假设大家看着一根针掉在房间的地板上，如何寻找这根针？几乎所有参加游戏的人的回答是用吸铁石而德国人则是画好格子后一格一格地找。表面上看来，用吸铁石沿着抛针的方位去寻找是一个又快又好且简便易行的解决方案。但若改变约束条件，即倘若大家没有看见针掉在具体哪个方位，且要求加快找针的速度，增加人力能否达到目标；或针掉在更大范围的地点（如操场），此时增加人力会如何？显然，仅用吸铁石而没有一个科学的方法是不能保证百分之百地找到针。因此，当规模变大或约束条件变化时如何保证百分之百地找到针隐含了一个方法论的探讨。同样，在工程设计中，当系统规模较小时对于方法的依赖度较小，而当规模变大或约束条件变化时，对于经验的倚仗就远远不够，就需要一种方法论来保证工程的有序进行，确保目标的完全实现以及人力资源投人的有效性。 

    本文旨在通过分析工程设计中的可行步骤，探索一种适用于控制系统工程设计中的方法论，使其能如同数学模型般，成为一种可供使用和复制的思维模式。

二、控制系统工程设计中的方法论 

    笛卡儿在 《方法论》 中谈到，研究问题的方法论主要由4步构成，包括普遍怀疑、化繁为简、用综合法将简单问题延伸至复杂以及累计复查以拾遗补缺。在控制系统工程设计中，常采用的是化繁为简的方法，或称目标变换法，即将主目标分解成若干个从属目标，通过从属目标的一一实现继而达到主目标，这是一种合理、规范而科学的框架模型。分析各类自动化控制系统，不论其工艺对象是石油、化工、电力还是机械等，也不论其主控制器是采用DCS、PLC、FCS还是嵌人式计算机系统等，工程设计的一般步骤（即从属目标）如图1所示。 

    各从属目标也可进一步分解，直至各从属目标变得简单明了，进而根据时间变量和人力变量的具体情况进行分配，从而既能保证主目标的实现，又能使资源成本最低。 

    图1中的前三个步骤是自动化控制系统工程设计的主要内容，也是本文的重点。限于篇幅，FAT、SAT和现场安装调试不在本文所述范围。FAT和SAT在相关标准中有较详细的描述，其中给出的许多步骤和测试表格可作为完成相应内容的从属目标 。 

    2.1分析工艺要求进行总体设计 

    每一个工程项目，由于行业、工艺、使用地点和用户目标等的不同，其控制系统必定也不尽相同，总体设计就要从上述几方面仔细研究项目的技术规范书或控制要求、工艺流程图以及相关行业和国家规范等，避免设计一开始就偏离目标。 

    从方法论角度分析，总体设计可以细分为总体架构设计和总体功能设计。一个自动化系统工程能否顺利实施，工程初期的控制系统架构设计和总体功能设计相当重要。前者保证了整个系统的完整性和各子系统间连接（接口形式、通信协议、介质类型）的正确性；后者保证了系统投运后能满足合同预定的目标。如果一个系统的总体架构存在问题，轻者将导致投运期间修改或增补硬件和软件，造成人力物力浪费；重者将导致各子系统间无法联通且难以修改和弥补，造成工程的重大缺陷。而一个系统如果在初期缺乏总体功能设计，则系统缺乏方向指引，必将使工程实施多走弯路，甚至造成无法弥补的缺陷。 

    总体架构设计的方法可以划分为以下3个步骤。  

    ① 划分子系统并确定各自的合理形式。根据工艺要求，确定哪些子系统是工艺上相对独立的，哪些是物理位置上相对独立但工艺上与其他设备有密切联系的。前者一般设计为带控制器的独立系统，使其与其他同类子系统的数据交换最少（但规模太小且不太重要的子系统也可设计为其他子系统的远程I/O站） ; 后者设计为远程I/O站，以方便与其他设备的工艺联锁。这一步的结果是使得所有子系统都被初步归类。  

    ② 明确步骤①的结果是否符合控制要求和用户习惯要求。若有冲突则与用户沟通协商，特别是原则性冲突必须告知用户，以便达成一致意见，从而完成子系统的最终划分。  

    ③ 根据最终子系统划分，确定它们间合理的连接方式（接口形式、通信协议、介质类型）和数量。以某火电厂输煤控制系统为例，系统因增加2台机组而需要增加8个原煤仓（原系统也有8个），且煤仓间的皮带输送机（为原煤仓配煤用）必须延长使之能为16个原煤仓配煤。由于离原控制站的距离较远，用户要求新增一个站来完成对新增8个煤仓的控制。分析配煤工艺的特点可以发现，16个煤仓是一个有机的整体，它们是同一个顺序队列中的设备，且均与配煤皮带输送机有闭锁关系。因此，根据上述步骤①中的原则，新增站应设置为原系统的一个远程I/O站，而不是一个带独立控制器的系统。新增站设置为原系统的一个远程I/O站时，只需在原程序中进行少量修改（拷贝原来煤仓的控制方式并修改配煤顺序器的步） ; 反之增加一个带独立控制器的系统则需另外进行大量的数据通信并修改接口处的逻辑，这不仅增加了编程难度，还降低了系统可靠性，新增站的造价也高了许多。 

    某境外项目的分包合同中，其辅控系统采用4套西门子57400热备系统，招标书中对它的要求是能分别与主控系统的DCS和其他3个辅控子系统（西门子57300单机系统）进行通信，通信协议均用Modbus TCP/IP。根据上述步骤③进行确认发现，虽然系统配置了以太网交换机，使各系统能在物理上互相连接，但实际上西门子的工业以太网模块并不支持 Modbus TCP/IP这个应用层的软件协议。因此，需要增加另外的硬件模块或采购专门的软件功能块来实现，为此至少需要增加十多万元人民币。经过与用户的充分沟通，用户同意增加部分钱款；同时，考虑到其他几个子系统均采用西门子S7系统，不采用Modbus协议，从而避免了其他子系统同样的成本上升问题。 

    总体设计的结果一般用控制系统组态图表示。系统总体设计不仅非常重要，而且对设计人员的专业水平要求较高。通过采用上述分解转换目标的方法可以降低对设计人员素质的要求，并提高和保障总体设计的正确性，为达成系统总目标奠定基础。 

    2.2 建立完整的I/O清册 

    一个完整的、正确的I/O清册是平行高效地开展软硬件设计的基础，也是保证系统达到预期功能的前提。因此，总体设计完成后，在开展软硬件功能细化设计之前，必须对每一个子系统的监控对象做一个细致的分析归类和统计，做到不遗漏、不重复和设置的I/O点能满足预期的设备功能要求，从而建立完整正确的I/O清册。 

    建立完整的I/O清册可以分为4个目标或步骤来完成：①列出所有被监控对象（设备）的清单；②根据监控对象的控制要求和工艺特点进行归类，确定每一类对象必须设置的I/O种类和点数；③根据①②列出系统所有监控对象的I/O清单；④根据总体设计中子系统的划分为I/O清单中的每一点分配一个I/O地址，以形成I/O清册。其中第2个目标的完成需要设计人员具备一定的工程经验，并一定要核对与设备上的接口是否相适应。 

    从控制角度分析各类工艺可以发现，一个工程项目中需控制的设备种类其实并不多，大致可分为通用类、行业／工艺专用类和特殊类3种。通用类指电机类、阀类、调节控制类和仪表检测类等，这类设备占了工艺设备的绝大多数，而且随着标准与规范的推进，这部分设备的功能和接口趋于定型。行业通用设备的分类和I/O设置举例（括号中的信号不是必须的，但有些用户会要求具有）如表1所示。 

     表1中：电机类的运行和停止信号往往是从一个继电器出来的一对相反触点，故取一个信号就足够；气动阀门需由电磁阀控制，其DO是针对电磁阀的，DI是从气动阀本体上装的位置传感器的出的，从成本和安装方便考虑，一般把一个工艺主设备的几个电磁阀放在一个电磁阀箱中，并增加一个手自动开关DI；汽缸式蝶阀/球阀需配双电控电磁阀，但很多地方可以用单电控的2位五通电磁阀代替，此时DO为1点；气动隔膜阀需配单电控的2位三通以上电磁阀，常闭阀（失气时为关状态）输出用“开”信号，反之用“关”信号。
    行业专用设备的分类和合理I/O设置举例（括号中的信号不是必须的，但有些用户会要求有）如表2所示。 

    带控制功能的特殊类设备或装置的分类和合理I/O设置举例如表3所示。 

    通过把建立完整的I/O清册的目标划分为4个简单清晰的从属目标，使这项工作的难度降到最低，也使难度高的和工作量大的工作区分开来以交给不同的人员完成，从而即保证了质量，又降低了人力资源成本。 
    2.3控制系统的功能设计 功能设计是控制系统工程设计的主体内容，采用何种方式方法不仅会极大地影响人力资源成本，当系统规模扩大时还直接关系到能否保质保量地完成工程设计的总体目标。合理的功能设计应该使系统具备良好的可靠性、可扩展性和易维护性。控制系统的功能设计从大类上可分为硬件设计和软件设计，其中软件设计又可分为控制器（如DCS、PLC）功能设计和人机接口功能设计。各部分的功能设计均首先要注意了解相关的国家、国际标准和行业特殊规范的要求，表4例举了一些电厂控制系统设计的常用标准。 

    2.3.1硬件设计 

    硬件设计的主要任务是根据I/O清册及总体设计要求完成图纸的设计与输出并进行设备采购、成套及测试。由于图纸是设备采购和成套的依据，且必须由设计人员完成。因此，它是硬件设计的主要内容。在工程设计中研究硬件设计的方法和步骤就是要研究图纸设计的方法和步骤，以便提高设计的效率和质量。 

    图纸设计可分为如下4个步骤。  

    ①按照控制范围确定图册目录。如01册为设计说明、02册为机柜／操作台／箱的布置图、03册为端子出线图、04册为盘面和内部接线图（包括涉及的典型原理图、电源分配图）、05册为就地仪表安装示意图和单元接线图、06册为操作使用说明等等（具体内容视供货范围和工作范围而定）。  

    ②制定图框样式、图纸内容和图号编制规则，确定每一张图的图号。如PLC系统可规定一块模块对应一张端子出线图和一张内部接线图；同一内容一张图纸放不下可用分图号，如XXX-2011-1/2-2/2；实在无法确定张数的内容可采用适量空白页等。  

    ③完成电源分配等非典型内容的图纸，同时为每一典型内容设计出相应图纸模板（注意针对绘图软件特点区分同类图纸的通用部分和每张需修改的不同部分，以使设计时每张图的修改替换工作量最少）。  

    ④根据相关资料（如I/O清册、仪表清单）分配多人完成所有图纸。另外，图纸设计中需注意以下几方面：各部分间的连接方式正确、可靠；各等级电源的分配正确、可靠；布置和接线符合相关规范；使用的合理性和方便性，以及一些特殊操作和监视要求。工程项目的图纸量随控制系统的横向规模（子系统或I/O数量）和供货范围的纵向深度（管理网络级、控制级、现场设备级）的加大而急剧增加，但实际每一层面的图纸模板增加并不多。因此，采用上述图纸设计的步骤可把设计的难点（图册规划、模板设计和电源设计）和重点（完成大量图纸）分开，且后者对人员的专业水平要求不高，从而既保证了系统的质量，又可大大提高工程管理的效率。  

    2.3.2软件设计 

    软件设计分为控制器功能设计（也称下位机设计）和人机接口功能设计（也称上位机设计）。软件设计是控制系统设计的核心，其好坏直接影响到整个系统的质量；软件设计是一项细致的工程，占据了控制系统设计的大部分时间；软件设计又是一个有机的整体，控制器采集来的数据和对设备的控制结果需要在上位机上显示，操作员对设备的操作既需要有上位机的操作接口，又需要控制器中有相应功能。因此，它们之间有大量的数据需要交换和功能联系。 

    软件设计的2大内容既相对独立又密切联系，这就要求在系统总体功能设计基础上对系统要求的各类功能进行充分沟通，初步达成一个较具体的设想。  

    2.3.2.1控制器功能设计 

    控制器通常被称为下位机，是相对人机接口操作站（俗称上位机）而言的，它可以是DCS、PLC、工控机等，作用是通过组态编程完成预期的控制功能及与其他子系统的通信功能。控制器功能设计分为硬件组态（包括相应的参数设置）和软件编制（即程序设计）。前者是总体及子系统的硬件架构体现，后者则是整个控制系统功能的体现。因此，程序设计是控制系统设计的核心，其好坏直接影响到整个系统的质量，同时它也是一项细致的工程，占据了控制系统设计的大部分时间。 

    一般而言，一个控制器内的程序设计由一个人完成（特别是国内PLC系统），甚至整个系统的程序设计由一个人完成，这样的安排存在很大的弊端。首先，当系统规模较大时，这部分工作量很大，它将成为整个系统设计的瓶颈；其次，编程人员的个人专业水平和工作态度往往决定了系统的质量（包括程序的合理性、可扩展性、易维护性）；最后，控制系统工程从设计开始到出厂交付到现场调试完成往往间隔时间较长，期间人员流动必将对系统产生极大不利影响。因此，如何用方法论的思想化解这一环节显得十分有意义。 

    程序设计从功能角度可以分为4部分内容：①信号处理，包括I/O信号内存映像值到程序内部所用值的处理（如模拟量输入输出值的工程量化处理及反向处理、某些开关量信号的滤波处理或保持处理）、报警信号处理等；②单一设备的控制；③工艺要求的控制，包括逻辑控制、顺序控制、过程控制；④通信。
    信号处理和单一设备的控制反映了信号和设备的特性，数量虽多但类型不多（参见表1-3）。因此，可以从通用性的角度设计成标准功能块，经过充分测试后编制使用说明并放人功能块软件库，供各控制系统设计时使用。 

    工艺要求的控制虽然每个行业每个工程不同，但不外乎逻辑控制、顺序控制和过程控制3类。其中逻辑控制利顷序控制往往可以相互转换，如先开阀门后启动泵这个泵阀联锁逻辑关系可变成第一步开阀门第二步启动泵这个顺序关系，反之亦然。当一个设备用不同条件与较多设备联锁时用逻辑关系实现较简单，当较多设备用相同条件与其他较多设备联锁时用顺序关系实现较方便。另外，上述关系中的设备概念可以是具体的泵、阀，也可以是子系统，甚至状态。因此，仔细分析工艺控制要求可以发现，复杂的控制其实都可分解或抽象为由较少“设备”组成的较简单的逻辑控制或顺序控制，如优先逻辑、备用逻辑（二备一、三备二等）、步进控制器等，而这些也都可以像基本设备一样由资深工程师事先编制成标准功能块，经过充分测试后编制使用说明放人功能块软件库供使用。而过程控制的核心是PID控制，一般控制器厂家均提供了标准功能块，通过设置和简单的逻辑组合可完成Pl控制、PID控制、串联控制和前馈控制等。因此，完成工艺要求的控制内容可以认为是利用上述基本的控制功能块进行微观的具体的功能架构设计。 

    通信（指与其他控制器的数据交换）的内容相对较独立，在DCS、PLC系统中一般根据通信协议采用系统提供的相应通信功能块实现，工作重点在于根据不同协议通信块要求列出相应资料格式要求，再根据格式要求列出需进行交换的数据清单。 

    由上主分析可以归纳出如下控制器功育翻受计的步骤。  

    ①分析工艺控制要求进行程序功能分解和架构，并分配各程序段名称、内容； 
    ②编制工程要求的各种设备功能块、典型控制功能块和通信功能块等，组成软件库备用（此项可通过项目积累或在平时做，这项工作既可由项目组成员完成，也可由公司专门团队完成）; 
    ③从软件库中为设备清单、仪表清单中的每一项选取相应块，并根据块的引脚对其进行内部地址分配，把功能块和内部变量地址表导人控制器，在①中指定的程序段进行地址和块的“装配”; 
    ④为每一个分解的程序功能从软件库中选取相应块，并根据块的引脚对其进行内部地址分配，把功能块和内部变量地址表导人控制器，在①中指定的程序段进行地址和块的“装配”; 
    ⑤从软件库中为每一通信对象选取相应块，并根据块对数据格式的要求组织通信数据列表，并把块和列表在①中指定的程序段进行组合；  
    ⑥对程序功能进行分步测试和组合测试。从上述步骤可看出：①和②是程序设计的重点和难点，特别是第②步占据了程序设计的大部分时间，且需要经过反复测试以保证其通用性和可靠性。但这部分可以通过以往项目进行积累和验证，也可由专业团队在平时进行，从而可大大缩短某一项目的时间，提高工程质量。其中③④⑤的工作内容是并列的，其内部变量表只需在某一步进行分配和设置，其他各步骤人员按各自格式要求进行处理后导人即可使用。 

    采用上述设计方法可大大降低对设计人员素质的要求，同时使软件清晰易读，便于日后的扩展和维护，为专业化管理和软件外包服务打下基础。  

    2.3.2.2 人机接口功能设计 

    人机接口从硬件上分为操作员站、工程师站和就地触摸屏等，通常统称为上位机；从功能上分为监视功能、操作功能和管理功能（趋势、报表、报警等）；从设计角度分为静态画面（包括主画面、弹出画面）、动态链接和数据处理应用。 

    静态画面设计对设计人员要求不高，重点注意颜色和设备形状的表示需符合规范，画面风格和划分符合用户要求。静态主画面主要指工艺主画面，在画面基本因素（颜色、形状、风格、划分）确认后可按工艺流程图进行设计；静态子画面指为满足操作要求而需在主画面上弹出的画面，其设计需按设备清单和程序设计中对每类对象／子系统的控制要求进行分析归类并制成相应模板。 

    动态链接的作用是实现系统的监视功能和操作控制功能，它的主要工作是进行数据生成和数据与画面设备的动态链接。人机接口的数据主要是和控制器通信的I/O点（这里的I/O是针对人机接口而言的，并不是指控制系统I/O清册中的I/O) ，所以需根据程序设计中分配的点的地址以及所在控制器的地址，按监控软件数据库和画面模板的格式要求制成数据库文件进行导入和链接（在许多DCS和部分类似DCS的系统，人机接口监控所需的数据只需在控制器中生成就可使用，无需导人），从而完成监视和控制功能。 

    数据处理的常规应用有趋势、报表和报警等管理功能。一般组态软件都提供了标准方法，但深人的数据处理应用如设备档案、故障预警和画面的Web发送、向工厂MES系统或ERP系统的数据开放等却体现了各设计单位对于信息化管理的思路和水平；同时，需要较专业的软件人员来完成。目前，这类数据处理的深人应用虽还较少，但国际一流自动化公司已逐渐对其方式、功能组成等进行标准化设计和应用。
 三、各步骤与人力资源的关系

    以上各步骤模型中，针对所需要取得的目标、人力资源和质量（可靠性、易扩展性、易维护性）等不尽相同的约束条件进行了详细剖析，表5则对步骤与约束条件之间的关系进行了总结，以便于更好地针对各控制系统工程设计中的主要矛盾，合理分配人力资源和时间资源，进行高效的专业化管理。
                             
四、结束语 

    未经规范的传统设计方法偏重经验，虽然在工程项目较小时或许具有快捷简便的优点，但不利于项目的扩展、修改和维护，对于规模较大的项目或在工程技术人员发生岗位变动时更是捉襟见肘。本文从方法论的角度构建的控制系统工程设计方法，追求的是一种能够百分百达成目标的、能够被复制和可操作的高效模式。相比较传统做法，此方法论更加符合系统工程设计这个应用科学领域所追求的高效、规范的精神，有助于开展团队合作，保证大型控制系统或复杂控制系统的质量，推进工程管理的效率和水平。