基于組態(tài)技術(shù)的測控軟件開發(fā)及測試

韓 立，尹愛軍

（1.中國土地勘測規(guī)劃院，北京 100035；2.重慶大學(xué)機械學(xué)院，重慶 400044）

1 引 言

組態(tài)軟件是近年來在工業(yè)自動化領(lǐng)域興起的一種新型的軟件開發(fā)技術(shù)，開發(fā)人員不需要編制具體的指令和代碼，只要利用組態(tài)軟件包中的工具，通過硬件組態(tài)（硬件配置）、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖形圖像組態(tài)等工作來完成所需應(yīng)用軟件的開發(fā)工作，它具有二次開發(fā)簡便、開發(fā)周期短、通用性強、可靠性高等優(yōu)點[1-3]。

隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，測控自動化技術(shù)也得到了迅速提高。變電站綜合測控系統(tǒng)不僅很好地解決了常規(guī)變電站二次設(shè)備存在的缺陷，而且是對變電站二次設(shè)備的一次革命[4-5]。軟件測試是軟件質(zhì)量保證的關(guān)鍵元素，并代表了規(guī)約、設(shè)計和編碼的最終評審。

該文以電站為對象，研究了基于組態(tài)技術(shù)的綜合測控軟件系統(tǒng)的設(shè)計，詳細論述了系統(tǒng)中若干關(guān)鍵問題，設(shè)計了測控軟件的測試模型。

2 組態(tài)軟件技術(shù)

組態(tài)技術(shù)是伴隨著計算機技術(shù)的突飛猛進發(fā)展起來的?！敖M態(tài)”的概念最早來自英文Configuration，其含義是使用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置（包括進行對象的定義、制作和編輯，并設(shè)定其狀態(tài)特征屬性參數(shù)），達到使計算機或軟件按照預(yù)先設(shè)置，自動執(zhí)行特定任務(wù)，滿足使用者要求的目的[1-3]。

組態(tài)軟件一般可分為組態(tài)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)兩大部分。運行系統(tǒng)根據(jù)組態(tài)系統(tǒng)配置好（組態(tài)）的相關(guān)信息運行軟件，從而實現(xiàn)相應(yīng)的控制運算功能。組態(tài)系統(tǒng)根據(jù)用戶要求配置好整個系統(tǒng)參數(shù)。組態(tài)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)有許多共同部分，可劃分為幾個子系統(tǒng)，如圖形化配置人機接口、控制運算、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通信等。目前組態(tài)軟件的組態(tài)方法主要有四種：組態(tài)字法、組態(tài)表格法、梯形圖法和圖表組態(tài)法等。

針對組態(tài)軟件的現(xiàn)狀和發(fā)展要求，在開發(fā)過程中，需引入組件技術(shù)，通過復(fù)用組件對象，可減少設(shè)計中的重復(fù)勞動，提高軟件的可靠性和開放性。組件化軟件開發(fā)雖然有許多特色和優(yōu)勢，但要實現(xiàn)這種組件結(jié)構(gòu)，并不是一件簡單的事情。目前組件技術(shù)的主要標準和規(guī)范大致有 OMG的 CORBA、Sun Microsystems的EJB和Microsoft的COM/DCOM三種。因目前大多數(shù)組態(tài)系統(tǒng)運行于Windows平臺下，故在設(shè)計和實現(xiàn)組態(tài)系統(tǒng)的過程中主要采用COM/DCOM技術(shù)。

組態(tài)軟件發(fā)展迅速，呈現(xiàn)出諸多的發(fā)展趨勢，如跨平臺運行、WEB環(huán)境下運行、提高硬件支持能力、規(guī)范與增強腳本語言、數(shù)據(jù)通信方式的標準化等。特別是在數(shù)據(jù)通信標準化方面得到了極大發(fā)展，OPC基金會提出了OPC標準，基于OLE/DCOM技術(shù)，客戶和服務(wù)器通過COM接口進行通信，服務(wù)器和客戶可以由不同的廠商提供。

3 基于組態(tài)技術(shù)的測控系統(tǒng)

以電站綜合測控系統(tǒng)為對象，設(shè)計開發(fā)了基于組態(tài)技術(shù)的測控軟件。

變電站綜合自動測控系統(tǒng)是利用多臺微型計算機和大規(guī)模集成電路組成的自動化系統(tǒng)，代替常規(guī)的測量和監(jiān)視儀表、控制屏、中央信號處理系統(tǒng)等。

圖1 集中分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從國內(nèi)外變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展過程來看，其結(jié)構(gòu)形式有集中式、分布式、分布分散式和全分散式等類型[4]。圖1為集中分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[5]。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)以若干個線程和進程為單位獨立地被操作系統(tǒng)調(diào)度，而系統(tǒng)中的所有進程和線程都是圍繞數(shù)據(jù)庫而運行，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

規(guī)約處理主要管理串行通信接口，及時采集各RTU的遙測、遙信等數(shù)據(jù)，并向各RTU發(fā)送各種信息以及控制命令，完成向上一級調(diào)度或其他信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

網(wǎng)絡(luò)通信完成主機與各工作站之間實時數(shù)據(jù)及事件的傳送等，通信協(xié)議選用標準的TCP/IP，可采用無線傳輸方式。

歷史記錄用于檢測事件、記錄、狀態(tài)是否需要保存，如果需要，則保存到系統(tǒng)指定的目錄下，也可自動定時保存狀態(tài)信息。

數(shù)據(jù)庫操作及數(shù)據(jù)庫接口完成數(shù)據(jù)庫的生成、錄入、在線修改等。包括模擬量數(shù)據(jù)庫、開關(guān)量數(shù)據(jù)庫、規(guī)約數(shù)據(jù)庫等。

人機界面完成系統(tǒng)的組態(tài)操控，包括繪圖、數(shù)據(jù)顯示、打印等。系統(tǒng)可采用單機模式或多機網(wǎng)絡(luò)模式。

3.2 數(shù)據(jù)庫及結(jié)構(gòu)定義

系統(tǒng)主要定義了模擬量數(shù)據(jù)庫、狀態(tài)量數(shù)據(jù)庫、累計量數(shù)據(jù)庫、遙控量數(shù)據(jù)庫等，采用Access數(shù)據(jù)庫引擎[6-7]。

模擬量屬性記錄結(jié)構(gòu)的C++格式定義為：

其他屬性記錄的結(jié)構(gòu)這里不再一一列出。

3.3 圖形界面組態(tài)模塊

繪圖界面模塊模仿操作系統(tǒng)畫圖工具進行設(shè)計，然后與綜合控制系統(tǒng)的內(nèi)核功能進行融合。模塊支持多層畫面的編輯和無級縮放功能，支持位圖、矢量圖形、矢量字體等，操作簡便，可以方便的繪制主接線圖、棒圖、各種表格等畫面[8]。

模塊定義了一些基本的圖元符號及關(guān)鍵操作，如直線、矩形、圓、填充矩形、填充圓、字符串、圓弧、位圖、交流符等。如直線可定義為：

帶電母線則可在直線的結(jié)構(gòu)上定義為：

3.4 通信組態(tài)模塊

通信模塊包括串行口通信處理、網(wǎng)絡(luò)通信處理、歷史數(shù)據(jù)保存、規(guī)約處理、無線遙控通信處理等。用于輪詢各個串行口是否有接收數(shù)據(jù)、處理服務(wù)器與工作站之間的網(wǎng)絡(luò)通信、處理各個RTU（Remote Terminal Unit）對應(yīng)的各種規(guī)約、把實時數(shù)據(jù)存放到對應(yīng)的緩沖區(qū)中供操作員監(jiān)控平臺模塊調(diào)用等。

4 軟件測試設(shè)計

開發(fā)工作的前期不可避免地會引入錯誤，測試的目的就是為了發(fā)現(xiàn)和改正錯誤。理論上，只有將所有可能的情況都測試到，才有可能檢查出所有的錯誤。然而這是不可能的。為此，針對具體的軟件，應(yīng)當對測試進行設(shè)計，用盡可能少的投入和費用發(fā)現(xiàn)盡可能多的問題和錯誤。

4.1 軟件測試的基本方法[9-11]

軟件測試的基本方法有黑盒法和白盒法。黑盒測試也稱功能測試或數(shù)據(jù)驅(qū)動測試，它是在已知產(chǎn)品所應(yīng)具有的功能的情況下，通過測試來檢測每個功能是否都能正常使用。白盒測試也稱結(jié)構(gòu)測試或邏輯驅(qū)動測試，它是在知道它產(chǎn)品內(nèi)部工作過程的前提下，通過測試來檢測產(chǎn)品內(nèi)部動作是否按照規(guī)格說明書的規(guī)定正常進行。

對一個測試用例來講，可以采用多種測試覆蓋方法，如語句覆蓋、判定覆蓋、條件覆蓋、路徑測試等等。同時，測試軟件本身應(yīng)具有可操作性、可觀察性、可控制性、可理解性等特征。

4.2 正交測試模型[9]

組態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的基于事件驅(qū)動的綜合測控系統(tǒng)，該文采用基本的黑盒測試原理設(shè)計系統(tǒng)的軟件測試模型。

根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)組成，建立了如圖3所示的系統(tǒng)正交測試模型。該模型將系統(tǒng)劃分為圖形系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，對應(yīng)組態(tài)軟件的圖形組態(tài)、數(shù)據(jù)組態(tài)和通信組態(tài)。各系統(tǒng)獨立完成相應(yīng)部分的測試任務(wù)。因系統(tǒng)正交，故各部分之間互不影響。

在這一系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)存儲了相關(guān)的規(guī)則集及測控信息。其他系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行交互，根據(jù)對應(yīng)的測控信息提取規(guī)則，并分解、解析為該系統(tǒng)層內(nèi)的執(zhí)行動作。圖形系統(tǒng)可向數(shù)據(jù)庫寫入新的規(guī)約。通信系統(tǒng)完成測控信息的獲取傳輸及各個子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫之間的通信。

圖3 正交測試模型

一般來講，對任何一個測試用例，模型首先利用分解系統(tǒng)將其進行正交分解，得到獨立的三個正交子測試用例，然后分別送到對應(yīng)的測試驅(qū)動系統(tǒng)進行測試。對每一個子系統(tǒng)，可以根據(jù)需要進行細分，建立一個新的三維分解模型。同樣，也可以先設(shè)計各個子系統(tǒng)的測試例，完成子系統(tǒng)測試后，反向合成為系統(tǒng)層面的測試例。

測試軟件中設(shè)計了一個隨機事件發(fā)生器，根據(jù)測控系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)則模擬系統(tǒng)運行過程中可能出現(xiàn)的各種隨機狀態(tài)。因此實際測試時，由測試軟件系統(tǒng)自動完成測試用例的設(shè)計、測試實現(xiàn)等過程。用戶也可根據(jù)需要自行設(shè)計測試例。

5 結(jié)束語

隨著計算機等信息技術(shù)的發(fā)展，測控自動化技術(shù)得到了迅速提高，極大地提升了工業(yè)自動化水平。組態(tài)軟件技術(shù)是近年來在工業(yè)自動化領(lǐng)域興起的一種新型的軟件開發(fā)技術(shù)，具有二次開發(fā)簡便、開發(fā)周期短、通用性強等特點。

該文以電站自動測控為對象，研究了基于組態(tài)技術(shù)的測控系統(tǒng)的基本組成、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、圖形組態(tài)系統(tǒng)等關(guān)鍵問題。采用現(xiàn)代軟件測試技術(shù)對組態(tài)系統(tǒng)的測試進行了研究，建立了正交測試模型。

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