電子設(shè)備冷卻裝置軟件測(cè)試方法的研究

朱偉明

（海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913）

電子設(shè)備冷卻裝置軟件測(cè)試方法的研究

朱偉明*

（海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913）

指出了電子設(shè)備冷卻裝置軟件測(cè)試的重要性，分析了冷卻裝置軟件測(cè)試的現(xiàn)狀。從等價(jià)驗(yàn)證和測(cè)試方法兩個(gè)方面，對(duì)電子設(shè)備冷卻裝置軟件測(cè)試的適應(yīng)性進(jìn)行了研究。并對(duì)制冷行業(yè)軟件測(cè)試未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了評(píng)價(jià)和構(gòu)想。

冷卻裝置；軟件測(cè)試；等價(jià)驗(yàn)證；健壯性測(cè)試

0 引言

電子用冷卻裝置對(duì)保障電子設(shè)備正常工作和提升電子設(shè)備的可靠性具有非常重要的意義。電子用冷卻裝置失效直接導(dǎo)致重大電子設(shè)備性能降低、停機(jī)或燒毀?？煽啃允请娮佑美鋮s裝置重要性能參數(shù)，它由冷卻裝置機(jī)械及計(jì)算機(jī)控制兩部分組成。本文重點(diǎn)論述冷卻裝置軟件可靠性驗(yàn)證方法。

傳統(tǒng)的軟件測(cè)試?yán)碚摬荒苤苯佑糜跈C(jī)電產(chǎn)品的軟件測(cè)試。為了保障重大電子設(shè)備的可靠運(yùn)行，冷卻裝置軟件測(cè)試的重要性日益突出。由于穩(wěn)定性和可靠性的原因，可編程序控制器（PLC）器件在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域及機(jī)械控制、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制等多個(gè)領(lǐng)域，極大地促進(jìn)了工業(yè)自動(dòng)化和智能化的發(fā)展[1]。

隨著PLC邏輯控制器的廣泛應(yīng)用，PLC軟件的規(guī)模和復(fù)雜度越來(lái)越高，而且基于安全性和可靠性考慮，PLC被應(yīng)用于許多安全苛刻任務(wù)控制領(lǐng)域，如核電、航天和軍工等，冷卻裝置也不例外。對(duì)PLC軟件的質(zhì)量控制帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。目前PLC軟件的測(cè)試技術(shù)還很不成熟，尚未建立權(quán)威的第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)。其軟件可靠性還是人工代碼走查，設(shè)備調(diào)試驗(yàn)收的方式對(duì)軟件進(jìn)行評(píng)估。

1 冷卻裝備軟件測(cè)試的意義

電子用冷卻裝置控制軟件的目標(biāo)是提供合適的溫度或濕度環(huán)境，保障電子設(shè)備安全可靠，任務(wù)可靠。隨著電子冷卻裝置總制冷量增加，系統(tǒng)組成也復(fù)雜，冷卻裝置軟件存在的一些實(shí)時(shí)運(yùn)行錯(cuò)誤不易被發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試不能滿(mǎn)足產(chǎn)品初期的可靠性審查。交付后，因電子設(shè)備工況（工況是指動(dòng)力設(shè)備在一定條件下的工作狀況，即各個(gè)參數(shù)之間的相互關(guān)系）變化而發(fā)現(xiàn)控制軟件錯(cuò)誤的成本，是伴隨著很大的安全性風(fēng)險(xiǎn)，直接降低電子設(shè)備任務(wù)可靠性。因此，冷卻裝置的軟件測(cè)試重要性越來(lái)越重要。

因此，冷卻裝置軟件測(cè)試的意義在于，保證交付的產(chǎn)品達(dá)到一定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試工程師利用測(cè)試工具按照測(cè)試方案和流程對(duì)裝置進(jìn)行功能和性能測(cè)試，根據(jù)需要編寫(xiě)不同的測(cè)試工具，設(shè)計(jì)和維護(hù)測(cè)試系統(tǒng)。

2 軟件測(cè)試方法

為了做好冷卻裝置的質(zhì)量控制工作，在實(shí)施成熟軟件工程技術(shù)的基礎(chǔ)上，冷卻裝置軟件測(cè)試是其質(zhì)量控制的一種有效手段。但PLC軟件的特點(diǎn)之一是與特定的硬件環(huán)境緊密相關(guān)，且型號(hào)廠家繁雜造成編程語(yǔ)言和目標(biāo)代碼互不兼容。目前，PLC軟件的測(cè)試方法主要有以下四種，即模擬仿真測(cè)試、硬件回路搭建測(cè)試、等價(jià)驗(yàn)證和健壯性測(cè)試。

2.1 模擬仿真測(cè)試

仿真軟件的功能就是編寫(xiě)好的程序在電腦中虛擬運(yùn)行，如果沒(méi)有編好的程序，是無(wú)法進(jìn)行仿真。如三菱 PLC仿真軟件 GX Simulator，西門(mén)子S7-PLCSIM等。用戶(hù)可以在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，一般做為收費(fèi)軟件產(chǎn)品對(duì)外發(fā)布，僅僅是提供用戶(hù)開(kāi)發(fā)、調(diào)試使用，不能達(dá)到軟件測(cè)試的目的。一般對(duì)仿真軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，如實(shí)現(xiàn)PLCSIM模擬硬件平臺(tái)與計(jì)算機(jī)通信。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件訪問(wèn)虛擬硬件寄存器，監(jiān)聽(tīng)虛擬硬件的輸出。

2.2 硬件回路搭建建測(cè)試

硬件回路答建是以冷卻裝置 PLC程序軟件為核心，搭建處圍輸入（IN）輸出（IO）和模擬量輸入（AIN）輸出（AIO）的各種信號(hào)。根據(jù)冷卻裝置輸入功能表與輸出功能表進(jìn)行測(cè)試。

由于這種測(cè)試是硬件搭建，其穩(wěn)建性，需要外圍硬件開(kāi)發(fā)，針對(duì)性強(qiáng)。對(duì)于不同的冷卻裝置PLC軟件測(cè)試成本較高，效率不高。其存在的意義是針對(duì)于單一的批量裝置。

表1 測(cè)試輸出表

2.3 等價(jià)驗(yàn)證

等價(jià)性檢查（Equivalence Checking）是形式驗(yàn)證（Formal Verification）的一種，它的主要思想是通過(guò)使用形式證明的方式來(lái)驗(yàn)證一個(gè)設(shè)計(jì)的功能是否正確[2]。應(yīng)用數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)程序進(jìn)行分析和驗(yàn)證的技術(shù)，用某種語(yǔ)言C或C++和邏輯構(gòu)造程序的數(shù)學(xué)模型來(lái)證明程序的正確性。

該電子用冷卻裝置控制系統(tǒng)由西門(mén)子 S7-300 PLC為核心控制器，在自動(dòng)控制方式下，有液冷和制冷二種工況。

PLC的工作原理是一個(gè)“順序掃描、不斷循環(huán)”的單線(xiàn)程循環(huán)過(guò)程，一個(gè)掃描周期完成內(nèi)部處理、通信處理、輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新五個(gè)工作階段，如圖1所示。西門(mén)子S7-300PLC總是執(zhí)行OB1循環(huán)，在OB1執(zhí)行過(guò)程中調(diào)用FC程序或中斷插入。PLC程序掃描方式和掃描延遲直接影響等價(jià)到 Windows多任務(wù)環(huán)境下程序架構(gòu)，針對(duì)OB1循環(huán)，一般使用多線(xiàn)程和細(xì)分時(shí)間片技術(shù)。如果沒(méi)有很好理解PLC工作原理，可能會(huì)使等價(jià)程序丟包或數(shù)據(jù)延遲不實(shí)[3]。

圖1 PLC程序掃描

定義框圖程序如圖2。

圖2 PLC程序掃描等價(jià)框圖

邏輯繼電器輸入輸出梯形圖轉(zhuǎn)換如圖3和圖4所示。機(jī)電控制過(guò)程中，常使用上升沿信號(hào)，接通瞬間信號(hào)有效。S7-300PLC用 (P) 表示邏輯動(dòng)作的觸發(fā)條件是某個(gè)信號(hào)位變化時(shí)，該信號(hào)通常只保留在一個(gè)主程序運(yùn)行周期。等價(jià)程序框圖參考如圖5。

圖3 繼電器梯形圖

圖4 繼電器等價(jià)框圖

圖5 上升沿等價(jià)框圖

2.4 冷卻裝置控制軟件健壯性測(cè)試

冷卻裝置健壯性是指冷卻裝置控制軟件對(duì)于規(guī)范要求以外的輸入情況的處理能力。它不同于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的健壯性測(cè)試，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域健壯性測(cè)試內(nèi)容一般是指表2和表3所示。在20世紀(jì)70年代日本田口玄一[4]從質(zhì)量工程的角度提出健壯設(shè)計(jì)這一概念以后，機(jī)械工程領(lǐng)域?qū)⒔研缘母拍钜霗C(jī)械工程領(lǐng)域。

冷卻裝置控制軟件健壯性測(cè)試應(yīng)該建立在健壯性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，冷卻裝置需求功能滿(mǎn)足要求，不表示產(chǎn)品質(zhì)量可靠。設(shè)計(jì)者可能往往因?yàn)槿蝿?wù)緊迫而忽略健壯性設(shè)計(jì)，這樣在交付后大大降低了電子設(shè)備的任務(wù)可靠性。

表2 計(jì)算機(jī)健壯性測(cè)試項(xiàng)目

表3 冷卻裝置健壯性測(cè)試輸入條款

3 控制軟件測(cè)試的未來(lái)發(fā)展

為了保障電子設(shè)備可靠穩(wěn)定的工作，其冷卻裝置控制軟件的性能驗(yàn)證日益突出，產(chǎn)品交付驗(yàn)收過(guò)程中，其可靠性和安全性編程準(zhǔn)則落實(shí)和驗(yàn)證情況也成為使用方關(guān)注的焦點(diǎn)，見(jiàn)表4。

目前，針對(duì)冷卻裝置控制軟件的測(cè)試工作開(kāi)展較少，特別是對(duì)于如何評(píng)價(jià)軟件是否達(dá)到規(guī)定的要求，沒(méi)有明確的驗(yàn)證方法。其難點(diǎn)主要有兩點(diǎn)：

1) 系統(tǒng)（專(zhuān)業(yè)）流程不了解。

2) 機(jī)電產(chǎn)品集開(kāi)關(guān)量輸入、輸出和通訊等功能接口單元?？刂茊卧鄻踊?，軟件規(guī)范多元化，規(guī)范不統(tǒng)一。

但隨著機(jī)電控制由繼電器邁進(jìn)可編程控制器時(shí)代，軟件越來(lái)越趨向大型化、軟件質(zhì)量問(wèn)題逐步加劇，作為質(zhì)量控制中的重要一環(huán)，軟件驗(yàn)證工作日趨重要。同時(shí)，對(duì)機(jī)電某一行業(yè)的軟件測(cè)試也是可行的。主要表現(xiàn)在如下兩點(diǎn)：

1) 針對(duì)單一制冷專(zhuān)業(yè)，將測(cè)試的方向從面縮小到點(diǎn)，克服了測(cè)試人員缺少專(zhuān)業(yè)知識(shí)缺點(diǎn)，形成某機(jī)電產(chǎn)品或?qū)I(yè)行業(yè)軟件測(cè)試。

2) 根據(jù)IEC61131-3提出的軟件模型[5]，為PLC體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從單一的封閉系統(tǒng)提升為多CPU結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)針對(duì)冷卻專(zhuān)業(yè)轉(zhuǎn)換軟件，進(jìn)而形成電子用冷卻裝置軟件編寫(xiě)規(guī)范、評(píng)估準(zhǔn)則等。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范的出臺(tái)，電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)第三方軟件審查成為常態(tài)化。挖掘第三方軟件測(cè)試市場(chǎng)。

表4 軟件功能模塊驗(yàn)證情況

4 結(jié)論

本文對(duì)電子用冷卻裝置軟件測(cè)試的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，從等價(jià)驗(yàn)證和測(cè)試方法兩個(gè)方面對(duì)電子用冷卻裝置軟件測(cè)試的適應(yīng)性進(jìn)行了研究。同時(shí)，針對(duì)機(jī)電行業(yè)軟件測(cè)試未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了評(píng)價(jià)和構(gòu)想。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的完善，相信該領(lǐng)域?qū)?lái)會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

[1]廖常初. S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

[2]李光輝. 通用CPU設(shè)計(jì)驗(yàn)證中的等價(jià)性檢驗(yàn)方法[M].北京: 科學(xué)出版社, 2005.

[3]SIEMENS. S7-300 自動(dòng)化系統(tǒng)CPU31xC技術(shù)功能使用手冊(cè)[M]. 北京: 西門(mén)子（中國(guó)）有限公司, 2003.

[4]林秀雄. 田口方法實(shí)戰(zhàn)技術(shù)[M]. 深圳: 海天出版社, 2004.

[5]彭瑜. 工控編程語(yǔ)言國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn) IEC61131-3及其影響[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

Study of Software Testing Method of Cooling Device for Electron Equipment

ZHU Wei-ming*
(Representative Office of navy in Shanghai Jiangnan shipyard (Group) Co. Ltd., Shanghai 201913, China)

The importance of the software testing of cooling device for electron equipment was pointed out, and the research status on the software testing of cooling device was analyzed. From two aspects of equivalence verification and testing method, the adaptability of software testing of cooling device for electron equipment was investigated. The future development of the software testing of refrigeration industry was evaluated and conceived.

Cooling device; Software test; Equivalence verification; Robustness testing

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.206

*朱偉明（1972-），男，工程師，雙學(xué)士。研究方向：船舶機(jī)電設(shè)備質(zhì)量控制及船舶輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。聯(lián)系地址：上海市長(zhǎng)興島長(zhǎng)興江南大道988號(hào)海軍駐上海江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司軍事代表室，郵編：201913。