基于DTECS平臺(tái)的便捷調(diào)試技術(shù)研究

王成福　段錄平　王超

摘 要：根據(jù)便捷調(diào)試系統(tǒng)的應(yīng)用需求，介紹了一些目前常用的數(shù)據(jù)監(jiān)視和調(diào)試方法。針對(duì)DTECS系統(tǒng)平臺(tái)的技術(shù)特性，提出了調(diào)試系統(tǒng)便捷性的設(shè)計(jì)思路和方法，并對(duì)關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：DTECS；PLC；便攜調(diào)試；組態(tài)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.150

DTECS（Distributed Train Electric Control System，分布式列車電子控制系統(tǒng)）是中車株洲所基于IEC61375列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）標(biāo)準(zhǔn)自主研發(fā)的一套分布式列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)平臺(tái)，如今已被廣泛應(yīng)用于城軌、干線機(jī)車和高速動(dòng)車。隨著DTECS平臺(tái)各類車載控制設(shè)備在市場上的廣泛應(yīng)用，售后服務(wù)人員，機(jī)車、動(dòng)車、城軌運(yùn)用維修人員對(duì)數(shù)據(jù)監(jiān)視與調(diào)試工具的便捷性需求，以及設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場快速調(diào)試業(yè)務(wù)要求都在不斷提升。開發(fā)一套統(tǒng)一、通用、可配置、圖形化的便捷調(diào)試系統(tǒng)工具成為一個(gè)迫切的需求。

對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)試是一項(xiàng)傳統(tǒng)需求，以往在這方面的開發(fā)主要是針對(duì)特定的設(shè)備或特定的應(yīng)用項(xiàng)目，不同的應(yīng)用項(xiàng)目由于有不同的數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議，導(dǎo)致上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)視與調(diào)試工具軟件的種類、版本較多。針對(duì)數(shù)據(jù)監(jiān)視和調(diào)試業(yè)務(wù)，軟件功能具有共性的需求，包括開關(guān)量/模擬量監(jiān)視、故障狀態(tài)查看、波形監(jiān)視/回放、參數(shù)修改、程序更新等。另外，各車載控制系統(tǒng)，例如牽引控制、輔助控制、制動(dòng)控制、門控等都通過WTB或MVB總線連接在TCN網(wǎng)絡(luò)上。這些設(shè)備開放的數(shù)據(jù)都可以從TCN網(wǎng)絡(luò)上獲取得到。因此，DTECS系統(tǒng)為建立統(tǒng)一、便捷、通用性高的數(shù)據(jù)監(jiān)視調(diào)試工具提供了很好的技術(shù)平臺(tái)。

1 現(xiàn)狀

目前，中車株洲所在數(shù)據(jù)監(jiān)視與調(diào)試方面基于DTECS系統(tǒng)平臺(tái)已經(jīng)做了一些工作，取得了一定的成果。例如TCN網(wǎng)絡(luò)管理及監(jiān)視配置軟件，基于TCN網(wǎng)絡(luò)管理和消息數(shù)據(jù)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣?dòng)生成、端口變量監(jiān)視和覆蓋等功能。由于該軟件是基于單一設(shè)備開發(fā)，通用性方面有一定的局限性。另一方面，許多TCN設(shè)備未提供消息數(shù)據(jù)能力。這也限制了該軟件功能的發(fā)揮。

DTSTools工具軟件作為TCN網(wǎng)絡(luò)管理及監(jiān)視配置軟件的升級(jí)版，它集成了網(wǎng)絡(luò)配置、網(wǎng)絡(luò)編程開發(fā)、程序更新和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試四大塊，涵蓋了從設(shè)計(jì)、調(diào)試、售后維護(hù)各階段的應(yīng)用。其中，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試軟件是專用于數(shù)據(jù)監(jiān)視和調(diào)試的軟件，采用OPC機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)視，利用平臺(tái)層的通信服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)覆蓋。該軟件針對(duì)DTECS平臺(tái)開發(fā)，不依賴于特定TCN設(shè)備，所以通用性較好，但在調(diào)試便捷性方面還有很大的提升空間。

國外在監(jiān)視調(diào)試軟件方面做得比較好的有西門子，西門子針對(duì)其SIBAS32控制系統(tǒng)提供了一整套監(jiān)視、調(diào)試及診斷工具軟件，例如Monitor、SIBAS-G、Expert2等。Monitor用于對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控；Expert2專用于故障診斷分析；SIBAS-G軟件則根據(jù)設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)3個(gè)階段角色的不同，劃分了開發(fā)版Development、調(diào)試版WorkBench和維護(hù)版Reader。每個(gè)工具軟件都需要單獨(dú)授權(quán)，而且每個(gè)軟件只有在其他軟件的配合下使用才能發(fā)揮最佳的效果。

龐巴迪的DCUTerm軟件主要用于牽引控制單元（DCU）的調(diào)試，可以連接多個(gè)MITRAC目標(biāo)系統(tǒng)，例如DCU、VCU等，支持模擬/邏輯信號(hào)狀態(tài)查看、查看/修改參數(shù)和狀態(tài)、模擬信號(hào)瞬時(shí)記錄、程序更新、記錄瀏覽等功能。該軟件主要是基于命令行模式的調(diào)試方式，過于專業(yè)，可視化界面差，用戶體驗(yàn)不夠好。

本文主要基于DTECS系統(tǒng)平臺(tái)的技術(shù)特性，對(duì)便捷調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究和探討。

2 DTECS設(shè)備軟件分層結(jié)構(gòu)

IEC61375-1標(biāo)準(zhǔn)中定義的MVB3類設(shè)備是指具有過程數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)和可編程能力，其顯著特征是擁有大量端口且?guī)в信c應(yīng)用相關(guān)的可編程控制器，支持用戶編程。DTECS系統(tǒng)平臺(tái)的大部分成員屬于MVB3類及以上的設(shè)備，一個(gè)典型的MVB3類設(shè)備的軟件分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

文獻(xiàn)[5]對(duì)DTECS設(shè)備的軟件分層作了詳細(xì)介紹和說明。本文重點(diǎn)關(guān)注網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層和處于平臺(tái)軟件層的IEC標(biāo)準(zhǔn)PLC控制引擎。這2部分與上位機(jī)便捷調(diào)試系統(tǒng)的關(guān)系最密切。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層主要有2類用戶應(yīng)用程序：①基于IEC標(biāo)準(zhǔn)PLC控制引擎開發(fā)的PLC程序。這類程序以用戶任務(wù)的形式由PLC控制引擎負(fù)責(zé)調(diào)度執(zhí)行，控制引擎負(fù)責(zé)執(zhí)行PLC目標(biāo)代碼，I/O端口地址訪問、全局或局部變量的地址分配和管理。②基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)的嵌入式應(yīng)用程序，由操作系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行。

以往上位機(jī)的監(jiān)視調(diào)試軟件主要與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層打交道，因網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層經(jīng)常隨應(yīng)用項(xiàng)目的不同而變化，上位機(jī)軟件也需要隨之變化，難以保持監(jiān)視調(diào)試軟件的版本穩(wěn)定和統(tǒng)一。這不符合平臺(tái)化的設(shè)計(jì)思路。因此，本文提出的解決方案是基于相對(duì)穩(wěn)定的平臺(tái)層來開發(fā)，可以提高監(jiān)視調(diào)試軟件的穩(wěn)定性和通用性，減少重復(fù)開發(fā)。

3 IEC標(biāo)準(zhǔn)的PLC控制引擎

通常意義上的PLC（Programmable Logic Controller）是指一種稱為“可編程控制器”的電子裝置，其工作原理可簡單概括為讀輸入、執(zhí)行PLC程序、寫輸出。IEC標(biāo)準(zhǔn)的PLC控制引擎是DTECS系統(tǒng)平臺(tái)的重要組成部分，大部分網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層程序依賴于該控制引擎。作為符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的PLC，它不依賴于任何特定的硬件設(shè)備，除了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的基本功能外，還增加了一些IEC標(biāo)準(zhǔn)定義的特性，例如允許為一個(gè)資源配置多個(gè)任務(wù)、對(duì)PLC程序的完全控制能力等。

針對(duì)多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，PLC控制引擎采用了優(yōu)先級(jí)搶占的任務(wù)調(diào)度機(jī)制，任務(wù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)時(shí)序如圖2所示。

從圖2可以看出，上位機(jī)編程器以及監(jiān)視調(diào)試所依賴的系統(tǒng)服務(wù)任務(wù)在任務(wù)序列里面優(yōu)先級(jí)是較低的。這種優(yōu)先級(jí)策略避免了上位機(jī)在數(shù)據(jù)監(jiān)視、在線調(diào)試時(shí)影響PLC控制程序的正常執(zhí)行。官方性能測試數(shù)據(jù)顯示，使用Intel Pentium I 150 MHz的CPU處理1 000條IL指令的執(zhí)行時(shí)間在24 μs左右。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，假設(shè)使用相同的CPU，有最多16個(gè)用戶任務(wù)，每個(gè)任務(wù)有10萬條的指令規(guī)模，那么可以估算出PLC執(zhí)行完所有任務(wù)花費(fèi)的時(shí)間約為40 ms?？梢?，PLC控制內(nèi)核在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下仍然具有較高的執(zhí)行效率，一般情況下都能夠滿足上位機(jī)監(jiān)視與調(diào)試的應(yīng)用需求。

4 便捷調(diào)試系統(tǒng)

4.1 便捷性的設(shè)計(jì)需求

一個(gè)便捷的調(diào)試系統(tǒng)，除了能夠滿足作為監(jiān)視調(diào)試工具應(yīng)該具備的基本功能要求以外，例如對(duì)開關(guān)量/模擬量實(shí)時(shí)監(jiān)視與記錄、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、波形監(jiān)視、參數(shù)修改以及程序更新等功能，還應(yīng)滿足以下便捷性的應(yīng)用需求：①圖形化?；谕?fù)鋱D、功能框圖、邏輯框圖、原理圖、波形圖等形式的變量監(jiān)視、覆蓋和參數(shù)修改調(diào)試。這種直觀的表現(xiàn)形式使用戶不需要掌握太多專業(yè)知識(shí)，也可以輕松使用和操作調(diào)試工具，高效率地完成調(diào)試任務(wù)。②流程化。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)調(diào)試大綱或型式試驗(yàn)大綱等技術(shù)文件來配置現(xiàn)場調(diào)試的內(nèi)容和步驟。售后維護(hù)或現(xiàn)場調(diào)試人員根據(jù)設(shè)定的流程步驟完成現(xiàn)場調(diào)試操作，同時(shí)形成調(diào)試報(bào)告。③通用性。面向DTECS系統(tǒng)平臺(tái)，而不針對(duì)特定的MVB設(shè)備、車型或應(yīng)用項(xiàng)目。這樣可以減少開發(fā)人員的重復(fù)勞動(dòng)，又能保持調(diào)試工具版本的穩(wěn)定和統(tǒng)一。④可配置。設(shè)計(jì)人員可以對(duì)各種圖形化的監(jiān)視調(diào)試界面以及調(diào)試流程進(jìn)行配置的，實(shí)現(xiàn)調(diào)試工具的可配置功能是實(shí)現(xiàn)圖形化、流程化和通用性等便捷性需求的前提。應(yīng)用項(xiàng)目需求的不同直接影響網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層軟件在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件邏輯等方面的設(shè)計(jì)，所以如果便捷調(diào)試工具不能通過可配置來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的變化，那么無法實(shí)現(xiàn)通用性。

從軟件實(shí)現(xiàn)的角度來說，上述幾個(gè)需求關(guān)鍵的技術(shù)或難點(diǎn)在于可配置和隱含在通用性背后的與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層無關(guān)的數(shù)據(jù)訪問與調(diào)試接口技術(shù)2個(gè)方面。

4.2 設(shè)計(jì)思路

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場調(diào)試業(yè)務(wù)分離，以及保護(hù)車載軟件安全，有必要將調(diào)試工具劃分為2個(gè)部分，即面向設(shè)計(jì)人員使用的支持圖形化配置的調(diào)試配置工具，主要面向售后維護(hù)和業(yè)主使用的現(xiàn)場調(diào)試工具。

設(shè)計(jì)人員使用調(diào)試配置工具主要完成以下3個(gè)方面的配置工作：①可以配置系統(tǒng)某些量，參數(shù)可以對(duì)用戶開放以及每個(gè)量和參數(shù)對(duì)應(yīng)的I/O地址、數(shù)據(jù)類型、地址偏移等。②可以配置以功能框圖、邏輯框圖、原理圖或電路圖等為主要形式的數(shù)據(jù)邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系。③配置調(diào)試流程。所有配置最終生成一個(gè)調(diào)試配置文件，設(shè)計(jì)人員將調(diào)試配置文件下載到DTECS設(shè)備中，以供現(xiàn)場調(diào)試用。

售后維護(hù)或現(xiàn)場調(diào)試人員通過現(xiàn)場調(diào)試工具連接到DTECS設(shè)備讀取調(diào)試配置文件，現(xiàn)場調(diào)試工具根據(jù)調(diào)試配置文件還原設(shè)計(jì)人員配置的圖形化界面、調(diào)試步驟等內(nèi)容。這時(shí)，所有已配置項(xiàng)都是不可編輯的?，F(xiàn)場調(diào)試工具就依據(jù)該調(diào)試配置文件進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視、參數(shù)修改和調(diào)試。

當(dāng)有實(shí)時(shí)故障診斷需求時(shí)，可以首先由設(shè)計(jì)層預(yù)先配置好故障診斷邏輯關(guān)系圖，現(xiàn)場維護(hù)及調(diào)試人員可以依據(jù)該故障診斷邏輯反映出的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行跟蹤監(jiān)視和故障排查。這種方式明顯能夠有效地提高現(xiàn)場故障排查的效率。

在數(shù)據(jù)監(jiān)視、覆蓋等調(diào)試功能開發(fā)方面依托DTECS平臺(tái)的PLC控制引擎對(duì)上位機(jī)開放的實(shí)時(shí)通信和調(diào)試接口，實(shí)現(xiàn)變量訪問、參數(shù)覆蓋、程序更新、PLC啟動(dòng)/復(fù)位/停止等功能?；谶@套通信服務(wù)接口開發(fā)是便捷調(diào)試系統(tǒng)開發(fā)的最便捷途徑，可實(shí)現(xiàn)與DTECS平臺(tái)的完美結(jié)合，并且能夠開發(fā)出像PLC應(yīng)用開發(fā)工具一樣強(qiáng)大的調(diào)試功能。

4.3 關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)

4.3.1 組態(tài)編程技術(shù)

從軟件編程角度來講，組態(tài)主要涉及3個(gè)方面的編程技術(shù)，即面向?qū)ο?、圖形繪制和對(duì)現(xiàn)場總線協(xié)議的封裝。面向?qū)ο缶幊?，將所有組態(tài)元素封裝為對(duì)象，并賦予不同的類別屬性，并以圖形化的形式展現(xiàn)。對(duì)于每一個(gè)與信號(hào)相關(guān)的對(duì)象，設(shè)計(jì)人員可配置變量的屬性，諸如信號(hào)名、地址、偏移地址、數(shù)據(jù)類型、刷新頻率等。每個(gè)組態(tài)對(duì)象內(nèi)部都封裝了圖形繪制和渲染的過程，根據(jù)對(duì)象的不同類型、位置、大小等來繪制對(duì)象的圖形。除了具有上述2個(gè)特征外，還需要封裝一些標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線協(xié)議，實(shí)現(xiàn)簡單的配置就能訪問到現(xiàn)場數(shù)據(jù)，而不需要關(guān)注數(shù)據(jù)通信細(xì)節(jié)。

4.3.2 PLC實(shí)時(shí)通信技術(shù)

DTECS系統(tǒng)平臺(tái)的PLC控制引擎為上位機(jī)PLC程序下載、數(shù)據(jù)訪問、在線調(diào)試等提供了完備的通信接口，尤其是數(shù)據(jù)覆蓋的調(diào)試接口，對(duì)實(shí)現(xiàn)便捷的調(diào)試起著非常重要的作用。PLC實(shí)時(shí)通信采用一問一答的方式，由上位機(jī)發(fā)起請(qǐng)求，下位機(jī)PLC返回?cái)?shù)據(jù)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)通信協(xié)議幀格式如圖3所示。

該協(xié)議涵蓋了上位機(jī)與PLC實(shí)時(shí)通信的所有內(nèi)容，上位機(jī)數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)覆蓋、單步調(diào)試、程序更新、PLC復(fù)位/啟動(dòng)/停機(jī)等功能都依據(jù)該協(xié)議來完成。標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議幀的最大長度為1 428 bytes。超過這個(gè)上限時(shí)，需要分2次或更多次請(qǐng)求才能完成一次完整的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，因此數(shù)據(jù)量越大，請(qǐng)求的次數(shù)越多，上位機(jī)數(shù)據(jù)更新的頻率就會(huì)越慢。

4.3.3 分組請(qǐng)求策略

PLC一問一答的實(shí)時(shí)通信方式?jīng)Q定了上位機(jī)數(shù)據(jù)刷新頻率取決于上位機(jī)請(qǐng)求的頻率以及PLC對(duì)請(qǐng)求的響應(yīng)速度。PLC的響應(yīng)速度又受其任務(wù)規(guī)模以及任務(wù)掃描周期的影響，并且與請(qǐng)求的數(shù)據(jù)量成反比。即使使用配套的PLC應(yīng)用開發(fā)工具做仿真調(diào)試，也會(huì)遇到同樣的PLC響應(yīng)遲鈍的問題，因此有必要采用某種設(shè)計(jì)策略來克服這一問題，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

通常情況下，PLC任務(wù)的執(zhí)行周期各不相同，變量值的更新頻率也會(huì)不一樣?；谶@個(gè)特點(diǎn)，可以采用分組請(qǐng)求策略，即根據(jù)變量刷新頻率劃分幾個(gè)不同的請(qǐng)求組，不同的組采用不同的請(qǐng)求頻率，這樣可以盡可能地把系統(tǒng)資源讓給更新頻率高的變量組，同時(shí)減少了每次請(qǐng)求的變量規(guī)模，PLC響應(yīng)的速度就會(huì)更快，從而提高實(shí)時(shí)性。

設(shè)計(jì)人員使用調(diào)試配置工具進(jìn)行配置時(shí)可設(shè)定變量的更新頻率，現(xiàn)場調(diào)試工具再針對(duì)設(shè)置的變量頻率進(jìn)行分組。當(dāng)變量沒有設(shè)定更新頻率時(shí)，則在實(shí)時(shí)通信過程中由現(xiàn)場調(diào)試軟件自動(dòng)估計(jì)判斷變量的更新頻率。比如上位機(jī)請(qǐng)求頻率為10 ms，對(duì)于某個(gè)變量，它在5次請(qǐng)求的值沒有變化，那么初步認(rèn)定它的更新周期大于50 ms，然后它在50 ms的請(qǐng)求組里繼續(xù)嘗試。通過這種迭代試探的策略來自動(dòng)估算一個(gè)監(jiān)視變量的更新周期，最終所有監(jiān)視量都會(huì)找到一個(gè)合適的組。

5 結(jié)束語

DTECS系統(tǒng)為數(shù)據(jù)監(jiān)視與調(diào)試工具開發(fā)提供了非常強(qiáng)大的技術(shù)平臺(tái)，其開放的通信服務(wù)接口為便捷調(diào)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)視、調(diào)試功能的開發(fā)提供了一個(gè)便捷的途徑。下一代基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)，具有更高的寬帶和傳輸速率，利用LLDP或SNMP協(xié)議可以輕松發(fā)現(xiàn)列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌M(jìn)而實(shí)現(xiàn)從單個(gè)設(shè)備到全車設(shè)備的數(shù)據(jù)訪問能力。那時(shí)，數(shù)據(jù)監(jiān)視與調(diào)試工具也將更便捷。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：劉曉芳〕