基于PLC 的的車控軟件通用測(cè)試平臺(tái)

黃媛媛，姜小燕，張士軍

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

特種車車控軟件通常為系統(tǒng)配套的專用軟件，其功能、性能、接口、可靠性和安全性等要求與系統(tǒng)總體方案、液壓控制流程、電氣接口以及目標(biāo)機(jī)平臺(tái)等分系統(tǒng)密切相關(guān)，其軟件測(cè)試環(huán)境必須能夠模擬全部外部接口信號(hào)，才能夠確保軟件測(cè)試的覆蓋性要求[1]。

以往的車控軟件測(cè)試，主要依賴于真實(shí)的設(shè)備及分系統(tǒng)和系統(tǒng)環(huán)境，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)接口特性與真實(shí)使用情況一致；缺點(diǎn)是缺乏異常信號(hào)模擬的接口和方法，不利于系統(tǒng)的可靠性、安全性測(cè)試。另外，測(cè)試平臺(tái)需要設(shè)備和系統(tǒng)實(shí)物來搭建，需要完成實(shí)物樣機(jī)才能開始軟件的測(cè)試，不利于系統(tǒng)的并行開發(fā)，延長(zhǎng)了研制周期，而專門配置相似的測(cè)試實(shí)物又成本太高。

近年來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，車控軟件測(cè)試開始應(yīng)用仿真模擬環(huán)境，即針對(duì)車控軟件的測(cè)試需求，配置外部信號(hào)模擬環(huán)境，通過組態(tài)軟件等工具提供信號(hào)輸入、修改和顯示的測(cè)試界面，在實(shí)物測(cè)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)之前，測(cè)試到大部分的功能、性能和接口項(xiàng)目，也可以實(shí)現(xiàn)大部分的異常狀況模擬，為可靠性、安全性測(cè)試提供了方便[2]。但通常的做法是一個(gè)型號(hào)配置一套專用的信號(hào)模擬環(huán)境，針對(duì)性強(qiáng)，但每個(gè)型號(hào)都要專門配套，設(shè)備成本高，測(cè)試用例重用性差。

本文綜合分析車控軟件的特點(diǎn)和測(cè)試需求，以PLC 控制器為核心設(shè)計(jì)一種通用的測(cè)試環(huán)境，可用于多種型號(hào)的車控軟件測(cè)試。

1 車控軟件測(cè)試環(huán)境需求分析

車控軟件的測(cè)試環(huán)境應(yīng)以軟件宿主機(jī)為核心，配套外部接口模擬環(huán)境，提供信號(hào)輸入界面、信號(hào)顯示界面、流程執(zhí)行狀態(tài)顯示界面、異常狀態(tài)顯示界面以及可靠性、安全性相關(guān)的專項(xiàng)測(cè)試界面，為軟件功能、性能、接口以及可靠性、安全性等測(cè)試提供靈活方便的輸入途徑和顯示界面。

通過對(duì)多個(gè)型號(hào)的特種車車控軟件測(cè)試需求的分析，可知車控軟件測(cè)試環(huán)境的主要需求是接口信號(hào)需求，包括檢測(cè)信號(hào)、控制信號(hào)、流程狀態(tài)和異常信號(hào)模擬。

1.1 車控軟件功能需求

車控軟件主要用于控制特種車進(jìn)行四、六支腿調(diào)平，支撐架起豎、回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)功能以及控制所有機(jī)構(gòu)歸位成行駛狀態(tài)，需要實(shí)時(shí)顯示控制過程中的壓力、機(jī)構(gòu)行程、角度等信息，具備一定的故障診斷能力。

1.2 車控軟件接口分析

車控軟件的檢測(cè)對(duì)象主要有：液壓系統(tǒng)壓力和流量、支腿伸/收到位開關(guān)或支腿高度位移量或支腿觸地壓力、車架水平度、起豎、回轉(zhuǎn)及下放到位開關(guān)、起 豎角度和回轉(zhuǎn)角度、垂直度、關(guān)鍵位置（如起豎臂78°）接近開關(guān)和其它液壓檢測(cè)對(duì)象。這些監(jiān)測(cè)對(duì)象對(duì)應(yīng)的電器元件或傳感器的特性決定了電氣系統(tǒng)的輸入輸出口設(shè)計(jì)，同時(shí)也提出了軟件監(jiān)測(cè)的采集要求，包括監(jiān)測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)規(guī)格、變換要求、采集頻率、防抖以及防干擾處理等要求。不同的對(duì)象，其信號(hào)特性不同，接口設(shè)計(jì)也不同，相應(yīng)的采集、處理方法也有所區(qū)別。按照接口類型進(jìn)行分類，車控軟件的檢測(cè)信號(hào)如表1 所示。

表1 車控軟件檢測(cè)信號(hào)匯總（輸入接口） Tab.1 Collection Signals of Vehicle Control Software (Input Interface)

車控系統(tǒng)的控制對(duì)象主要有：液壓系統(tǒng)壓力調(diào)定控制的開關(guān)閥、數(shù)字閥或電機(jī)，各路流量調(diào)定控制的開關(guān)閥或數(shù)字閥，支腿伸/收控制閥和起豎臂（架）起豎、回轉(zhuǎn)及下放開關(guān)閥。對(duì)應(yīng)的信號(hào)類型主要是開關(guān)量、數(shù)字量或模擬量，按照接口類型進(jìn)行分類，車控軟件的控制對(duì)象接口信號(hào)如表2 所示。

表2 車控軟件控制信號(hào)匯總（輸出接口） Tab.2 Control Signals of vehicle Control Software (Output Interface)

1.3 車控軟件測(cè)試流程

車控系統(tǒng)液壓控制方案確定了軟件輸出控制的詳細(xì)步驟及時(shí)序要求，也叫控制流程。

描述控制流程使用工步、分工步的概念。通常的含義是：控制流程劃分為展開和撤收兩個(gè)流程。展開流程劃分為伸支腿、調(diào)平、起豎以及支撐鎖定等工步；撤收流程劃分為解鎖、下放、收支腿等工步。每個(gè)工步又進(jìn)一步劃分為一系列控制動(dòng)作（或叫分工步、子工步），每個(gè)控制動(dòng)作都規(guī)定了具體的執(zhí)行條件、控制動(dòng)作、輸出參數(shù)以及延時(shí)要求。控制軟件必須嚴(yán)格按照流程要求的步驟和延時(shí)要求設(shè)計(jì)控制模塊的處理流程。

車控軟件測(cè)試中需要檢測(cè)控制流程的執(zhí)行過程，通常的要求是顯示正在執(zhí)行的流程狀態(tài)、工步、分工步以及全部檢測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示。

1.4 故障模擬

工步控制過程中，需要落實(shí)系統(tǒng)的可靠性、安全性要求。體現(xiàn)在控制流程中即實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)特種車狀態(tài)信號(hào)，在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)如果檢測(cè)不到預(yù)期的信號(hào)，則進(jìn)行針對(duì)性的處理。具體的處理方法根據(jù)所處的流程和工步以及具體的信號(hào)進(jìn)行綜合分析，對(duì)于不同的危害情況分別給予容錯(cuò)處理、警告提示或報(bào)錯(cuò)急停等處理。

異常狀況的處理，一方面要采取容錯(cuò)設(shè)計(jì)，確保任務(wù)完成。容錯(cuò)設(shè)計(jì)要具體分析，主要是確認(rèn)個(gè)別信號(hào)異常等錯(cuò)誤情況對(duì)系統(tǒng)任務(wù)完成影響不大時(shí)，只給出錯(cuò)誤提示，或者等待操作手確認(rèn)，得到確認(rèn)后繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)控制任務(wù)；另一方面要采取避錯(cuò)設(shè)計(jì)，確?？煽堪踩瑢?duì)于危害較大的情況必須按照系統(tǒng)要求緊急報(bào)錯(cuò)停機(jī)。如某些型號(hào)中，方向機(jī)零位傳感器異常信號(hào)的模擬、調(diào)平精度超差信號(hào)模擬、瞄準(zhǔn)精度超差模擬和通訊異常模擬等。

車控系統(tǒng)通常還會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)急停按鈕（鍵），用于操作手發(fā)現(xiàn)異常后的人為停機(jī)。因此，車控系統(tǒng)軟件引入兩個(gè)概念，即軟急停和硬急停。軟急停是指上述工步控制中等待預(yù)期的信號(hào)超時(shí)后緊急報(bào)錯(cuò)停機(jī)的情況；硬急停是指操作人員按下急停按鈕（鍵）后產(chǎn)生的緊急停機(jī)情況。這兩種情況下，軟件執(zhí)行的停機(jī)控制輸出基本一致，不同的是停機(jī)后的處理，有的型號(hào)或有的工步要求急停后不容許繼續(xù)執(zhí)行，有的則要求通過面板“轉(zhuǎn)移”按鍵繼續(xù)執(zhí)行，這些需要車控軟件測(cè)試環(huán)境配合來完成功能測(cè)試。

2 通用測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

車控軟件測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)遵循通用、低成本和高可靠的原則：

a）通用性：可模擬多種型號(hào)特種車的全部信號(hào)和流程以及大多數(shù)的異常輸入；

b）低成本：作為實(shí)驗(yàn)室配套的測(cè)試環(huán)境，選用低成本的器件和設(shè)備；

c）高可靠性：作為測(cè)試平臺(tái)，自身信號(hào)的正確和可靠相當(dāng)重要。

基于上述原則，車控軟件通用測(cè)試環(huán)境的總體設(shè)計(jì)方案是：基于PLC 控制器，利用其模塊化結(jié)構(gòu)特性構(gòu)成信號(hào)種類和數(shù)量可靈活配置的信號(hào)模擬環(huán)境；控制器與車控系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)專用外部接口，滿足不同型號(hào)的信號(hào)定義；模擬界面基于組態(tài)軟件開發(fā)，形象直觀易修改，滿足異常輸入的模擬；界面可集成動(dòng)畫顯示，便于流程監(jiān)視。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

本文選用西門子S7-300 PLC 控制器來模擬特種車的開關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào)并采集車控控制器的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)，所有的這些信號(hào)上傳給上位機(jī)（PC 機(jī)）[3]，通過人機(jī)界面顯示。

測(cè)試平臺(tái)硬件組成如圖1 所示。

圖1 測(cè)試平臺(tái)硬件組成 Fig.1 Hareware Composition

PC 機(jī)的硬件配置：主頻不小于1 GHz，內(nèi)存1 G以上，USB 口，串口。

P LC 的配置如表3 所示。模板種類和數(shù)量可靈活選用，表3 中顯示最大配置，可滿足車控系統(tǒng)軟件的測(cè)試需求。

表3 通用測(cè)試環(huán)境 Tab.3 General Testing Environment

車控控制器和測(cè)試平臺(tái)電纜連接示意，如圖2 所示。

圖2 測(cè)試平臺(tái)電纜連接示意 Fig.2 Connection of Cables

2.3 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試平臺(tái)的軟件包括PC 機(jī)的監(jiān)控組態(tài)軟件和下位機(jī)（PLC 控制器）的控制軟件。監(jiān)控組態(tài)軟件是標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；⑸虡I(yè)化的通用開發(fā)軟件，只需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)功能模塊的軟件組態(tài)和簡(jiǎn)單的編程，就可以設(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、通用性強(qiáng)、可靠性高的上位機(jī)人機(jī)界面監(jiān)控程序，且工作量小，開發(fā)周期較短[4]。PLC控制軟件的開發(fā)包是西門子公司開發(fā)的控制軟件產(chǎn)品，具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊組合化、組態(tài)生成化等特點(diǎn)，通用性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性和可靠性高。

PLC 控制軟件主要是信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換以及控制流程仿真，其開發(fā)環(huán)境為 windows2000/XP，西門子STEP7 V5.4開發(fā)工具?？刂屏鞒谭抡娴臏y(cè)試用例設(shè)計(jì)因型號(hào)而略有差異。本環(huán)境提供了一套較為通用的流程仿真模板，可供各型號(hào)略作修改后使用。流程仿真軟件的設(shè)計(jì)，各工步流程比較類似，下面以展車支腿伸出（特裝車橫向調(diào)平）工步流程為例，其控制軟件流程如圖3 所示。

上位機(jī)監(jiān)控軟件的功能主要是顯示、控制PLC 的輸入輸出數(shù)據(jù)。

開發(fā)、運(yùn)行環(huán)境：Windows2000/XP，SQL2000，西門子WinCC6.0 組態(tài)軟件。西門子公司的視窗控制中心（Windows Control Center，WinCC），集成了組態(tài)、腳本（Script）語(yǔ)言和OPC 等先進(jìn)技術(shù)，為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環(huán)境，不僅縮短了軟件設(shè)計(jì)周期，而且提高了工作效率。

圖3 控制軟件流程 Fig.3 Workflow of Control Software

3 應(yīng)用效果

3.1 某型號(hào)測(cè)試情況

WinCC 的開放性可以將其作為系統(tǒng)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，通過開放式接口，開發(fā)其它自身需要的測(cè)試系統(tǒng)，圖4為某型號(hào)車控系統(tǒng)軟件測(cè)試界面。

在操作界面，不僅可以用于狀態(tài)信號(hào)顯示，還可以通過改變接近開關(guān)狀態(tài)和各個(gè)傳感器的輸出值來模擬多種異常信號(hào)，為可靠性測(cè)試服務(wù)。

在某型號(hào)車控軟件測(cè)試中使用了本通用測(cè)試環(huán)境。環(huán)境配置的主要工作是配置模版和地址、設(shè)計(jì)流程仿真軟件、設(shè)計(jì)上位機(jī)界面。

a）設(shè)定PLC 的輸入、輸出地址如下：

1）32 點(diǎn)DI 的地址：I0.0～I(xiàn)3.7；

2）32 點(diǎn)DO 的地址：Q0.0～Q3.7；

3）16 通道AI 的地址：PIW500～PIW530；

4）16 通道的AO 地址：QW500～QW530。

DI 模板上I0.0 接車控控制器大泵輸出，I0.0 為高電平時(shí)，軟件將改變大泵指示燈的顏色。I0.1 接車控控制器小泵輸出，I0.1 為高電平時(shí)，軟件將小泵指示燈變?yōu)榫G色，DI 模板的其它點(diǎn)同樣處理。

圖4 中包含PLC 的DO 輸出模擬特種車的各種開關(guān)量信號(hào)如壓力繼電器、接近開關(guān)、行程開關(guān)等，Q0.1接車控控制器的2 號(hào)彈箱伸到位接近開關(guān)輸入，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊該按鈕，按鈕燈由紅色變?yōu)榫G色，PLC 控制器發(fā)送2 號(hào)彈箱伸到位信號(hào)給車控控制器，其它同樣。

圖4 車控系統(tǒng)軟件測(cè)試界面示意 Fig.4 Test Interface of Vehicle Control Software

PLC 的AI 模板接收車控控制器的0～10 V 或4～20 mA 的控制信號(hào)，經(jīng)過AC/DC 轉(zhuǎn)換，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的流量或壓力值在壓力表或流量表上直觀地顯示。

PLC 的AO 模板模擬特種車的傾角傳感器、壓力傳感器、溫度、濕度等電壓或電流信號(hào)，拉動(dòng)圖4 界面上相應(yīng)的游標(biāo)，可以改變傳感器的輸出值。

b）設(shè)計(jì)流程仿真軟件。本型號(hào)應(yīng)用中，直接使用與通用環(huán)境配套的工具盒流程仿真軟件模版進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以支持特裝車的裝載、卸載、展車（調(diào)平）、起豎、旋轉(zhuǎn)、撤收等所有流程。詳細(xì)流程設(shè)計(jì)不再贅述。

c）設(shè)計(jì)界面。界面設(shè)計(jì)特別設(shè)計(jì)了參數(shù)修改接口，可以支持輸入信號(hào)的多種異常情況。常見的異常情況有：1）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不能調(diào)平；2）左右支腿壓力超限；3）濾油器報(bào)警；4）某流程中，規(guī)定時(shí)間內(nèi)，接收不到接近開關(guān)信號(hào)；5）某傳感器的數(shù)值發(fā)生跳變；6）接近開關(guān)信號(hào)發(fā)生抖動(dòng)；7）瞄準(zhǔn)過程中，高低角或方位角發(fā)生超差。

該測(cè)試環(huán)境在該型號(hào)批產(chǎn)過程中的地面設(shè)備聯(lián)試測(cè)試中開始使用，在地面設(shè)備聯(lián)試測(cè)試中，車控控制器（車控軟件）、測(cè)試環(huán)境（特種車仿真）、火控系統(tǒng)、發(fā)控系統(tǒng)、火箭彈等效器、定位定向、通訊系統(tǒng)等全部參戰(zhàn)設(shè)備進(jìn)行作戰(zhàn)流程測(cè)試。該測(cè)試環(huán)境的自動(dòng)測(cè)試功能運(yùn)行良好，在測(cè)試中發(fā)揮了重要作用。

3.2 其它型號(hào)的應(yīng)用

如果將該套測(cè)試環(huán)境用作其它型號(hào)特裝車的測(cè)試，需要做的工作有：a）硬件：調(diào)整PLC 控制器上的接線端子接線的接線。b）軟件：只需測(cè)試界面的信號(hào)名稱，由于PLC 控制程序的模塊化設(shè)計(jì)，軟件的工作量較小。

圖5 為某在研型號(hào)的應(yīng)用示例。

圖5 某在研型號(hào)應(yīng)用示例 Fig.5 Sample of One Product

4 結(jié) 論

基于PLC 的測(cè)試環(huán)境能夠滿足多種特種車車控軟件的測(cè)試要求，通過少量的軟件設(shè)計(jì)工作能滿足不同型號(hào)的測(cè)試要求，降低了成本，提高了可靠性以及測(cè)試方法的可繼承性，組態(tài)軟件的應(yīng)用使得測(cè)試結(jié)果更加直觀、可靠，自動(dòng)測(cè)試功能減輕了測(cè)試人員的工作強(qiáng)度，避免了誤操作，為車控軟件的測(cè)試提供了一個(gè)新的解決方案。

本文綜合分析特種車車控軟件的特點(diǎn)和測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了以PLC 控制器為核心設(shè)計(jì)一種通用的測(cè)試環(huán)境，通過在線配置設(shè)計(jì)信號(hào)定義接口，可用于多種型號(hào)的特種車車控軟件測(cè)試，作為型號(hào)軟件開發(fā)的一種高可靠和低成本探索，取得了較好的效果。