地鐵環(huán)控與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)生成與自動(dòng)測(cè)試軟件研究*

黃力寧 鄧 嬪

(北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司， 100176， 北京∥第一作者， 高級(jí)工程師)

城市軌道交通ISCS(綜合監(jiān)控系統(tǒng))具有集成互聯(lián)專業(yè)多、接口多、功能復(fù)雜、工期緊、任務(wù)量大等特點(diǎn)，而國(guó)內(nèi)對(duì)于ISCS的設(shè)計(jì)仍停留在傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)階段。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法效率低下、質(zhì)量不高，已經(jīng)難以滿足日益發(fā)展的GWQS-ISCS(綠色、智慧、品質(zhì)、安全的ISCS)的設(shè)計(jì)需求[1]，必須將一些高效的設(shè)計(jì)思路和方法引入到ISCS的設(shè)計(jì)中。BAS(環(huán)控與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng))是ISCS的重要組成部分，本文以青島地鐵13號(hào)線為例，對(duì)地鐵ISCS設(shè)計(jì)階段自動(dòng)化軟件進(jìn)行重點(diǎn)研究，以滿足GWQS設(shè)計(jì)對(duì)ISCS的品質(zhì)和安全要求。

1 BAS的特點(diǎn)分析

青島地鐵13號(hào)線是青島市最長(zhǎng)的地鐵線路，包含1個(gè)運(yùn)營(yíng)控制中心、23個(gè)車站、1個(gè)車輛段和2個(gè)停車場(chǎng)，共計(jì)27個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)[2]。作為ISCS中最大的專業(yè)，BAS包含的設(shè)備最多、功能最復(fù)雜，需對(duì)車站和區(qū)間的通風(fēng)系統(tǒng)、MCC(馬達(dá)控制中心)、照明等10余個(gè)子系統(tǒng)的33個(gè)接口專業(yè)進(jìn)行全面、有效的監(jiān)控及管理，以確保設(shè)備處于安全、可靠、高效、節(jié)能的最佳運(yùn)行狀態(tài)[3]。在車站/區(qū)間發(fā)生火災(zāi)或阻塞的情況下，BAS需要迅速轉(zhuǎn)換為防救災(zāi)模式，配合FAS(火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng))進(jìn)行災(zāi)害聯(lián)動(dòng)，為站內(nèi)乘客及機(jī)電設(shè)備的安全提供必要保障[4]。作為涉及到人身安全的重要消防聯(lián)動(dòng)工程，在工期緊、任務(wù)重的情況下，BAS對(duì)設(shè)計(jì)的質(zhì)量及效率要求非常高，應(yīng)在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，提出簡(jiǎn)捷、高效的設(shè)計(jì)思路，以滿足設(shè)計(jì)要求。

2 BAS的整體設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路與框架

如圖1所示，BAS的整個(gè)設(shè)計(jì)流程包括點(diǎn)表設(shè)計(jì)、PLC(可編程邏輯控制器)程序編寫和帶平臺(tái)測(cè)試3部分。本文提出1種高效的設(shè)計(jì)方法，利用計(jì)算機(jī)VS編程軟件設(shè)計(jì)出自動(dòng)化軟件，實(shí)現(xiàn)BAS的自動(dòng)設(shè)計(jì)流程。該方法已應(yīng)用到青島地鐵13號(hào)線ISCS設(shè)計(jì)的3個(gè)階段中，并取得了良好的設(shè)計(jì)效果。

注：實(shí)線為自動(dòng)設(shè)計(jì)流程；虛線為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程；括號(hào)內(nèi)數(shù)字表示該模塊所需的設(shè)計(jì)耗時(shí)。

2.2 借助VS軟件高效設(shè)計(jì)監(jiān)控點(diǎn)表

BAS的4個(gè)監(jiān)控點(diǎn)表是PLC程序編寫和上位組態(tài)的基礎(chǔ)，其中：箱柜點(diǎn)表包含設(shè)備的名稱、通道、PLC地址等信息，用于箱柜成套；模式表是各模式工況下設(shè)備目標(biāo)動(dòng)作信息的點(diǎn)表，用于模式控制；類表是BAS中接口設(shè)備的類碼、點(diǎn)位地址信息的點(diǎn)表，用于設(shè)備分類； BAS-ISCS點(diǎn)表是BAS與ISCS數(shù)據(jù)交互的設(shè)備、點(diǎn)位地址信息的點(diǎn)表。在這4個(gè)點(diǎn)表中，箱柜點(diǎn)表的設(shè)計(jì)最為復(fù)雜、費(fèi)時(shí)。本文以箱柜點(diǎn)表的設(shè)計(jì)進(jìn)行舉例說明，剩余點(diǎn)表的設(shè)計(jì)不再贅述。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，青島地鐵13號(hào)線共有294個(gè)箱柜表需要設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的每個(gè)箱子中逐個(gè)設(shè)備填寫的方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、準(zhǔn)確率不高，而且若有填寫錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤會(huì)積累并傳遞到下個(gè)環(huán)節(jié)——PLC程序編寫中。所以，本文提出借助VS語(yǔ)言編寫箱柜點(diǎn)表的生成軟件來實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 設(shè)計(jì)原理

首先，通過讀取從設(shè)計(jì)院圖紙中導(dǎo)出的設(shè)備列表，將包含設(shè)備類的點(diǎn)位、通道的類模板等信息復(fù)制到對(duì)應(yīng)的箱柜點(diǎn)表中；其次，調(diào)用設(shè)備通道填寫程序，從上而下逐行掃描、順序填寫，再調(diào)用通道檢測(cè)程序?qū)νǖ赖刂愤M(jìn)行自檢，確保同一設(shè)備的所有點(diǎn)位分布在同一個(gè)模塊上，方便日后的檢修與更換；最后，調(diào)用地址填寫程序填寫PLC地址，完成車站設(shè)計(jì)點(diǎn)的所有箱柜點(diǎn)表的自動(dòng)生成工作。箱柜點(diǎn)表自動(dòng)生成的原理如圖2所示。

圖2 箱柜點(diǎn)表的自動(dòng)生成原理圖

2.2.2 工程應(yīng)用

本軟件的系統(tǒng)開銷較小，符合GB/T 13423—1992《工業(yè)控制用軟件評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中“開銷特性”和“可靠性”準(zhǔn)則，運(yùn)行效率較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，采用箱柜點(diǎn)表生成軟件生成所有箱柜點(diǎn)表后，1個(gè)車站箱柜點(diǎn)表的設(shè)計(jì)時(shí)間縮短了約95%，錯(cuò)誤率也由15%降至0，達(dá)到了省時(shí)、高效的目的，且全線表格格式統(tǒng)一，為后續(xù)的PLC程序準(zhǔn)確編寫以及HMI(人機(jī)界面)組態(tài)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.3 高效設(shè)計(jì)PLC的編寫程序

本項(xiàng)目采用了美國(guó)AB公司的大型熱備冗余系列PLC控制器Logix5561，編程和調(diào)試軟件采用RSLogix 5000。青島地鐵13號(hào)線的41套PLC程序編寫是該線BAS設(shè)計(jì)的重中之重。以該線的典型車站積米崖站為例，主從端的PLC共包含89個(gè)子程序、8 877行程序，由此預(yù)估全線需設(shè)計(jì)近20萬(wàn)行程序。這樣龐大的工作量要求在不到半年時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量地完成，傳統(tǒng)逐行“搭梯子”的手工編程方式無(wú)法滿足工期要求，且在重復(fù)冗雜的設(shè)計(jì)中容易發(fā)生紕漏和錯(cuò)誤?？紤]到AB品牌PLC編程語(yǔ)言的特點(diǎn)，利用VS高級(jí)編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)PLC程序并生成設(shè)計(jì)軟件，以替代手工編程，可大大降低程序設(shè)計(jì)的難度與工作量。

2.3.1 設(shè)計(jì)原理

首先，根據(jù)接口專業(yè)的接口文件編寫接口子程序、根據(jù)BAS用戶需求書編寫各功能程序、根據(jù)設(shè)計(jì)院圖紙編寫各種工況下的控制邏輯程序等，最終實(shí)現(xiàn)典型站PLC程序設(shè)計(jì)；其次，在研究典型站PLC程序的基礎(chǔ)上，利用VS語(yǔ)言設(shè)計(jì)PLC程序的自動(dòng)生成軟件，并根據(jù)程序功能將設(shè)備控制、模式控制、IBP(應(yīng)急后備盤)、FAS聯(lián)動(dòng)等4大部分的功能程序按步驟順序生成；最后，結(jié)合典型站的PLC程序生成符合PLC編程規(guī)則的以.L5K為后綴名的程序文件，并導(dǎo)入PLC程序中，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程目的。

在此過程中，特別將點(diǎn)位多、重復(fù)性大、容易出錯(cuò)的編程工作設(shè)計(jì)到自動(dòng)生成軟件中，依靠軟件去檢索和查詢4個(gè)點(diǎn)表，大大減少了手工設(shè)計(jì)的工作量。此外，根據(jù)代碼功能的不同，設(shè)計(jì)出VS語(yǔ)言類模板進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，提高了程序代碼的復(fù)用性及軟件執(zhí)行效率與程序生成速度。PLC程序自動(dòng)生成原理如圖3所示。

注：PVS為公共區(qū)大系統(tǒng)；RVS為設(shè)備區(qū)小系統(tǒng)；TVS為隧道系統(tǒng)；① 為BAS-ISCS點(diǎn)表；② 為MCC點(diǎn)表；③ 為IO(設(shè)備)點(diǎn)表；④ 為模式表；⑤ 為IBP點(diǎn)表。

2.3.2 工程應(yīng)用

本程序生成軟件符合GB/T 13423—1992《工業(yè)控制用軟件評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的“用戶友好性”以及“可移植性”準(zhǔn)則，操作簡(jiǎn)單、容易上手。而且，該軟件對(duì)系統(tǒng)要求不高，方便移植：復(fù)制PLC程序生成軟件到本機(jī)并運(yùn)行，點(diǎn)擊按鈕選擇已設(shè)計(jì)好的4個(gè)監(jiān)控點(diǎn)表以及MCC點(diǎn)表，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕即可自動(dòng)生成xml格式的PLC程序，并分功能單獨(dú)輸出。再將這些程序?qū)氲絇LC工程中，即可實(shí)現(xiàn)PLC程序的自動(dòng)編寫工作。

采用此方式編寫PLC程序，簡(jiǎn)單快捷，省時(shí)高效，準(zhǔn)確率高。以13號(hào)線的典型站嘉年華站為例，需要編寫的PLC程序行數(shù)約為7 000行，采用此方式自動(dòng)生成的程序可達(dá)6 000行，占程序總行數(shù)的80%，大大降低了編程人員的編寫難度，解決了在工程設(shè)計(jì)階段耗時(shí)多、錯(cuò)誤率高、精力需要長(zhǎng)時(shí)間高度集中等問題，將編寫1個(gè)車站PLC程序的時(shí)間縮短將近90%，真正實(shí)現(xiàn)了從輸入點(diǎn)表到輸出PLC程序一鍵完成的功能。此外，該生成程序結(jié)構(gòu)全線統(tǒng)一，方便調(diào)試及維護(hù)，非常適合地鐵ISCS這類站點(diǎn)多、設(shè)備雜、工期緊的工程設(shè)計(jì)工作。

2.4 自動(dòng)高效測(cè)試PLC程序的各項(xiàng)功能

BAS的PLC程序作為地鐵車站內(nèi)火災(zāi)和阻塞災(zāi)害下的防災(zāi)救災(zāi)的關(guān)鍵系統(tǒng)，是GB/T 12504—1990《計(jì)算機(jī)軟件質(zhì)量保證計(jì)劃規(guī)范》規(guī)定的“故障會(huì)影響到人身安全”的重要軟件，必須經(jīng)過V&V(軟件驗(yàn)證與確認(rèn)過程)環(huán)節(jié)的完全測(cè)試，才能應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)。傳統(tǒng)的V&V測(cè)試環(huán)節(jié)只能滿足單點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和靜態(tài)對(duì)比，采用手動(dòng)方式進(jìn)行功能測(cè)試，效率低下。以13號(hào)線的典型站嘉年華站為例，需要對(duì)BAS的25個(gè)大小子系統(tǒng)的140個(gè)可控設(shè)備、154個(gè)模式、1 600個(gè)點(diǎn)位逐個(gè)進(jìn)行功能測(cè)試，需要耗時(shí)1周，且測(cè)試的準(zhǔn)確率不高，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)測(cè)試工期的要求。根據(jù)GB/T 15532—2008《計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試規(guī)范》的要求，軟件測(cè)試應(yīng)采用測(cè)試軟件，避免或減少人工操作，所以設(shè)計(jì)出1款可自動(dòng)測(cè)試PLC程序功能的測(cè)試軟件就顯得尤為重要了。

2.4.1 設(shè)計(jì)原理

本項(xiàng)目BAS采用AB品牌PLC作為核心控制器，和HMI共同采用CIP(工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)網(wǎng)絡(luò)通信，為保證測(cè)試軟件的通用性，采用OPC(用于過程控制的對(duì)象連接技術(shù))通信協(xié)議。

如圖4所示，以導(dǎo)入讀取的4個(gè)監(jiān)控點(diǎn)表數(shù)據(jù)、生成單點(diǎn)控制以及4種模式控制的測(cè)試舉例說明。通過OPC協(xié)議連接PLC控制器并取得設(shè)備的控制權(quán)限，模擬ISCS下發(fā)設(shè)備的開關(guān)、角開、高低速、運(yùn)行與停止等命令，通過查看設(shè)備輸出的實(shí)際點(diǎn)位變化，實(shí)現(xiàn)PLC點(diǎn)控控制邏輯的測(cè)試；正常通風(fēng)和照明模式控制功能的測(cè)試是通過修改各子系統(tǒng)控制方式到模式控制，模擬ISCS下發(fā)模式號(hào)到PLC，將當(dāng)前模式下設(shè)備的實(shí)際輸出情況和環(huán)控工藝圖紙的預(yù)期工藝進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)正常模式的執(zhí)行邏輯測(cè)試；對(duì)于靠模式號(hào)驅(qū)動(dòng)的災(zāi)害模式，則是模擬ISCS下發(fā)模式號(hào)，并對(duì)比設(shè)備輸出指令與預(yù)期目標(biāo)，用以判斷災(zāi)害模式是否執(zhí)行成功。

注：虛線框內(nèi)為輸入文件。

2.4.2 工程應(yīng)用

在工控機(jī)上運(yùn)行PLC工程和HMI監(jiān)控系統(tǒng)，再運(yùn)行自動(dòng)測(cè)試軟件，選擇4個(gè)監(jiān)控點(diǎn)表，點(diǎn)擊運(yùn)行即可完成對(duì)PLC程序和HMI界面組態(tài)的帶平臺(tái)聯(lián)合測(cè)試?；?3號(hào)線嘉年華站的測(cè)試工作量，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，應(yīng)用自動(dòng)測(cè)試軟件后可將測(cè)試的時(shí)間縮短90%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PLC程序的點(diǎn)位邏輯正確性、點(diǎn)控控制完整性、正常模式和災(zāi)害模式下的功能等測(cè)試，還可以檢測(cè)出HMI界面中的組態(tài)問題，最終生成包含測(cè)試用例、測(cè)試結(jié)果、測(cè)試準(zhǔn)確率的文檔，供編程人員和界面組態(tài)人員參考。這不僅可以改正、完善PLC的程序和HMI系統(tǒng)，還可提高工程數(shù)據(jù)的魯棒性，以及界面組態(tài)的準(zhǔn)確性和完整性。

本軟件采用VS編程平臺(tái)開發(fā)并能夠完全模擬HMI與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況，測(cè)試過程屬于動(dòng)態(tài)測(cè)試方法中的黑盒測(cè)試方法。應(yīng)用該測(cè)試方法可減少系統(tǒng)的初始故障數(shù)，大幅提升軟件的MTBF(平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間)，進(jìn)而提高軟件的穩(wěn)定性[5]，符合GB/T 15532—2008《計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試規(guī)范》的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

青島地鐵13號(hào)線應(yīng)用了本文所述的自動(dòng)生成與自動(dòng)測(cè)試軟件，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，該線BAS的設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量顯著提高，整體設(shè)計(jì)效率提升了85%，設(shè)計(jì)耗時(shí)減少90%以上，為BAS現(xiàn)場(chǎng)的具體實(shí)施奠定了基礎(chǔ)，保障了線路按時(shí)、高質(zhì)量開通。該軟件采用主流的PLC控制器，支持OPC通信方式，使得軟件不僅可以應(yīng)用到絕大多數(shù)的地鐵ISCS項(xiàng)目中，極大地提高了ISCS設(shè)計(jì)階段的自動(dòng)化水平，還可應(yīng)用到符合IEC 61131-3《可編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)》的其它PLC編程的行業(yè)環(huán)境中，其技術(shù)應(yīng)用前景十分廣泛。