電子設備冷卻裝置軟件測試方法的研究

朱偉明

（海軍駐上海江南造船(集團)有限責任公司軍事代表室，上海 201913）

電子設備冷卻裝置軟件測試方法的研究

朱偉明*

（海軍駐上海江南造船(集團)有限責任公司軍事代表室，上海 201913）

指出了電子設備冷卻裝置軟件測試的重要性，分析了冷卻裝置軟件測試的現狀。從等價驗證和測試方法兩個方面，對電子設備冷卻裝置軟件測試的適應性進行了研究。并對制冷行業軟件測試未來的發展進行了評價和構想。

冷卻裝置；軟件測試；等價驗證；健壯性測試

0 引言

電子用冷卻裝置對保障電子設備正常工作和提升電子設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致重大電子設備性能降低、停機或燒毀。可靠性是電子用冷卻裝置重要性能參數，它由冷卻裝置機械及計算機控制兩部分組成。本文重點論述冷卻裝置軟件可靠性驗證方法。

傳統的軟件測試理論不能直接用于機電產品的軟件測試。為了保障重大電子設備的可靠運行，冷卻裝置軟件測試的重要性日益突出。由于穩定性和可靠性的原因，可編程序控制器（PLC）器件在工業控制中得到了廣泛的應用，其應用領域及機械控制、過程控制、運動控制等多個領域，極大地促進了工業自動化和智能化的發展[1]。

隨著PLC邏輯控制器的廣泛應用，PLC軟件的規模和復雜度越來越高，而且基于安全性和可靠性考慮，PLC被應用于許多安全苛刻任務控制領域，如核電、航天和軍工等，冷卻裝置也不例外。對PLC軟件的質量控制帶來了極大的挑戰。目前PLC軟件的測試技術還很不成熟，尚未建立權威的第三方測試機構。其軟件可靠性還是人工代碼走查，設備調試驗收的方式對軟件進行評估。

1 冷卻裝備軟件測試的意義

電子用冷卻裝置控制軟件的目標是提供合適的溫度或濕度環境，保障電子設備安全可靠，任務可靠。隨著電子冷卻裝置總制冷量增加，系統組成也復雜，冷卻裝置軟件存在的一些實時運行錯誤不易被發現，現場調試不能滿足產品初期的可靠性審查。交付后，因電子設備工況（工況是指動力設備在一定條件下的工作狀況，即各個參數之間的相互關系）變化而發現控制軟件錯誤的成本，是伴隨著很大的安全性風險，直接降低電子設備任務可靠性。因此，冷卻裝置的軟件測試重要性越來越重要。

因此，冷卻裝置軟件測試的意義在于，保證交付的產品達到一定的質量標準。測試工程師利用測試工具按照測試方案和流程對裝置進行功能和性能測試，根據需要編寫不同的測試工具，設計和維護測試系統。

2 軟件測試方法

為了做好冷卻裝置的質量控制工作，在實施成熟軟件工程技術的基礎上，冷卻裝置軟件測試是其質量控制的一種有效手段。但PLC軟件的特點之一是與特定的硬件環境緊密相關，且型號廠家繁雜造成編程語言和目標代碼互不兼容。目前，PLC軟件的測試方法主要有以下四種，即模擬仿真測試、硬件回路搭建測試、等價驗證和健壯性測試。

2.1 模擬仿真測試

仿真軟件的功能就是編寫好的程序在電腦中虛擬運行，如果沒有編好的程序，是無法進行仿真。如三菱 PLC仿真軟件 GX Simulator，西門子S7-PLCSIM等。用戶可以在集成開發環境中，一般做為收費軟件產品對外發布，僅僅是提供用戶開發、調試使用，不能達到軟件測試的目的。一般對仿真軟件進行二次開發，如實現PLCSIM模擬硬件平臺與計算機通信。通過計算機軟件訪問虛擬硬件寄存器，監聽虛擬硬件的輸出。

2.2 硬件回路搭建建測試

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。根據冷卻裝置輸入功能表與輸出功能表進行測試。

由于這種測試是硬件搭建，其穩建性，需要外圍硬件開發，針對性強。對于不同的冷卻裝置PLC軟件測試成本較高，效率不高。其存在的意義是針對于單一的批量裝置。

表1 測試輸出表

2.3 等價驗證

等價性檢查（Equivalence Checking）是形式驗證（Formal Verification）的一種，它的主要思想是通過使用形式證明的方式來驗證一個設計的功能是否正確[2]。應用數學模型來對程序進行分析和驗證的技術，用某種語言C或C++和邏輯構造程序的數學模型來證明程序的正確性。

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

PLC的工作原理是一個“順序掃描、不斷循環”的單線程循環過程，一個掃描周期完成內部處理、通信處理、輸入刷新、程序執行和輸出刷新五個工作階段，如圖1所示。西門子S7-300PLC總是執行OB1循環，在OB1執行過程中調用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到 Windows多任務環境下程序架構，針對OB1循環，一般使用多線程和細分時間片技術。如果沒有很好理解PLC工作原理，可能會使等價程序丟包或數據延遲不實[3]。

圖1 PLC程序掃描

定義框圖程序如圖2。

圖2 PLC程序掃描等價框圖

邏輯繼電器輸入輸出梯形圖轉換如圖3和圖4所示。機電控制過程中，常使用上升沿信號，接通瞬間信號有效。S7-300PLC用 (P) 表示邏輯動作的觸發條件是某個信號位變化時，該信號通常只保留在一個主程序運行周期。等價程序框圖參考如圖5。

圖3 繼電器梯形圖

圖4 繼電器等價框圖

圖5 上升沿等價框圖

2.4 冷卻裝置控制軟件健壯性測試

冷卻裝置健壯性是指冷卻裝置控制軟件對于規范要求以外的輸入情況的處理能力。它不同于計算機系統的健壯性測試，計算機領域健壯性測試內容一般是指表2和表3所示。在20世紀70年代日本田口玄一[4]從質量工程的角度提出健壯設計這一概念以后，機械工程領域將健壯性的概念引入機械工程領域。

冷卻裝置控制軟件健壯性測試應該建立在健壯性設計的基礎上，冷卻裝置需求功能滿足要求，不表示產品質量可靠。設計者可能往往因為任務緊迫而忽略健壯性設計，這樣在交付后大大降低了電子設備的任務可靠性。

表2 計算機健壯性測試項目

表3 冷卻裝置健壯性測試輸入條款

3 控制軟件測試的未來發展

為了保障電子設備可靠穩定的工作，其冷卻裝置控制軟件的性能驗證日益突出，產品交付驗收過程中，其可靠性和安全性編程準則落實和驗證情況也成為使用方關注的焦點，見表4。

目前，針對冷卻裝置控制軟件的測試工作開展較少，特別是對于如何評價軟件是否達到規定的要求，沒有明確的驗證方法。其難點主要有兩點：

1) 系統（專業）流程不了解。

2) 機電產品集開關量輸入、輸出和通訊等功能接口單元。控制單元多樣化，軟件規范多元化，規范不統一。

但隨著機電控制由繼電器邁進可編程控制器時代，軟件越來越趨向大型化、軟件質量問題逐步加劇，作為質量控制中的重要一環，軟件驗證工作日趨重要。同時，對機電某一行業的軟件測試也是可行的。主要表現在如下兩點：

1) 針對單一制冷專業，將測試的方向從面縮小到點，克服了測試人員缺少專業知識缺點，形成某機電產品或專業行業軟件測試。

2) 根據IEC61131-3提出的軟件模型[5]，為PLC體系統結構從單一的封閉系統提升為多CPU結構的開放式系統，并開發針對冷卻專業轉換軟件，進而形成電子用冷卻裝置軟件編寫規范、評估準則等。

通過標準化、規范的出臺，電子設備冷卻系統第三方軟件審查成為常態化。挖掘第三方軟件測試市場。

表4 軟件功能模塊驗證情況

4 結論

本文對電子用冷卻裝置軟件測試的研究現狀進行了分析，從等價驗證和測試方法兩個方面對電子用冷卻裝置軟件測試的適應性進行了研究。同時，針對機電行業軟件測試未來的發展進行了評價和構想。隨著計算機科學技術的發展和行業標準的完善，相信該領域將來會得到進一步的發展。

[1]廖常初. S7-300/400 PLC應用技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2005.

[2]李光輝. 通用CPU設計驗證中的等價性檢驗方法[M].北京: 科學出版社, 2005.

[3]SIEMENS. S7-300 自動化系統CPU31xC技術功能使用手冊[M]. 北京: 西門子（中國）有限公司, 2003.

[4]林秀雄. 田口方法實戰技術[M]. 深圳: 海天出版社, 2004.

[5]彭瑜. 工控編程語言國標標準 IEC61131-3及其影響[M]. 北京: 機械工業出版社, 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，雙學士。研究方向：船舶機電設備質量控制及船舶輔助系統結構設計。聯系地址：上海市長興島長興江南大道988號海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，郵編：201913。