PLC軟件工程化在高端工藝裝備研制中的應用初探

[摘 要] 由于高端工藝裝備具有專機低量產、高性能要求、應用場景特殊等特點，同時PLC軟件與硬件強耦合、對測試配套依賴性強，傳統的軟件工程化方法及規范難以直接應用并匹配于高端工藝裝備中PLC軟件的研發與管理。針對PLC軟件研發特點，結合軍用軟件研制能力成熟度模型（GJB5000A-2008）的本地化，提出了高端工藝裝備研制中PLC軟件的工程化管理建議。

[關鍵詞] 軟件；工程化；工藝裝備；應用

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2016. 23. 083

[中圖分類號] TP311 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2016）23- 0157- 03

0 引 言

高端工藝裝備制造是整個裝備制造產業升級的重要引擎，已成為戰略性新興產業發展的重要支撐。作為高端裝備制造業的重要載體之一，高端工藝裝備的研發已成為重要內容。軟件作為一種邏輯實體，具有抽象性、嚴密性、智力性、持久性、依賴性、復雜性、難以度量、易出錯、必須維護和成本昂貴等顯著特點[1]。因此，在一定的時間和成本控制內開發出滿足質量要求的軟件是一項復雜的工程。軍用軟件研制能力成熟度模型（GJB5000A-2008）是軟件研制過程管理和開發活動控制的系統方法[2]。該模型從軟件研制生命周期的角度依照相關標準，通過專家評審、工具或方法的支撐對軟件開發活動和產出物進行審查和管理，為軟件研制過程的質量控制提供了指南，并為軟件過程能力評估提供了依據[3]。

PLC（可編程邏輯控制器）作為高端裝備制造業中控制終端的靈魂，其邏輯控制流程具備典型的軟件特征。由于目前尚未有針對PLC軟件的工程化管理方法與規范，無法指導開發者管控關鍵性過程活動和文檔質量，亟需結合GJB5000A的要求，通過標準化、體系化的質量管理手段推進高端工藝裝備的研制進度與質量保障工作。

1 高端工藝裝備中的PLC技術

1.1 PLC技術概述

PLC是一種采用一類可編程的存儲器，用于執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成有：電源、中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊。當可編程邏輯控制器投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。

1.2 PLC技術在高端工藝裝備的應用需求

隨著近年來我國先進制造業的迅速發展，PLC作為先進信息化控制技術，將越來越多地深入滲透到各行各業的生產加工中，為推動我國工業制造的進一步發展做出應有的貢獻。PLC技術作為工控設備的一員，在主要工業國家中成為自動化系統的基本電控裝置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、體積小、價格適宜等特點。據統計，當今世界PLC生產廠家約150余家，生產300多個品種。占工控機市場份額的50%，PLC技術將在工控機市場中占有主要地位，并保持繼續上升的勢頭。

2 PLC軟件工程化

2.1 PLC軟件研制過程的現狀

工業PLC程序的模塊化早有體現，例如在西門子開發PLC程序軟件時，就已經制作過一些小的功能塊[4]。在編程過程中應用這些功能塊，會使整個程序變得簡單且更有條理性和實用性。

隨著工業自動化水平的飛速發展，更多先進的控制理論和控制方法應用到工業自動化發展中，西門子編程軟件中的小功能塊已經無法滿足技術成熟的大規模工業PLC程序模塊化需求，需要更全面的提升模塊化功能，也就是說需要將軟件開發工程化。工程化的PLC程序將使整個程序更為簡單，程序編寫和修改也方便，并且增強可讀性和實用性。

2.2 PLC軟件研制過程改進的必要性

由于PLC軟件質量控制方法不同于硬件，一些基于生產的成熟的質量控制方法并不適用于軟件開發，導致PLC軟件質量控制過程不規范，開發成本高，軟件返工率高。大量事例說明，PLC軟件的質量與可靠性已經成為裝備質量與可靠性的瓶頸。軟件過程改進是軟件工程化的主要策略和指導思想，是提高軟件開發水平的必經之路。研究和實踐都表明，持續的軟件過程改進不僅能減低開發成本，縮短開發周期，更能降低軟件研制的風險，提高軟件的質量和可靠性，增強軟件的可維護性。GJB5000A作為國家對軍用軟件研制機構的要求，提供了一條軍用軟件研制組織持續不斷改進自身軟件開發過程的途徑，從而提高軟件的質量和可靠性。

2.3 基于GJB5000A-2008的PLC軟件工程化管理

2.3.1 研究基于GJB5000A-2008二級的PLC軟件工程化體系框架

由于GJB5000A-2008是從CMM演變而來，因此標準僅僅定義了實施的結果標準，對于實施過程和具體方法具有較大的個體特性和行業特征。對軍用CMM的二級標準進行組織級別的裁剪，形成適合PLC軟件特點的標準并進行推廣，是一個非常復雜的過程；將涉及自上而下的對PLC軟件現有流程和軟件過程的調整。

2.3.2 面向PLC軟件的過程改進本地化實踐研究

本文將根據GJB5000A-2008二級的實施過程，詳細闡述軟件過程改進的一個具體改進方法，包括：項目策劃、需求管理、配置管理、項目監督和控制、測量與分析、過程和產品質量保證的關鍵域的主要活動進行描述。

2.3.2.1 建立過程體系文件

過程體系文件就是一套規程和文件的組合，它用來指導項目組具體開展過程改進工作，是具體的過程程序，有詳細的方法和規則，在制定過程體系文件的過程中，編寫組要依據組織實際情況，搜集整理已有的過程和活動，將過程改進與組織實際相結合，從而生成邏輯清楚、通俗易懂和操作性強的過程體系文件。

2.3.2.2 項目實施過程

（1）項目策劃。項目策劃過程主要開展工作包括：確定項目的組織結構和人員；建立項目的范圍；對項目實現工作分解；開展估計工作，估計范圍，規模，工作量，成本以及進度，制定培訓計劃，標識項目風險，制定數據管理計劃，相關利益方參加的計劃；編寫和評審項目開發計劃。

（2）需求管理。項目組在需求管理過程域中實施的主要工作是需求規格說明、對需求的評審以及需求跟蹤和需求變更的控制與管理。

（3）配置管理。軟件配置管理過程由九個活動組成：創建和維護項目SCM計劃、創建配置管理環境、執行配置標識、版本控制、管理基線和發布、變更控制管理、執行配置狀態統計、執行配置審核、歸檔SCM記錄。

（4）項目監督和控制。項目監督和控制的目的是能夠隨時掌握軟件項目的實際開發過程，使得當軟件項目的執行與軟件開發計劃相背離時，管理部門能夠采取有效的措施。項目監督和控制以書面的估計、承諾和計劃為依據，對軟件完成進度和結果進行跟蹤和評審，并根據實際情況調整計劃。

（5）測量與分析。項目組在測量與分析過程域所作的工作主要是在項目開始之初，確定測量項，編寫一份軟件項目測量分析計劃，之后各數據提供者在規定的時間和活動中提供數據，定時匯總測量數據，并將初步結果記錄在測量分析報告中，在里程碑評審時，提交測量分析報告供會議討論和評審。并每月收集數據，填寫測量分析表，報送中層驗證。

（6）過程和產品質量保證。軟件質量保證包括評審和審核軟件產品及其活動，以驗證其與適用的規程和標準是否符合，并向軟件項目和其他相關負責人提供軟件質量保證評審和審核結果。它提供一種有效的人員組織形式和管理方法，通過客觀地檢查和監控“過程質量”與“產品質量”，從而實現持續地改進質量。它主要致力于保障質量要求得到滿足的信任度，是一種有計劃的、貫穿于整個產品生命周期的質量管理方法，與各個軟件基本過程和工作產品都相關。

2.3.2.3 持續改進

軟件過程改進是持續不斷的，不但體系文件是一個不斷改進的過程，就實施本身來說，各具體軟件項目組的實施過程也是一個反復改進的過程。體系文件在交給各試點項目實施后會發現一些問題，從而需要改善，因此體系文件要改進。

3 PLC軟件工程化應用實例分析

3.1 模型設計

PLC軟件除了具備一般軟件開發過程的特點之外，還有自身的研制特點，具體包括：軟件類型多、研制特點多樣化；軟件數量多、單個軟件規模不大；軟件質量要求高；軟件開發周期短且進度不受控。本文借鑒GJB5000A-2008相關要求，對PLC軟件研制過程進行了本地化改造和應用示范。

由于GJB5000A-2008只是一個過程框架，不是一個過程程序，為了保證軍工生產按照任務書的要求正常、有序的進行，必須對該過程實現改進。研究人員為PLC軟件開發過程設計了重疊瀑布模型，旨在對軟件生命周期各關鍵階段的產品組織評審、測試甚至驗證工作，從保證PLC軟件在每一個階段都是“正確的”角度，確保最終的PLC產品是“正確的”。

因為PLC軟件屬于硬件編程語言，其不僅僅有軟件，還有硬件。因此，開始階段，有一個系統分析與設計階段，用來規劃該系統需求。該項目在實施過程中，除了配置管理過程域采用了配置管理軟件外，其他過程域都是使用軟件質量管理人員常用的文檔工具人工維護。

3.2 組織實施

在具體組織實施過程中，設計了專門的PLC軟件研制過程質量管理與評估表。該表對器件模塊的選擇控制、PLC研制流程執行情況、PLC軟件生命周期各關鍵節點的檢查、測試驗證情況等4類問題，提出了17項共29條面向軍工高端工藝裝備中PLC軟件研制過程的具體要求和評估準則。

在實際操作過程中，PLC軟件研發團隊需要在“軟件工程過程組”的監督和管理，同時“軟件質量保證組”負責組織專家對PLC軟件研發團隊開展現場檢查，并針對各項內容進行質詢并要求提供相關證據和理由。專家根據質詢結果，依據評估準則的權重（A到C權重依次降低），對目標軟件研制情況進行總體評估并出具整改意見。研制團隊需要在一定時間內根據專家的整改意見進行問題的回歸，并上報質量管理人員進行再評估，直到達到軟件出廠標準的要求。

4 結 論

在實際的項目領域，技術問題往往已經不是主要問題，管理問題才是關鍵問題。特別是在PLC軟件領域，采用的很多技術都是成熟的或者是經過驗證的技術，因此管理問題對項目的成敗顯得尤為重要。GJB5000A-2008認證是軍工企業獲取研制許可的資格認證。本文針對PLC軟件研發特點，結合GJB5000A-2008的本地化提出了高端工藝裝備研制中PLC軟件的工程化管理方法與規范，有效促進了PLC軟件企業進行軟件過程改進，使項目研制由作坊式變得更加規范，能夠在成本可控且一定時間內生產出可靠的PLC軟件產品。同時對軍工企業推進GJB5000A-2008二級體系建設，以及向三級體系發展具有借鑒作用。

主要參考文獻

[1]姚世全.信息系統工程監理基礎教程[M].北京：中國標準出版社，2006.

[2]石柱，楊紫千，蘇曉丹，等.軍用軟件能力成熟度模型及其應用[J]. 航天標準化，2003（5）：18-24.

[3]漆漢宏.PLC電氣控制技術[M].北京：機械工業出版社，2012.