基于ControlBuid的TCMS集成軟件開發平臺設計*

梅　櫻， 趙紅衛， 黃　楓， 張哲龍

(1　中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081；2　北京縱橫機電技術開發公司， 北京 100094)

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基于ControlBuid的TCMS集成軟件開發平臺設計*

梅櫻1， 趙紅衛1， 黃楓1， 張哲龍2

(1中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081；2北京縱橫機電技術開發公司， 北京 100094)

自主研發基于ConrolBuild的TCMS集成軟件開發平臺，首先分析了開發該平臺的軟件需求；然后詳細描述了平臺軟硬件集成化設計的原理及實現過程；最后以某型動車組TCMS在本平臺的應用實現為例，驗證了本平臺的可用性和正確性。

ControlBuild， TCMS， 集成軟件， 開發平臺

列車網絡控制系統(Train Control and Management System, TCMS)是現代智能化軌道交通車輛的神經中樞，承擔著整個列車的控制、監視、診斷與保護等任務[1]。由于TCMS是一個大型、復雜、高度集成化的系統，因此，采用一種可視化、模塊化的平臺對系統的應用軟件進行開發，是對列車網絡控制系統進行安全、可靠、高效集成的重要保證[2]。

目前國際上對可視化、模塊化編程制定了標準IEC 61131-3[3]，國際上幾乎所有TCMS集成商，均具有自主的滿足該標準的平臺進行列車網絡控制系統的軟件開發，如西門子的SIBAS G平臺、龐巴迪的MITRAC平臺等[4]。而國內尚未有完全自主開發的該類平臺。本文將研究我國自主研發的基于ConrolBuild的TCMS集成軟件開發平臺。

1　開發平臺軟件需求

1.1ControlBuild軟件特點

ControlBuild(簡稱CB)是一款滿足IEC 61131標準的開放的自動化軟件平臺，具有自動生成工程源碼功能，其自帶的代碼生成器支持生成Windows、Linux和QNX等多種操作系統平臺下的源代碼。但目前CB主要用于系統仿真，尚未用作列車網絡控制系統軟件集成開發平臺，其主要原因如下：

(1) CB作為一個通用的仿真軟件，不具備搭建TCMS應用所需的基本模塊庫；

(2) CB作為一個純軟件仿真平臺，不具備與目標機硬件接口驅動能力；

(3) CB只能進行上層的邏輯應用編程，不具備對目標機的TCMS功能驅動(如故障存儲、任務調度等)能力；

(4) CB也不具備TCMS集成軟件開發平臺所需的工具鏈(包括變量導入配置、診斷配置、可執行代碼編譯下載、目標機監控等)。

1.2開發平臺軟件需求

鑒于上述原因，還需對CB做進一步開發，才能實現TCMS集成軟件開發平臺的功能需求。

針對2.1中描述的CB 4個不具備條件，圖1提出了基于ControlBuild的TCMS集成軟件開發平臺的軟件開發需求，其中包括：

(1) 功能模塊庫：搭建TCMS應用軟件系統所需的基本功能庫，包括算法庫、控制庫、邏輯庫、TCN通信模塊庫等基本功能模塊；

(2) 目標機硬件驅動：目標機硬件驅動包括兩個部分，列車網絡通信驅動和一般硬件驅動。列車網絡通信驅動是TCMS運行的基礎功能，因此對通信網卡進行驅動，實現通信功能，是CB平臺作為列車網絡控制系統TCMS開發和驗證平臺首要完成的功能；在列車網絡控制系統的目標機上，還需進行電源管理、模擬量采集、硬件保護、數字量輸入采集、數字量輸出控制等硬件驅動功能，因此，實現對目標機一般硬件的驅動的，是CB集成軟件開發平臺需要完成的重要功能；

(3) TCMS功能驅動：TCMS系統除完成主要的控制邏輯實現外，還要完成系統的故障診斷及故障存儲；具體的功能需求，包括故障診斷、非易失變量存儲、底層任務調度和底層服務。這些功能主要用于保證軟硬件系統的運行安全、使用維護方便，成為TCMS不可或缺的組成部分；

(4) 插件工具：由于采用符合IEC 61131標準的模塊化編程，在實現圖形化編程后，插件工具主要完成所有通信驅動、IO驅動、控制與診斷邏輯、診斷存儲等所有程序代碼的編譯、鏈接并生成可執行代碼，插件工具還提供了程序運行狀態監控，包括變量導入工具、診斷配置工具、變量在線監控工具等。

圖1　“基于ControlBuild的TCMS集成軟件開發平臺”軟件開發需求

2　平臺軟硬件系統結構體系設計

將ControlBuild與開發的各類驅動及目標機硬件系統實現一體化集成，使其成為一個完整的、可用的、可靠的TCMS應用軟件開發平臺是本文研究的核心。為此，本文設計了一個關于本平臺的軟硬件系統結構體系，其原理如圖2所示是本文設計的“基于CB的集成軟件開發平臺”的軟硬件體系，該體系采用應用、功能、驅動分進程進行管理的結構。

首先用戶在CB軟件平臺進行控制邏輯、算法等TCMS應用功能的編程，同時用戶根據TCMS需求對應用程序進行運行周期分配，CB將根據用戶應用程序及周期分配情況，自動生成各個周期相應的源代碼；然后用戶通過相關配置工具，將CB應用程序中的變量與驅動建立映射，生成配置文件；隨后通過編譯工具將CB生成的各個周期的源代碼編譯生成目標機的可執行進程文件，同時根據配置文件編譯生成目標機的硬件驅動和TCMS功能驅動進程可執行文件；最后通過監控工具將生成可執行文件下載到目標機硬件中，并通過目標機硬件上的底層服務程序實現所有可執行文件的順序加載，從而完成TCMS的編程、編譯、下載及運行。

圖2　“基于CB的TCMS集成軟件開發平臺”的軟硬件體系結構

如圖2所示，由CB生成的周期進程T1～Tn，其主要實現列車網絡控制系統的邏輯控制、算法等應用功能。由于周期進程對系統的實時控制十分重要，因此采用單獨的“任務調度”進程對“CB功能進程_T1”～“CB功能進程_Tn”進程調度及監控，以保證系統控制的實時、可靠和安全性。

配置工具將CB應用程序中的變量與驅動建立映射，通過變量交互管理機制進行數據交互和管理，最終實現CB中定義的硬件變量對系統硬件的驅動控制，以及對TCMS相關功能的控制，從而完成了ControlBuild與開發的各類驅動及目標機硬件系統實現一體化集成。

3　平臺軟件系統實現

3.1平臺軟件實現機制

通過第2節的設計可知，基于ControlBuild的TCMS集成軟件開發平臺實現的核心是：如何實現CB功能進程與各驅動進程間的交互管理，使ControlBuild平臺中的相關變量能夠控制目標機硬件并實現TCMS相關功能。

本文所采用的平臺軟件實現機制是：變量交互管理通道，即通過變量交互管理通道實現CB變量對硬件接口或寄存器的控制及相關TCMS功能的控制。圖3所示為平臺的軟件系統實現機制。平臺軟件實現機制如下：通過配置工具，將硬件配置接口信息及TCMS功能驅動信息與CB中的接口變量進行映射，并生成配置文件；通過可執行代碼編譯工具完成目標機的可執行代碼的生成，其主要生成2大部分內容。

圖3　平臺的軟件系統實現機制

(1) 根據平臺生成的CB功能進程，這部分進程主要執行平臺中應用的邏輯功能；

(2) 根據系統硬件配置文件生成的目標機硬件及系統功能驅動進程。

可執行代碼編譯工具根據建立的映射關系，在進程(1)和進程(2)之間建立一個變量交互管理通道，兩個進程都根據不同的硬件接口和TCMS功能配置，周期的更新及讀取其與變量交互管理通道間接口的變量，從而完成數據的周期交互。

3.2平臺軟件實現

如圖4所示為平臺軟件系統實現的流程圖。CB功能進程中的變量與硬件及系統功能中的變量通過變量交互管理通道的映射進行交互。其過程如下：

(1) CB功能進程實時檢測其配置的每個任務周期T1～Tn的輪詢周期是否已到，若已經到達，則從變量交互管理通道中讀取相關地址的數值并對所映射變量進行更新；同時向變量交互管理通道相關地址寫入需要更新的變量的數值；

(2) 硬件驅動進程實時檢測其配置的輪詢周期是否已到，若已經到達，則從變量交互管理通道中讀取相關地址的數值并根據映射配置控制相關的硬件接口或寄存器；同時將從硬件接口或寄存器中讀取的硬件信息根據映射配置寫入變量交互管理通道的相關地址；

(3) TCMS系統功能驅動進程實時檢測系統運行過程中是否有相關的控制功能被觸發，若有，則從變量交互管理通道中讀取相關地址的數值并進行TCMS功能的控制實施；同時將TCMS功能中的控制結果或相關狀態根據映射配置寫入變量交互管理通道的相關地址。

至此，解決了CB平臺對目標機硬件及TCMS功能控制的問題，使得CB成為適用于軌道交通TCMS系統開發的平臺軟件。

4　平臺應用實例

為驗證研發的基于ControlBuild的TCMS集成軟件開發平臺的可用性和正確性，以某型動車組TCMS系統實現為目標，在平臺上開發了該型動車組的TCMS應用控制軟件，如圖5所示。

圖4　平臺軟件系統實現流程圖

圖5　某型動車組TCMS應用軟件實現示意圖

為了驗證最終軟件的運行效果，在試驗室搭建了模擬列車網絡控制系統實際配置的系統測試平臺，如圖6所示。

圖6　某型動車組的TCMS系統測試平臺示意圖

該平臺搭建了模型動車組的低壓電氣模型，模擬了列車的運行環境及與TCMS系統的所有接口，從而能夠對所實現的TCMS系統的所有功能進行測試。

驗證過程中，對TCMS各控制邏輯及系統功能進行了逐項詳細測試，測試結果表明采用研制的平臺所開發的動車組TCMS系統能夠按照既定功能穩定的運行，證明了本平臺的可用性和正確性。

5　結　論

研制完成了基于ControlBuild的TCMS集成軟件開發平臺，該平臺為TCMS集成設計提供了可視化、模塊化的應用軟件集成開發環境；為用戶提供了一套完整的系統開發工具鏈；通過工具鏈生成的系統目標機可執行程序，實現了對目標機硬件控制及TCMS系統功能控制。

用戶只需在本平臺上開發TCMS系統邏輯部分應用軟件，即可快速、完整實現對不同項目的TCMS系統開發，大大縮短了系統開發周期、節約大量開發成本、提高了系統可靠性，適合在軌道交通領域廣泛推廣，具有很好的發展前景。

[1]孫寧, 李照星, 楊潤棟,等. 城市軌道交通車輛應用技術[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2014.

[2]張大海, 施承有. 成都地鐵1 號線列車微機網絡控制系統[J]. 機車電傳動, 2009，(6): 41-43.

[3]Karl-Heinz John, Michael Tiegelkamp. IEC 61131-3：Programming Industrial Automation Systems[S], 2000.

[4]劉先愷. CRH2型200 km/h動車組列車網絡控制系統[J]. 機車電傳動, 2008,(6): 1-4.

The Design of Integrated Software Development Platform Based on ControlBuid

MEI Ying1, ZHAO Hongwei1, HUANG Feng1, ZHANG Zhelong2

(1Locomotive and Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China;2Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100094, China)

This article studied the TCMS integrated software development platform based on ConrolBuild, which is independently developmented in China. Firstly the platform software requirements were analyzed, then the software and hardware integrated principle and the realization process of the design platform was described in detail. Finally through an application of a certain type EMU TCMS on this platform, the correctness and availability of this platform was proved.

ControlBuild; TCMS; integrated software; development platform

1008-7842 (2016) 01-0020-04

女，助理研究員(

2015-09-01)

U284.48+1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.05