基于DTECS平臺的便捷調試技術研究

王成福　段錄平　王超

摘 要：根據便捷調試系統的應用需求，介紹了一些目前常用的數據監視和調試方法。針對DTECS系統平臺的技術特性，提出了調試系統便捷性的設計思路和方法，并對關鍵實現技術進行了詳細闡述。

關鍵詞：DTECS；PLC；便攜調試；組態

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.150

DTECS（Distributed Train Electric Control System，分布式列車電子控制系統）是中車株洲所基于IEC61375列車通信網絡（TCN）標準自主研發的一套分布式列車網絡控制系統平臺，如今已被廣泛應用于城軌、干線機車和高速動車。隨著DTECS平臺各類車載控制設備在市場上的廣泛應用，售后服務人員，機車、動車、城軌運用維修人員對數據監視與調試工具的便捷性需求，以及設計人員現場快速調試業務要求都在不斷提升。開發一套統一、通用、可配置、圖形化的便捷調試系統工具成為一個迫切的需求。

對設備數據進行監視和調試是一項傳統需求，以往在這方面的開發主要是針對特定的設備或特定的應用項目，不同的應用項目由于有不同的數據格式和通信協議，導致上位機數據監視與調試工具軟件的種類、版本較多。針對數據監視和調試業務，軟件功能具有共性的需求，包括開關量/模擬量監視、故障狀態查看、波形監視/回放、參數修改、程序更新等。另外，各車載控制系統，例如牽引控制、輔助控制、制動控制、門控等都通過WTB或MVB總線連接在TCN網絡上。這些設備開放的數據都可以從TCN網絡上獲取得到。因此，DTECS系統為建立統一、便捷、通用性高的數據監視調試工具提供了很好的技術平臺。

1 現狀

目前，中車株洲所在數據監視與調試方面基于DTECS系統平臺已經做了一些工作，取得了一定的成果。例如TCN網絡管理及監視配置軟件，基于TCN網絡管理和消息數據機制實現了網絡拓撲自動生成、端口變量監視和覆蓋等功能。由于該軟件是基于單一設備開發，通用性方面有一定的局限性。另一方面，許多TCN設備未提供消息數據能力。這也限制了該軟件功能的發揮。

DTSTools工具軟件作為TCN網絡管理及監視配置軟件的升級版，它集成了網絡配置、網絡編程開發、程序更新和網絡調試四大塊，涵蓋了從設計、調試、售后維護各階段的應用。其中，網絡調試軟件是專用于數據監視和調試的軟件，采用OPC機制實現數據監視，利用平臺層的通信服務接口實現了數據覆蓋。該軟件針對DTECS平臺開發，不依賴于特定TCN設備，所以通用性較好，但在調試便捷性方面還有很大的提升空間。

國外在監視調試軟件方面做得比較好的有西門子，西門子針對其SIBAS32控制系統提供了一整套監視、調試及診斷工具軟件，例如Monitor、SIBAS-G、Expert2等。Monitor用于對控制系統實時監控；Expert2專用于故障診斷分析；SIBAS-G軟件則根據設計、調試、維護3個階段角色的不同，劃分了開發版Development、調試版WorkBench和維護版Reader。每個工具軟件都需要單獨授權，而且每個軟件只有在其他軟件的配合下使用才能發揮最佳的效果。

龐巴迪的DCUTerm軟件主要用于牽引控制單元（DCU）的調試，可以連接多個MITRAC目標系統，例如DCU、VCU等，支持模擬/邏輯信號狀態查看、查看/修改參數和狀態、模擬信號瞬時記錄、程序更新、記錄瀏覽等功能。該軟件主要是基于命令行模式的調試方式，過于專業，可視化界面差，用戶體驗不夠好。

本文主要基于DTECS系統平臺的技術特性，對便捷調試系統的設計思路和關鍵技術進行重點研究和探討。

2 DTECS設備軟件分層結構

IEC61375-1標準中定義的MVB3類設備是指具有過程數據、消息數據和可編程能力，其顯著特征是擁有大量端口且帶有與應用相關的可編程控制器，支持用戶編程。DTECS系統平臺的大部分成員屬于MVB3類及以上的設備，一個典型的MVB3類設備的軟件分層結構如圖1所示。

文獻[5]對DTECS設備的軟件分層作了詳細介紹和說明。本文重點關注網絡應用層和處于平臺軟件層的IEC標準PLC控制引擎。這2部分與上位機便捷調試系統的關系最密切。網絡應用層主要有2類用戶應用程序：①基于IEC標準PLC控制引擎開發的PLC程序。這類程序以用戶任務的形式由PLC控制引擎負責調度執行，控制引擎負責執行PLC目標代碼，I/O端口地址訪問、全局或局部變量的地址分配和管理。②基于實時操作系統開發的嵌入式應用程序，由操作系統調度執行。

以往上位機的監視調試軟件主要與網絡應用層打交道，因網絡應用層經常隨應用項目的不同而變化，上位機軟件也需要隨之變化，難以保持監視調試軟件的版本穩定和統一。這不符合平臺化的設計思路。因此，本文提出的解決方案是基于相對穩定的平臺層來開發，可以提高監視調試軟件的穩定性和通用性，減少重復開發。

3 IEC標準的PLC控制引擎

通常意義上的PLC（Programmable Logic Controller）是指一種稱為“可編程控制器”的電子裝置，其工作原理可簡單概括為讀輸入、執行PLC程序、寫輸出。IEC標準的PLC控制引擎是DTECS系統平臺的重要組成部分，大部分網絡應用層程序依賴于該控制引擎。作為符合IEC標準的PLC，它不依賴于任何特定的硬件設備，除了實現傳統PLC的基本功能外，還增加了一些IEC標準定義的特性，例如允許為一個資源配置多個任務、對PLC程序的完全控制能力等。

針對多個實時任務，PLC控制引擎采用了優先級搶占的任務調度機制，任務調度優先級時序如圖2所示。

從圖2可以看出，上位機編程器以及監視調試所依賴的系統服務任務在任務序列里面優先級是較低的。這種優先級策略避免了上位機在數據監視、在線調試時影響PLC控制程序的正常執行。官方性能測試數據顯示，使用Intel Pentium I 150 MHz的CPU處理1 000條IL指令的執行時間在24 μs左右。實際應用時，假設使用相同的CPU，有最多16個用戶任務，每個任務有10萬條的指令規模，那么可以估算出PLC執行完所有任務花費的時間約為40 ms。可見，PLC控制內核在滿負荷運轉下仍然具有較高的執行效率，一般情況下都能夠滿足上位機監視與調試的應用需求。

4 便捷調試系統

4.1 便捷性的設計需求

一個便捷的調試系統，除了能夠滿足作為監視調試工具應該具備的基本功能要求以外，例如對開關量/模擬量實時監視與記錄、設備狀態監控、波形監視、參數修改以及程序更新等功能，還應滿足以下便捷性的應用需求：①圖形化。基于拓撲圖、功能框圖、邏輯框圖、原理圖、波形圖等形式的變量監視、覆蓋和參數修改調試。這種直觀的表現形式使用戶不需要掌握太多專業知識，也可以輕松使用和操作調試工具，高效率地完成調試任務。②流程化。設計人員可根據調試大綱或型式試驗大綱等技術文件來配置現場調試的內容和步驟。售后維護或現場調試人員根據設定的流程步驟完成現場調試操作，同時形成調試報告。③通用性。面向DTECS系統平臺，而不針對特定的MVB設備、車型或應用項目。這樣可以減少開發人員的重復勞動，又能保持調試工具版本的穩定和統一。④可配置。設計人員可以對各種圖形化的監視調試界面以及調試流程進行配置的，實現調試工具的可配置功能是實現圖形化、流程化和通用性等便捷性需求的前提。應用項目需求的不同直接影響網絡應用層軟件在數據結構、軟件邏輯等方面的設計，所以如果便捷調試工具不能通過可配置來適應網絡應用層的變化，那么無法實現通用性。

從軟件實現的角度來說，上述幾個需求關鍵的技術或難點在于可配置和隱含在通用性背后的與網絡應用層無關的數據訪問與調試接口技術2個方面。

4.2 設計思路

為了實現設計與現場調試業務分離，以及保護車載軟件安全，有必要將調試工具劃分為2個部分，即面向設計人員使用的支持圖形化配置的調試配置工具，主要面向售后維護和業主使用的現場調試工具。

設計人員使用調試配置工具主要完成以下3個方面的配置工作：①可以配置系統某些量，參數可以對用戶開放以及每個量和參數對應的I/O地址、數據類型、地址偏移等。②可以配置以功能框圖、邏輯框圖、原理圖或電路圖等為主要形式的數據邏輯關聯關系。③配置調試流程。所有配置最終生成一個調試配置文件，設計人員將調試配置文件下載到DTECS設備中，以供現場調試用。

售后維護或現場調試人員通過現場調試工具連接到DTECS設備讀取調試配置文件，現場調試工具根據調試配置文件還原設計人員配置的圖形化界面、調試步驟等內容。這時，所有已配置項都是不可編輯的。現場調試工具就依據該調試配置文件進行數據監視、參數修改和調試。

當有實時故障診斷需求時，可以首先由設計層預先配置好故障診斷邏輯關系圖，現場維護及調試人員可以依據該故障診斷邏輯反映出的關聯關系進行跟蹤監視和故障排查。這種方式明顯能夠有效地提高現場故障排查的效率。

在數據監視、覆蓋等調試功能開發方面依托DTECS平臺的PLC控制引擎對上位機開放的實時通信和調試接口，實現變量訪問、參數覆蓋、程序更新、PLC啟動/復位/停止等功能。基于這套通信服務接口開發是便捷調試系統開發的最便捷途徑，可實現與DTECS平臺的完美結合，并且能夠開發出像PLC應用開發工具一樣強大的調試功能。

4.3 關鍵實現技術

4.3.1 組態編程技術

從軟件編程角度來講，組態主要涉及3個方面的編程技術，即面向對象、圖形繪制和對現場總線協議的封裝。面向對象編程，將所有組態元素封裝為對象，并賦予不同的類別屬性，并以圖形化的形式展現。對于每一個與信號相關的對象，設計人員可配置變量的屬性，諸如信號名、地址、偏移地址、數據類型、刷新頻率等。每個組態對象內部都封裝了圖形繪制和渲染的過程，根據對象的不同類型、位置、大小等來繪制對象的圖形。除了具有上述2個特征外，還需要封裝一些標準的現場總線協議，實現簡單的配置就能訪問到現場數據，而不需要關注數據通信細節。

4.3.2 PLC實時通信技術

DTECS系統平臺的PLC控制引擎為上位機PLC程序下載、數據訪問、在線調試等提供了完備的通信接口，尤其是數據覆蓋的調試接口，對實現便捷的調試起著非常重要的作用。PLC實時通信采用一問一答的方式，由上位機發起請求，下位機PLC返回數據。一個標準的實時通信協議幀格式如圖3所示。

該協議涵蓋了上位機與PLC實時通信的所有內容，上位機數據訪問、數據覆蓋、單步調試、程序更新、PLC復位/啟動/停機等功能都依據該協議來完成。標準的協議幀的最大長度為1 428 bytes。超過這個上限時，需要分2次或更多次請求才能完成一次完整的數據請求，因此數據量越大，請求的次數越多，上位機數據更新的頻率就會越慢。

4.3.3 分組請求策略

PLC一問一答的實時通信方式決定了上位機數據刷新頻率取決于上位機請求的頻率以及PLC對請求的響應速度。PLC的響應速度又受其任務規模以及任務掃描周期的影響，并且與請求的數據量成反比。即使使用配套的PLC應用開發工具做仿真調試，也會遇到同樣的PLC響應遲鈍的問題，因此有必要采用某種設計策略來克服這一問題，提高系統的實時性。

通常情況下，PLC任務的執行周期各不相同，變量值的更新頻率也會不一樣。基于這個特點，可以采用分組請求策略，即根據變量刷新頻率劃分幾個不同的請求組，不同的組采用不同的請求頻率，這樣可以盡可能地把系統資源讓給更新頻率高的變量組，同時減少了每次請求的變量規模，PLC響應的速度就會更快，從而提高實時性。

設計人員使用調試配置工具進行配置時可設定變量的更新頻率，現場調試工具再針對設置的變量頻率進行分組。當變量沒有設定更新頻率時，則在實時通信過程中由現場調試軟件自動估計判斷變量的更新頻率。比如上位機請求頻率為10 ms，對于某個變量，它在5次請求的值沒有變化，那么初步認定它的更新周期大于50 ms，然后它在50 ms的請求組里繼續嘗試。通過這種迭代試探的策略來自動估算一個監視變量的更新周期，最終所有監視量都會找到一個合適的組。

5 結束語

DTECS系統為數據監視與調試工具開發提供了非常強大的技術平臺，其開放的通信服務接口為便捷調試系統的數據監視、調試功能的開發提供了一個便捷的途徑。下一代基于以太網的列車通信網絡，具有更高的寬帶和傳輸速率，利用LLDP或SNMP協議可以輕松發現列車通信網絡拓撲，進而實現從單個設備到全車設備的數據訪問能力。那時，數據監視與調試工具也將更便捷。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕