基于PLC 的的車控軟件通用測試平臺

黃媛媛，姜小燕，張士軍

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引 言

特種車車控軟件通常為系統配套的專用軟件，其功能、性能、接口、可靠性和安全性等要求與系統總體方案、液壓控制流程、電氣接口以及目標機平臺等分系統密切相關，其軟件測試環境必須能夠模擬全部外部接口信號，才能夠確保軟件測試的覆蓋性要求[1]。

以往的車控軟件測試，主要依賴于真實的設備及分系統和系統環境，優點是系統接口特性與真實使用情況一致；缺點是缺乏異常信號模擬的接口和方法，不利于系統的可靠性、安全性測試。另外，測試平臺需要設備和系統實物來搭建，需要完成實物樣機才能開始軟件的測試，不利于系統的并行開發，延長了研制周期，而專門配置相似的測試實物又成本太高。

近年來，隨著電子技術、計算機技術和軟件技術的發展，車控軟件測試開始應用仿真模擬環境，即針對車控軟件的測試需求，配置外部信號模擬環境，通過組態軟件等工具提供信號輸入、修改和顯示的測試界面，在實物測試和系統聯調之前，測試到大部分的功能、性能和接口項目，也可以實現大部分的異常狀況模擬，為可靠性、安全性測試提供了方便[2]。但通常的做法是一個型號配置一套專用的信號模擬環境，針對性強，但每個型號都要專門配套，設備成本高，測試用例重用性差。

本文綜合分析車控軟件的特點和測試需求，以PLC 控制器為核心設計一種通用的測試環境，可用于多種型號的車控軟件測試。

1 車控軟件測試環境需求分析

車控軟件的測試環境應以軟件宿主機為核心，配套外部接口模擬環境，提供信號輸入界面、信號顯示界面、流程執行狀態顯示界面、異常狀態顯示界面以及可靠性、安全性相關的專項測試界面，為軟件功能、性能、接口以及可靠性、安全性等測試提供靈活方便的輸入途徑和顯示界面。

通過對多個型號的特種車車控軟件測試需求的分析，可知車控軟件測試環境的主要需求是接口信號需求，包括檢測信號、控制信號、流程狀態和異常信號模擬。

1.1 車控軟件功能需求

車控軟件主要用于控制特種車進行四、六支腿調平，支撐架起豎、回轉臺回轉功能以及控制所有機構歸位成行駛狀態，需要實時顯示控制過程中的壓力、機構行程、角度等信息，具備一定的故障診斷能力。

1.2 車控軟件接口分析

車控軟件的檢測對象主要有：液壓系統壓力和流量、支腿伸/收到位開關或支腿高度位移量或支腿觸地壓力、車架水平度、起豎、回轉及下放到位開關、起 豎角度和回轉角度、垂直度、關鍵位置（如起豎臂78°）接近開關和其它液壓檢測對象。這些監測對象對應的電器元件或傳感器的特性決定了電氣系統的輸入輸出口設計，同時也提出了軟件監測的采集要求，包括監測信號的數據規格、變換要求、采集頻率、防抖以及防干擾處理等要求。不同的對象，其信號特性不同，接口設計也不同，相應的采集、處理方法也有所區別。按照接口類型進行分類，車控軟件的檢測信號如表1 所示。

表1 車控軟件檢測信號匯總（輸入接口） Tab.1 Collection Signals of Vehicle Control Software (Input Interface)

車控系統的控制對象主要有：液壓系統壓力調定控制的開關閥、數字閥或電機，各路流量調定控制的開關閥或數字閥，支腿伸/收控制閥和起豎臂（架）起豎、回轉及下放開關閥。對應的信號類型主要是開關量、數字量或模擬量，按照接口類型進行分類，車控軟件的控制對象接口信號如表2 所示。

表2 車控軟件控制信號匯總（輸出接口） Tab.2 Control Signals of vehicle Control Software (Output Interface)

1.3 車控軟件測試流程

車控系統液壓控制方案確定了軟件輸出控制的詳細步驟及時序要求，也叫控制流程。

描述控制流程使用工步、分工步的概念。通常的含義是：控制流程劃分為展開和撤收兩個流程。展開流程劃分為伸支腿、調平、起豎以及支撐鎖定等工步；撤收流程劃分為解鎖、下放、收支腿等工步。每個工步又進一步劃分為一系列控制動作（或叫分工步、子工步），每個控制動作都規定了具體的執行條件、控制動作、輸出參數以及延時要求?？刂栖浖仨殗栏癜凑樟鞒桃蟮牟襟E和延時要求設計控制模塊的處理流程。

車控軟件測試中需要檢測控制流程的執行過程，通常的要求是顯示正在執行的流程狀態、工步、分工步以及全部檢測信號的實時顯示。

1.4 故障模擬

工步控制過程中，需要落實系統的可靠性、安全性要求。體現在控制流程中即實時監測特種車狀態信號，在預定的時間內如果檢測不到預期的信號，則進行針對性的處理。具體的處理方法根據所處的流程和工步以及具體的信號進行綜合分析，對于不同的危害情況分別給予容錯處理、警告提示或報錯急停等處理。

異常狀況的處理，一方面要采取容錯設計，確保任務完成。容錯設計要具體分析，主要是確認個別信號異常等錯誤情況對系統任務完成影響不大時，只給出錯誤提示，或者等待操作手確認，得到確認后繼續執行后續控制任務；另一方面要采取避錯設計，確?？煽堪踩瑢τ谖：^大的情況必須按照系統要求緊急報錯停機。如某些型號中，方向機零位傳感器異常信號的模擬、調平精度超差信號模擬、瞄準精度超差模擬和通訊異常模擬等。

車控系統通常還會設計一個急停按鈕（鍵），用于操作手發現異常后的人為停機。因此，車控系統軟件引入兩個概念，即軟急停和硬急停。軟急停是指上述工步控制中等待預期的信號超時后緊急報錯停機的情況；硬急停是指操作人員按下急停按鈕（鍵）后產生的緊急停機情況。這兩種情況下，軟件執行的停機控制輸出基本一致，不同的是停機后的處理，有的型號或有的工步要求急停后不容許繼續執行，有的則要求通過面板“轉移”按鍵繼續執行，這些需要車控軟件測試環境配合來完成功能測試。

2 通用測試平臺設計

2.1 設計原則

車控軟件測試環境設計遵循通用、低成本和高可靠的原則：

a）通用性：可模擬多種型號特種車的全部信號和流程以及大多數的異常輸入；

b）低成本：作為實驗室配套的測試環境，選用低成本的器件和設備；

c）高可靠性：作為測試平臺，自身信號的正確和可靠相當重要。

基于上述原則，車控軟件通用測試環境的總體設計方案是：基于PLC 控制器，利用其模塊化結構特性構成信號種類和數量可靈活配置的信號模擬環境；控制器與車控系統之間設計專用外部接口，滿足不同型號的信號定義；模擬界面基于組態軟件開發，形象直觀易修改，滿足異常輸入的模擬；界面可集成動畫顯示，便于流程監視。

2.2 硬件設計

本文選用西門子S7-300 PLC 控制器來模擬特種車的開關量信號、模擬量信號并采集車控控制器的電液執行機構的輸出信號，所有的這些信號上傳給上位機（PC 機）[3]，通過人機界面顯示。

測試平臺硬件組成如圖1 所示。

圖1 測試平臺硬件組成 Fig.1 Hareware Composition

PC 機的硬件配置：主頻不小于1 GHz，內存1 G以上，USB 口，串口。

P LC 的配置如表3 所示。模板種類和數量可靈活選用，表3 中顯示最大配置，可滿足車控系統軟件的測試需求。

表3 通用測試環境 Tab.3 General Testing Environment

車控控制器和測試平臺電纜連接示意，如圖2 所示。

圖2 測試平臺電纜連接示意 Fig.2 Connection of Cables

2.3 軟件設計

測試平臺的軟件包括PC 機的監控組態軟件和下位機（PLC 控制器）的控制軟件。監控組態軟件是標準化、規模化、商業化的通用開發軟件，只需進行標準功能模塊的軟件組態和簡單的編程，就可以設計出標準化、專業化、通用性強、可靠性高的上位機人機界面監控程序，且工作量小，開發周期較短[4]。PLC控制軟件的開發包是西門子公司開發的控制軟件產品，具有標準化、模塊組合化、組態生成化等特點，通用性強，實時性和可靠性高。

PLC 控制軟件主要是信號采集與轉換以及控制流程仿真，其開發環境為 windows2000/XP，西門子STEP7 V5.4開發工具?？刂屏鞒谭抡娴臏y試用例設計因型號而略有差異。本環境提供了一套較為通用的流程仿真模板，可供各型號略作修改后使用。流程仿真軟件的設計，各工步流程比較類似，下面以展車支腿伸出（特裝車橫向調平）工步流程為例，其控制軟件流程如圖3 所示。

上位機監控軟件的功能主要是顯示、控制PLC 的輸入輸出數據。

開發、運行環境：Windows2000/XP，SQL2000，西門子WinCC6.0 組態軟件。西門子公司的視窗控制中心（Windows Control Center，WinCC），集成了組態、腳本（Script）語言和OPC 等先進技術，為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環境，不僅縮短了軟件設計周期，而且提高了工作效率。

圖3 控制軟件流程 Fig.3 Workflow of Control Software

3 應用效果

3.1 某型號測試情況

WinCC 的開放性可以將其作為系統擴展的基礎，通過開放式接口，開發其它自身需要的測試系統，圖4為某型號車控系統軟件測試界面。

在操作界面，不僅可以用于狀態信號顯示，還可以通過改變接近開關狀態和各個傳感器的輸出值來模擬多種異常信號，為可靠性測試服務。

在某型號車控軟件測試中使用了本通用測試環境。環境配置的主要工作是配置模版和地址、設計流程仿真軟件、設計上位機界面。

a）設定PLC 的輸入、輸出地址如下：

1）32 點DI 的地址：I0.0～I3.7；

2）32 點DO 的地址：Q0.0～Q3.7；

3）16 通道AI 的地址：PIW500～PIW530；

4）16 通道的AO 地址：QW500～QW530。

DI 模板上I0.0 接車控控制器大泵輸出，I0.0 為高電平時，軟件將改變大泵指示燈的顏色。I0.1 接車控控制器小泵輸出，I0.1 為高電平時，軟件將小泵指示燈變為綠色，DI 模板的其它點同樣處理。

圖4 中包含PLC 的DO 輸出模擬特種車的各種開關量信號如壓力繼電器、接近開關、行程開關等，Q0.1接車控控制器的2 號彈箱伸到位接近開關輸入，用鼠標點擊該按鈕，按鈕燈由紅色變為綠色，PLC 控制器發送2 號彈箱伸到位信號給車控控制器，其它同樣。

圖4 車控系統軟件測試界面示意 Fig.4 Test Interface of Vehicle Control Software

PLC 的AI 模板接收車控控制器的0～10 V 或4～20 mA 的控制信號，經過AC/DC 轉換，再轉換成對應的流量或壓力值在壓力表或流量表上直觀地顯示。

PLC 的AO 模板模擬特種車的傾角傳感器、壓力傳感器、溫度、濕度等電壓或電流信號，拉動圖4 界面上相應的游標，可以改變傳感器的輸出值。

b）設計流程仿真軟件。本型號應用中，直接使用與通用環境配套的工具盒流程仿真軟件模版進行設計，可以支持特裝車的裝載、卸載、展車（調平）、起豎、旋轉、撤收等所有流程。詳細流程設計不再贅述。

c）設計界面。界面設計特別設計了參數修改接口，可以支持輸入信號的多種異常情況。常見的異常情況有：1）在規定時間內不能調平；2）左右支腿壓力超限；3）濾油器報警；4）某流程中，規定時間內，接收不到接近開關信號；5）某傳感器的數值發生跳變；6）接近開關信號發生抖動；7）瞄準過程中，高低角或方位角發生超差。

該測試環境在該型號批產過程中的地面設備聯試測試中開始使用，在地面設備聯試測試中，車控控制器（車控軟件）、測試環境（特種車仿真）、火控系統、發控系統、火箭彈等效器、定位定向、通訊系統等全部參戰設備進行作戰流程測試。該測試環境的自動測試功能運行良好，在測試中發揮了重要作用。

3.2 其它型號的應用

如果將該套測試環境用作其它型號特裝車的測試，需要做的工作有：a）硬件：調整PLC 控制器上的接線端子接線的接線。b）軟件：只需測試界面的信號名稱，由于PLC 控制程序的模塊化設計，軟件的工作量較小。

圖5 為某在研型號的應用示例。

圖5 某在研型號應用示例 Fig.5 Sample of One Product

4 結 論

基于PLC 的測試環境能夠滿足多種特種車車控軟件的測試要求，通過少量的軟件設計工作能滿足不同型號的測試要求，降低了成本，提高了可靠性以及測試方法的可繼承性，組態軟件的應用使得測試結果更加直觀、可靠，自動測試功能減輕了測試人員的工作強度，避免了誤操作，為車控軟件的測試提供了一個新的解決方案。

本文綜合分析特種車車控軟件的特點和測試需求，設計了以PLC 控制器為核心設計一種通用的測試環境，通過在線配置設計信號定義接口，可用于多種型號的特種車車控軟件測試，作為型號軟件開發的一種高可靠和低成本探索，取得了較好的效果。