地鐵環(huán)控與設備監(jiān)控系統(tǒng)自動生成與自動測試軟件研究*

黃力寧 鄧 嬪

(北京和利時系統(tǒng)工程有限公司， 100176， 北京∥第一作者， 高級工程師)

城市軌道交通ISCS(綜合監(jiān)控系統(tǒng))具有集成互聯(lián)專業(yè)多、接口多、功能復雜、工期緊、任務量大等特點，而國內對于ISCS的設計仍停留在傳統(tǒng)的手工設計階段。傳統(tǒng)的設計方法效率低下、質量不高，已經難以滿足日益發(fā)展的GWQS-ISCS(綠色、智慧、品質、安全的ISCS)的設計需求[1]，必須將一些高效的設計思路和方法引入到ISCS的設計中。BAS(環(huán)控與設備監(jiān)控系統(tǒng))是ISCS的重要組成部分，本文以青島地鐵13號線為例，對地鐵ISCS設計階段自動化軟件進行重點研究，以滿足GWQS設計對ISCS的品質和安全要求。

1 BAS的特點分析

青島地鐵13號線是青島市最長的地鐵線路，包含1個運營控制中心、23個車站、1個車輛段和2個停車場，共計27個設計點[2]。作為ISCS中最大的專業(yè)，BAS包含的設備最多、功能最復雜，需對車站和區(qū)間的通風系統(tǒng)、MCC(馬達控制中心)、照明等10余個子系統(tǒng)的33個接口專業(yè)進行全面、有效的監(jiān)控及管理，以確保設備處于安全、可靠、高效、節(jié)能的最佳運行狀態(tài)[3]。在車站/區(qū)間發(fā)生火災或阻塞的情況下，BAS需要迅速轉換為防救災模式，配合FAS(火災報警系統(tǒng))進行災害聯(lián)動，為站內乘客及機電設備的安全提供必要保障[4]。作為涉及到人身安全的重要消防聯(lián)動工程，在工期緊、任務重的情況下，BAS對設計的質量及效率要求非常高，應在傳統(tǒng)設計基礎上進行創(chuàng)新，提出簡捷、高效的設計思路，以滿足設計要求。

2 BAS的整體設計方案

2.1 設計思路與框架

如圖1所示，BAS的整個設計流程包括點表設計、PLC(可編程邏輯控制器)程序編寫和帶平臺測試3部分。本文提出1種高效的設計方法，利用計算機VS編程軟件設計出自動化軟件，實現BAS的自動設計流程。該方法已應用到青島地鐵13號線ISCS設計的3個階段中，并取得了良好的設計效果。

注：實線為自動設計流程；虛線為傳統(tǒng)設計流程；括號內數字表示該模塊所需的設計耗時。

2.2 借助VS軟件高效設計監(jiān)控點表

BAS的4個監(jiān)控點表是PLC程序編寫和上位組態(tài)的基礎，其中：箱柜點表包含設備的名稱、通道、PLC地址等信息，用于箱柜成套；模式表是各模式工況下設備目標動作信息的點表，用于模式控制；類表是BAS中接口設備的類碼、點位地址信息的點表，用于設備分類； BAS-ISCS點表是BAS與ISCS數據交互的設備、點位地址信息的點表。在這4個點表中，箱柜點表的設計最為復雜、費時。本文以箱柜點表的設計進行舉例說明，剩余點表的設計不再贅述。

據統(tǒng)計，青島地鐵13號線共有294個箱柜表需要設計。傳統(tǒng)的每個箱子中逐個設備填寫的方式費時、費力、準確率不高，而且若有填寫錯誤，這些錯誤會積累并傳遞到下個環(huán)節(jié)——PLC程序編寫中。所以，本文提出借助VS語言編寫箱柜點表的生成軟件來實現。

2.2.1 設計原理

首先，通過讀取從設計院圖紙中導出的設備列表，將包含設備類的點位、通道的類模板等信息復制到對應的箱柜點表中；其次，調用設備通道填寫程序，從上而下逐行掃描、順序填寫，再調用通道檢測程序對通道地址進行自檢，確保同一設備的所有點位分布在同一個模塊上，方便日后的檢修與更換；最后，調用地址填寫程序填寫PLC地址，完成車站設計點的所有箱柜點表的自動生成工作。箱柜點表自動生成的原理如圖2所示。

圖2 箱柜點表的自動生成原理圖

2.2.2 工程應用

本軟件的系統(tǒng)開銷較小，符合GB/T 13423—1992《工業(yè)控制用軟件評定標準》中“開銷特性”和“可靠性”準則，運行效率較高。據統(tǒng)計，與傳統(tǒng)的設計方法相比，采用箱柜點表生成軟件生成所有箱柜點表后，1個車站箱柜點表的設計時間縮短了約95%，錯誤率也由15%降至0，達到了省時、高效的目的，且全線表格格式統(tǒng)一，為后續(xù)的PLC程序準確編寫以及HMI(人機界面)組態(tài)奠定了堅實基礎。

2.3 高效設計PLC的編寫程序

本項目采用了美國AB公司的大型熱備冗余系列PLC控制器Logix5561，編程和調試軟件采用RSLogix 5000。青島地鐵13號線的41套PLC程序編寫是該線BAS設計的重中之重。以該線的典型車站積米崖站為例，主從端的PLC共包含89個子程序、8 877行程序，由此預估全線需設計近20萬行程序。這樣龐大的工作量要求在不到半年時間內高質量地完成，傳統(tǒng)逐行“搭梯子”的手工編程方式無法滿足工期要求，且在重復冗雜的設計中容易發(fā)生紕漏和錯誤?？紤]到AB品牌PLC編程語言的特點，利用VS高級編程語言設計PLC程序并生成設計軟件，以替代手工編程，可大大降低程序設計的難度與工作量。

2.3.1 設計原理

首先，根據接口專業(yè)的接口文件編寫接口子程序、根據BAS用戶需求書編寫各功能程序、根據設計院圖紙編寫各種工況下的控制邏輯程序等，最終實現典型站PLC程序設計；其次，在研究典型站PLC程序的基礎上，利用VS語言設計PLC程序的自動生成軟件，并根據程序功能將設備控制、模式控制、IBP(應急后備盤)、FAS聯(lián)動等4大部分的功能程序按步驟順序生成；最后，結合典型站的PLC程序生成符合PLC編程規(guī)則的以.L5K為后綴名的程序文件，并導入PLC程序中，最終實現自動編程目的。

在此過程中，特別將點位多、重復性大、容易出錯的編程工作設計到自動生成軟件中，依靠軟件去檢索和查詢4個點表，大大減少了手工設計的工作量。此外，根據代碼功能的不同，設計出VS語言類模板進行模塊化設計，提高了程序代碼的復用性及軟件執(zhí)行效率與程序生成速度。PLC程序自動生成原理如圖3所示。

注：PVS為公共區(qū)大系統(tǒng)；RVS為設備區(qū)小系統(tǒng)；TVS為隧道系統(tǒng)；① 為BAS-ISCS點表；② 為MCC點表；③ 為IO(設備)點表；④ 為模式表；⑤ 為IBP點表。

2.3.2 工程應用

本程序生成軟件符合GB/T 13423—1992《工業(yè)控制用軟件評定標準》的“用戶友好性”以及“可移植性”準則，操作簡單、容易上手。而且，該軟件對系統(tǒng)要求不高，方便移植：復制PLC程序生成軟件到本機并運行，點擊按鈕選擇已設計好的4個監(jiān)控點表以及MCC點表，點擊運行按鈕即可自動生成xml格式的PLC程序，并分功能單獨輸出。再將這些程序導入到PLC工程中，即可實現PLC程序的自動編寫工作。

采用此方式編寫PLC程序，簡單快捷，省時高效，準確率高。以13號線的典型站嘉年華站為例，需要編寫的PLC程序行數約為7 000行，采用此方式自動生成的程序可達6 000行，占程序總行數的80%，大大降低了編程人員的編寫難度，解決了在工程設計階段耗時多、錯誤率高、精力需要長時間高度集中等問題，將編寫1個車站PLC程序的時間縮短將近90%，真正實現了從輸入點表到輸出PLC程序一鍵完成的功能。此外，該生成程序結構全線統(tǒng)一，方便調試及維護，非常適合地鐵ISCS這類站點多、設備雜、工期緊的工程設計工作。

2.4 自動高效測試PLC程序的各項功能

BAS的PLC程序作為地鐵車站內火災和阻塞災害下的防災救災的關鍵系統(tǒng)，是GB/T 12504—1990《計算機軟件質量保證計劃規(guī)范》規(guī)定的“故障會影響到人身安全”的重要軟件，必須經過V&V(軟件驗證與確認過程)環(huán)節(jié)的完全測試，才能應用到現場。傳統(tǒng)的V&V測試環(huán)節(jié)只能滿足單點對點和靜態(tài)對比，采用手動方式進行功能測試，效率低下。以13號線的典型站嘉年華站為例，需要對BAS的25個大小子系統(tǒng)的140個可控設備、154個模式、1 600個點位逐個進行功能測試，需要耗時1周，且測試的準確率不高，無法滿足現場對測試工期的要求。根據GB/T 15532—2008《計算機軟件測試規(guī)范》的要求，軟件測試應采用測試軟件，避免或減少人工操作，所以設計出1款可自動測試PLC程序功能的測試軟件就顯得尤為重要了。

2.4.1 設計原理

本項目BAS采用AB品牌PLC作為核心控制器，和HMI共同采用CIP(工業(yè)互聯(lián)網協(xié)議)網絡通信，為保證測試軟件的通用性，采用OPC(用于過程控制的對象連接技術)通信協(xié)議。

如圖4所示，以導入讀取的4個監(jiān)控點表數據、生成單點控制以及4種模式控制的測試舉例說明。通過OPC協(xié)議連接PLC控制器并取得設備的控制權限，模擬ISCS下發(fā)設備的開關、角開、高低速、運行與停止等命令，通過查看設備輸出的實際點位變化，實現PLC點控控制邏輯的測試；正常通風和照明模式控制功能的測試是通過修改各子系統(tǒng)控制方式到模式控制，模擬ISCS下發(fā)模式號到PLC，將當前模式下設備的實際輸出情況和環(huán)控工藝圖紙的預期工藝進行對比，實現正常模式的執(zhí)行邏輯測試；對于靠模式號驅動的災害模式，則是模擬ISCS下發(fā)模式號，并對比設備輸出指令與預期目標，用以判斷災害模式是否執(zhí)行成功。

注：虛線框內為輸入文件。

2.4.2 工程應用

在工控機上運行PLC工程和HMI監(jiān)控系統(tǒng)，再運行自動測試軟件，選擇4個監(jiān)控點表，點擊運行即可完成對PLC程序和HMI界面組態(tài)的帶平臺聯(lián)合測試。基于13號線嘉年華站的測試工作量，與傳統(tǒng)的設計方法相比，應用自動測試軟件后可將測試的時間縮短90%，實現了對PLC程序的點位邏輯正確性、點控控制完整性、正常模式和災害模式下的功能等測試，還可以檢測出HMI界面中的組態(tài)問題，最終生成包含測試用例、測試結果、測試準確率的文檔，供編程人員和界面組態(tài)人員參考。這不僅可以改正、完善PLC的程序和HMI系統(tǒng)，還可提高工程數據的魯棒性，以及界面組態(tài)的準確性和完整性。

本軟件采用VS編程平臺開發(fā)并能夠完全模擬HMI與現場設備的運行情況，測試過程屬于動態(tài)測試方法中的黑盒測試方法。應用該測試方法可減少系統(tǒng)的初始故障數，大幅提升軟件的MTBF(平均無故障運行時間)，進而提高軟件的穩(wěn)定性[5]，符合GB/T 15532—2008《計算機軟件測試規(guī)范》的要求。

3 結語

青島地鐵13號線應用了本文所述的自動生成與自動測試軟件，與傳統(tǒng)的設計方法相比，該線BAS的設計效率與質量顯著提高，整體設計效率提升了85%，設計耗時減少90%以上，為BAS現場的具體實施奠定了基礎，保障了線路按時、高質量開通。該軟件采用主流的PLC控制器，支持OPC通信方式，使得軟件不僅可以應用到絕大多數的地鐵ISCS項目中，極大地提高了ISCS設計階段的自動化水平，還可應用到符合IEC 61131-3《可編程語言標準》的其它PLC編程的行業(yè)環(huán)境中，其技術應用前景十分廣泛。