黃明++陳華

摘 要：質(zhì)量是國家競爭力的核心要素，“質(zhì)量強(qiáng)國”已上升為國家戰(zhàn)略。對于武器裝備，質(zhì)量對提高軍隊?wèi)?zhàn)斗力水平、維護(hù)國家安全利益意義重大?，F(xiàn)代武器裝備融合多學(xué)科技術(shù)，軟硬件功能占比不斷提高，軟件質(zhì)量對武器裝備的可靠性、安全性及綜合性能越發(fā)重要。為了加強(qiáng)軟件研制過程管理，建立與產(chǎn)品特點(diǎn)相適應(yīng)的管理體系，各國防軍工單位先后啟動軍用軟件研制能力成熟度模型認(rèn)證工作，切實提高了軟件工程化水平和軟件質(zhì)量。但對軟硬件耦合性強(qiáng)、測試配套依賴性大等特點(diǎn)的PLC軟件，傳統(tǒng)的軟件工程化方法及規(guī)范，難以直接應(yīng)用并匹配于PLC軟件研發(fā)與管理。

關(guān)鍵詞：PLC軟件；工程化；管理實踐

中圖分類號： TU71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）35-23-2

0 引言

本文結(jié)合本單位裝檢類設(shè)備及高端工藝裝備中PLC軟件特點(diǎn)，推廣深化GJB5000A體系應(yīng)用，對PLC軟件工程化管理進(jìn)行了初步探索與實踐，提出了PLC軟件工程化管理方法與規(guī)范，管控關(guān)鍵性過程活動和文檔質(zhì)量，以測試推動PLC軟件工程化，提升PLC軟件的綜合效能，有效支撐本單位裝檢設(shè)備及高端工藝裝備的高質(zhì)量研制與管理。

1 PLC軟件工程化管理的迫切需求

軟件工程化管理是提高軟件研制質(zhì)量的必經(jīng)之路，不僅能降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，更能降低軟件研制風(fēng)險，提高軟件的質(zhì)量和可靠性，增強(qiáng)軟件的可維護(hù)性。作為工業(yè)控制系統(tǒng)的重要組成部分，PLC軟件的工程化管理對于保障控制系統(tǒng)安全與可靠運(yùn)行、提升效能和增值等具有重要作用。

PLC（Programmable Logic Controller），即可編程邏輯控制器，應(yīng)用于自動化、高可靠性要求的工業(yè)環(huán)境，成為工業(yè)控制系統(tǒng)的重要單元，廣泛應(yīng)用于邏輯控制、運(yùn)動控制、工藝過程控制、信號測試與診斷等領(lǐng)域，因此廣義上的PLC，亦包括可編程自動化控制器、可編程控制器。

相對于PLC硬件的固態(tài)化與顯性化，PLC軟件具備更靈活的柔性與更強(qiáng)的擴(kuò)展性，成為PLC產(chǎn)品功能實現(xiàn)與性能提升的關(guān)鍵載體，因此，PLC軟件質(zhì)量亦成為工業(yè)控制系統(tǒng)質(zhì)量與可靠性的關(guān)鍵。PLC軟件廣泛應(yīng)用于各類測試設(shè)備、實驗裝置、裝檢設(shè)備以及高端工藝裝備等，在自動化與智能化控制、安全性與可靠性等方面發(fā)揮著重要作用。

集成化裝檢設(shè)備離不開PLC軟件。實現(xiàn)裝檢自動化，包括實現(xiàn)傳感儀表信號檢測、流程自動控制、狀態(tài)監(jiān)控、應(yīng)急安全處理及報警等需要高質(zhì)量、高可靠性的PLC軟件。因此PLC軟件是實現(xiàn)裝檢自動化與智能化的保障，可以顯著提升產(chǎn)品質(zhì)量可靠性、提高應(yīng)急響應(yīng)能力和環(huán)境適應(yīng)能力、降低勞動強(qiáng)度和操作技能要求、減少人體危害風(fēng)險等。

面向超精密加工領(lǐng)域研發(fā)的高端工藝裝備，幾乎均涉及PLC控制，如金剛車系列機(jī)床、磁流變拋光系列機(jī)床、激光焊接機(jī)床等，實現(xiàn)電機(jī)與儀表驅(qū)動、人機(jī)交互、運(yùn)動控制、加工工藝過程控制、數(shù)據(jù)采集、通信及故障診斷等。

在高端工藝裝備中，PLC軟件作為控制系統(tǒng)的重要組成部分，從功能看， 它是實現(xiàn)運(yùn)動（協(xié)調(diào)）控制、開關(guān)量邏輯控制、工藝參數(shù)與工藝過程控制、數(shù)據(jù)處理及通信的重要載體；從性能看，它是實現(xiàn)高端工藝裝備安全性、可靠性的重要技術(shù)手段。

綜前所述，PLC軟件在當(dāng)前和未來均存在巨大的現(xiàn)實和潛在需求。相對于PLC軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，需要在PLC軟件管理方面與時俱進(jìn)。經(jīng)過分析，以下方面制約了PLC軟件的質(zhì)量與研發(fā)進(jìn)度。

①使用的PLC產(chǎn)品種類繁多，各PLC產(chǎn)品技術(shù)差異性大，包括平臺架構(gòu)方式、編程與測試方法等，導(dǎo)致PLC軟件設(shè)計差異性大，尚未結(jié)合本單位產(chǎn)品特點(diǎn)形成相應(yīng)的PLC軟件技術(shù)規(guī)范。

②PLC軟件開發(fā)人員分工不明確，設(shè)計、編碼與測試多由同一人承擔(dān)，軟件質(zhì)量與開發(fā)進(jìn)度無法保證，人員更替對項目研發(fā)和后期維護(hù)影響較大。

③PLC軟件開發(fā)過程活動、軟件相關(guān)開發(fā)文檔和軟件版本，未進(jìn)行有效管控，導(dǎo)致PLC軟件質(zhì)量與開發(fā)進(jìn)度成為項目發(fā)展的瓶頸之一。

④針對PLC軟件的測試平臺和測試手段較為欠缺，測試過程缺乏規(guī)范。

大量研究和實踐表明，軟件工程化是提高軟件開發(fā)質(zhì)量的必經(jīng)之路。中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所在軟件工程化管理方面開展了體系研究，于2015年11月通過GJB5000A二級正式評價，形成了軟件工程管理手冊、管理規(guī)范和技術(shù)規(guī)范，切實提高了本單位軟件工程化水平。

但本單位軟件工程化管理尚未涵蓋PLC軟件。有別于其他軟件，PLC軟件與硬件耦合度高，對硬件平臺依賴性大；PLC軟件驅(qū)動硬件單元，對系統(tǒng)綜合性能影響大；PLC軟件測試難度大，包括測試平臺的搭建、真實工況與異常工況的模擬等；PLC軟件涉及更多的接口，包括與機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣硬件、上位軟件及復(fù)雜的現(xiàn)場工況。因此，實施PLC軟件工程化，加強(qiáng)PLC軟件質(zhì)量控制，確保其有效推動提高PLC軟件質(zhì)量和開發(fā)進(jìn)度，需探索與PLC特點(diǎn)和本單位工業(yè)控制系統(tǒng)相適宜的管理辦法。

2 PLC軟件工程化管理調(diào)研

為探索PLC軟件工程化管理方法，我們對國內(nèi)相關(guān)單位的PLC軟件管理進(jìn)行了調(diào)研。根據(jù)調(diào)研初步情況，國內(nèi)還沒有單位將PLC軟件納入GJB5000A體系進(jìn)行管理，尚未針對PLC軟件形成工程體系化的管理方法和規(guī)范。一般均將PLC軟件納入電氣控制系統(tǒng)管理，存在與電氣硬件強(qiáng)耦合、開發(fā)角色分工不明確等帶來的一些問題，包括PLC軟件規(guī)格需求不清晰、開發(fā)過程無法有效跟蹤和控制、測試不規(guī)范、PLC軟件質(zhì)量對人的依賴性大等。但從調(diào)研單位的工程實踐看，有諸多可供加強(qiáng)PLC軟件質(zhì)量控制的有效手段。

機(jī)床廠專機(jī)的控制軟件，與本單位PLC軟件具有較大相似度。機(jī)床廠對專機(jī)在控制軟件界定及分類管理、設(shè)計原則和技術(shù)要求、評審與軟件驗證、軟件版本管理等方面，進(jìn)行了規(guī)范與要求。

同為下位控制的PLC軟件，可借鑒FPGA軟件管理。雖然FPGA軟件面向芯片級、側(cè)重時序邏輯，而PLC軟件面向控制系統(tǒng)集成，兩者在技術(shù)上差異性較大，但在管理方面具有較大的相似性。該院對FPGA軟件質(zhì)量進(jìn)行了有效的體系管理，形成了設(shè)計準(zhǔn)則及測試規(guī)范等，相關(guān)管理經(jīng)驗包括配置、需求、角色分配、評審與測試規(guī)范等方面，對于PLC軟件管理均是有益的參考。

重視軟件測試。PLC軟件測試，包括測試平臺的搭建和測試方法的構(gòu)建、PLC程序的執(zhí)行效率、PLC軟件的配置與移植、PLC軟件對硬件變化或性能衰減的適應(yīng)性、PLC軟件對控制系統(tǒng)總體的安全性和可靠性影響等內(nèi)容。從調(diào)研情況看，分階段（包括單元測試、接口測試、集成測試）、多方法（包括數(shù)字仿真、硬件在回路、形式化驗證等）測試是有益的，同時，編制測試規(guī)范、測試計劃及測試過程需要對相關(guān)控制軟硬件知識的深入認(rèn)識。

3 PLC軟件工程化管理初探

作為總裝備部組織國內(nèi)專家制定、用于指導(dǎo)軍用軟件研制機(jī)構(gòu)改善軟件過程和加強(qiáng)軟件開發(fā)過程控制與管理的標(biāo)準(zhǔn)，GJB5000A對提升軟件研制質(zhì)量和管理水平、實現(xiàn)軟件研制能力由基于個人的能力轉(zhuǎn)變?yōu)榻M織的能力，提供了科學(xué)管理理念和做法。本單位在高端工藝裝備多個軟件項目開發(fā)中推行GJB5000A，切實提升了上位控制軟件的研制質(zhì)量。鑒于國內(nèi)尚未將GJB5000A涵蓋PLC軟件管理的現(xiàn)狀，本單位PLC軟件管理遵循GJB5000A“服務(wù)于本單位組織目標(biāo)和質(zhì)量目標(biāo)、追求有效性和適用性，漸進(jìn)推進(jìn)”的思想，結(jié)合本單位PLC軟件和組織特點(diǎn)，對PLC軟件工程化管理進(jìn)行了初步探索與管理實踐。

基于本單位的軟件工程管理體系（QJZ53/54/55），結(jié)合本單位PLC軟件特點(diǎn)、PLC軟件研制管理基礎(chǔ)等，借鑒同行相關(guān)管理方法，形成適宜于本單位PLC軟件應(yīng)用需求、與研發(fā)人員能力和組織管理水平相匹配的PLC軟件研制管理要求，按此要求，在武器型號裝檢設(shè)備及高端工藝裝備項目中，推行PLC軟件工程化項目試點(diǎn)，通過項目實踐及時總結(jié)評價，在實踐中不斷提升人員的研發(fā)和管理能力、組織管理水平，并迭代完善PLC軟件研制管理要求，從而引導(dǎo)、促進(jìn)PLC軟件研制能力成熟度不斷進(jìn)步。

如前所述，將制約本單位當(dāng)前PLC軟件質(zhì)量和項目進(jìn)度的這些薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)置為重要環(huán)節(jié)和節(jié)點(diǎn)，納入質(zhì)量目標(biāo)加以規(guī)范管理，并基于GJB5000A本地化的軟件工程管理體系進(jìn)行裁剪簡化，形成PLC軟件研制管理要求，其流程：重點(diǎn)從項目開發(fā)的人員配置、過程重要節(jié)點(diǎn)管控和測試規(guī)范、文檔質(zhì)量等方面推進(jìn)PLC軟件工程化管理。

3.1 人員配置

改變設(shè)計、編碼與測試由同一人承擔(dān)的開發(fā)方式，軟件開發(fā)人員至少由2人構(gòu)成，包括需求與設(shè)計員、程序編碼員（根據(jù)目前人員情況，需求與設(shè)計員和程序編碼員可以由同一人承擔(dān)）、程序測試員。

軟件工程化總是關(guān)注過程，而過程的關(guān)鍵因素是人。針對當(dāng)前PLC研發(fā)人員不熟悉GJB5000A體系、而掌握GJB5000A的人員又不理解PLC技術(shù)的現(xiàn)況，一方面開展培訓(xùn)，提高專業(yè)技術(shù)人員在PLC技術(shù)及軟件工程化管理兩方面的知識儲備；另一方面，讓專業(yè)技術(shù)人員參與數(shù)項PLC軟件工程化試點(diǎn)項目，并交叉承擔(dān)開發(fā)人員、QA、CM、測試人員等不同角色，在過程實踐中理解各角色要求、發(fā)現(xiàn)問題、改進(jìn)方法、形成共識，進(jìn)而形成兩類人員相互匹配和相互促進(jìn)的持續(xù)改進(jìn)過程。

3.2 重視設(shè)計文檔，管控關(guān)鍵過程

加強(qiáng)并規(guī)范源頭設(shè)計，重視設(shè)計文檔，對關(guān)鍵過程活動進(jìn)行管控。重點(diǎn)對軟件研制任務(wù)書、軟件需求規(guī)格說明書、軟件設(shè)計說明書，進(jìn)行評審確保設(shè)計文檔質(zhì)量。評審?fù)ㄟ^后，才能進(jìn)行下環(huán)節(jié)，即根據(jù)軟件研制任務(wù)書、軟件需求規(guī)格說明，進(jìn)行軟件設(shè)計工作，形成軟件設(shè)計說明書、軟件測試計劃與說明書，指導(dǎo)軟件編碼設(shè)計和測試工作。

簡化文檔形式，強(qiáng)化文檔內(nèi)容，確保設(shè)計文檔能有效提升PLC軟件質(zhì)量和開發(fā)進(jìn)度。鑒于PLC軟件與子系統(tǒng)（包含機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣硬件和上位軟件）涉及多接口，重點(diǎn)要求對接口詳細(xì)分析和說明；要求以流程框圖對控制功能模塊的邏輯進(jìn)行說明。

3.3 以軟件測試推動PLC軟件工程化

規(guī)范并加強(qiáng)PLC軟件測試工作。PLC軟件測試包括單元測試和系統(tǒng)集成測試，由項目組內(nèi)部控制，測試前要求編制測試計劃與說明書，由程序測試員根據(jù)測試計劃與說明書，進(jìn)行測試、迭代優(yōu)化；測試后，編制軟件測試報告。測試過程中，除測試軟件研制任務(wù)書要求的功能與性能外，重點(diǎn)考察下位軟件對控制系統(tǒng)安全性、可靠性的防護(hù)和保障，考察程序的執(zhí)行效率和關(guān)鍵信號的實時響應(yīng)性。

3.4 加強(qiáng)軟件版本進(jìn)行控制管理

參照軟件工程管理手冊，對PLC軟件建立至少兩級受控庫，并進(jìn)行分級受控庫的配置管理。針對PLC涉及多接口及對系統(tǒng)影響直接，加強(qiáng)版本變更對影響域的詳細(xì)分析與說明。

4 小結(jié)

GJB5000A對軟件研制提供了一套科學(xué)管理理念和做法，這是一個結(jié)合單位實際實現(xiàn)軟件質(zhì)量持續(xù)優(yōu)化、不斷改進(jìn)的過程，對剛起步的PLC軟件工程化管理尤其如此。今后，將在GJB5000A體系涵蓋PLC軟件研制的基礎(chǔ)上，結(jié)合各試點(diǎn)項目反饋，持續(xù)優(yōu)化PLC軟件的管理活動，完善PLC軟件技術(shù)規(guī)范，切實加強(qiáng)PLC軟件質(zhì)量控制。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李志勇.PLC軟件工程化的管理實踐[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（4）：176.