PLC軟件工程化的管理實踐

黃明++陳華

摘 要：質(zhì)量是國家競爭力的核心要素，“質(zhì)量強國”已上升為國家戰(zhàn)略。對于武器裝備，質(zhì)量對提高軍隊戰(zhàn)斗力水平、維護國家安全利益意義重大?，F(xiàn)代武器裝備融合多學科技術(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。為了加強軟件研制過程管理，建立與產(chǎn)品特點相適應(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、測試配套依賴性大等特點的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 文獻標識碼： 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，推廣深化GJB5000A體系應(yīng)用，對PLC軟件工程化管理進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險，提高軟件的質(zhì)量和可靠性，增強軟件的可維護性。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的擴展性，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、降低勞動強度和操作技能要求、減少人體危害風險等。

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，如金剛車系列機床、磁流變拋光系列機床、激光焊接機床等，實現(xiàn)電機與儀表驅(qū)動、人機交互、運動控制、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。經(jīng)過分析，以下方面制約了PLC軟件的質(zhì)量與研發(fā)進度。

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，軟件質(zhì)量與開發(fā)進度無法保證，人員更替對項目研發(fā)和后期維護影響較大。

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，未進行有效管控，導(dǎo)致PLC軟件質(zhì)量與開發(fā)進度成為項目發(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)進度，需探索與PLC特點和本單位工業(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PLC軟件質(zhì)量控制的有效手段。

機床廠專機的控制軟件，與本單位PLC軟件具有較大相似度。機床廠對專機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)量進行了有效的體系管理，形成了設(shè)計準則及測試規(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)軍用軟件研制機構(gòu)改善軟件過程和加強軟件開發(fā)過程控制與管理的標準，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)于本單位組織目標和質(zhì)量目標、追求有效性和適用性，漸進推進”的思想，結(jié)合本單位PLC軟件和組織特點，對PLC軟件工程化管理進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、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，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PLC軟件研制能力成熟度不斷進步。

如前所述，將制約本單位當前PLC軟件質(zhì)量和項目進度的這些薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)置為重要環(huán)節(jié)和節(jié)點，納入質(zhì)量目標加以規(guī)范管理，并基于GJB5000A本地化的軟件工程管理體系進行裁剪簡化，形成PLC軟件研制管理要求，其流程：重點從項目開發(fā)的人員配置、過程重要節(jié)點管控和測試規(guī)范、文檔質(zhì)量等方面推進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）、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，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軟件工程化試點項目，并交叉承擔開發(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、改進方法、形成共識，進而形成兩類人員相互匹配和相互促進的持續(xù)改進過程。

3.2 重視設(shè)計文檔，管控關(guān)鍵過程

加強并規(guī)范源頭設(shè)計，重視設(shè)計文檔，對關(guān)鍵過程活動進行管控。重點對軟件研制任務(wù)書、軟件需求規(guī)格說明書、軟件設(shè)計說明書，進行評審確保設(shè)計文檔質(zhì)量。評審?fù)ㄟ^后，才能進行下環(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)進度。鑒于PLC軟件與子系統(tǒng)（包含機械結(jié)構(gòu)、電氣硬件和上位軟件）涉及多接口，重點要求對接口詳細分析和說明；要求以流程框圖對控制功能模塊的邏輯進行說明。

3.3 以軟件測試推動PLC軟件工程化

規(guī)范并加強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，重點考察下位軟件對控制系統(tǒng)安全性、可靠性的防護和保障，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 加強軟件版本進行控制管理

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，加強版本變更對影響域的詳細分析與說明。

4 小結(jié)

GJB5000A對軟件研制提供了一套科學管理理念和做法，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PLC軟件質(zhì)量控制。

參 考 文 獻

[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.