PLC軟件工程化在高端工藝裝備研制中的應(yīng)用初探

黃明+陳華

[摘 要] 由于高端工藝裝備具有專(zhuān)機(jī)低量產(chǎn)、高性能要求、應(yīng)用場(chǎng)景特殊等特點(diǎn)，同時(shí)PLC軟件與硬件強(qiáng)耦合、對(duì)測(cè)試配套依賴(lài)性強(qiáng)，傳統(tǒng)的軟件工程化方法及規(guī)范難以直接應(yīng)用并匹配于高端工藝裝備中PLC軟件的研發(fā)與管理。針對(duì)PLC軟件研發(fā)特點(diǎn)，結(jié)合軍用軟件研制能力成熟度模型（GJB5000A-2008）的本地化，提出了高端工藝裝備研制中PLC軟件的工程化管理建議。

[關(guān)鍵詞] 軟件；工程化；工藝裝備；應(yīng)用

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2016. 23. 083

[中圖分類(lèi)號(hào)] TP311 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2016）23- 0157- 03

0 引 言

高端工藝裝備制造是整個(gè)裝備制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要引擎，已成為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐。作為高端裝備制造業(yè)的重要載體之一，高端工藝裝備的研發(fā)已成為重要內(nèi)容。軟件作為一種邏輯實(shí)體，具有抽象性、嚴(yán)密性、智力性、持久性、依賴(lài)性、復(fù)雜性、難以度量、易出錯(cuò)、必須維護(hù)和成本昂貴等顯著特點(diǎn)[1]。因此，在一定的時(shí)間和成本控制內(nèi)開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足質(zhì)量要求的軟件是一項(xiàng)復(fù)雜的工程。軍用軟件研制能力成熟度模型（GJB5000A-2008）是軟件研制過(guò)程管理和開(kāi)發(fā)活動(dòng)控制的系統(tǒng)方法[2]。該模型從軟件研制生命周期的角度依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)專(zhuān)家評(píng)審、工具或方法的支撐對(duì)軟件開(kāi)發(fā)活動(dòng)和產(chǎn)出物進(jìn)行審查和管理，為軟件研制過(guò)程的質(zhì)量控制提供了指南，并為軟件過(guò)程能力評(píng)估提供了依據(jù)[3]。

PLC（可編程邏輯控制器）作為高端裝備制造業(yè)中控制終端的靈魂，其邏輯控制流程具備典型的軟件特征。由于目前尚未有針對(duì)PLC軟件的工程化管理方法與規(guī)范，無(wú)法指導(dǎo)開(kāi)發(fā)者管控關(guān)鍵性過(guò)程活動(dòng)和文檔質(zhì)量，亟需結(jié)合GJB5000A的要求，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、體系化的質(zhì)量管理手段推進(jìn)高端工藝裝備的研制進(jìn)度與質(zhì)量保障工作。

1 高端工藝裝備中的PLC技術(shù)

1.1 PLC技術(shù)概述

PLC是一種采用一類(lèi)可編程的存儲(chǔ)器，用于執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，基本構(gòu)成有：電源、中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊。當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶(hù)程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱(chēng)作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。

1.2 PLC技術(shù)在高端工藝裝備的應(yīng)用需求

隨著近年來(lái)我國(guó)先進(jìn)制造業(yè)的迅速發(fā)展，PLC作為先進(jìn)信息化控制技術(shù)，將越來(lái)越多地深入滲透到各行各業(yè)的生產(chǎn)加工中，為推動(dòng)我國(guó)工業(yè)制造的進(jìn)一步發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。PLC技術(shù)作為工控設(shè)備的一員，在主要工業(yè)國(guó)家中成為自動(dòng)化系統(tǒng)的基本電控裝置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、體積小、價(jià)格適宜等特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今世界PLC生產(chǎn)廠家約150余家，生產(chǎn)300多個(gè)品種。占工控機(jī)市場(chǎng)份額的50%，PLC技術(shù)將在工控機(jī)市場(chǎng)中占有主要地位，并保持繼續(xù)上升的勢(shì)頭。

2 PLC軟件工程化

2.1 PLC軟件研制過(guò)程的現(xiàn)狀

工業(yè)PLC程序的模塊化早有體現(xiàn)，例如在西門(mén)子開(kāi)發(fā)PLC程序軟件時(shí)，就已經(jīng)制作過(guò)一些小的功能塊[4]。在編程過(guò)程中應(yīng)用這些功能塊，會(huì)使整個(gè)程序變得簡(jiǎn)單且更有條理性和實(shí)用性。

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的飛速發(fā)展，更多先進(jìn)的控制理論和控制方法應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展中，西門(mén)子編程軟件中的小功能塊已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足技術(shù)成熟的大規(guī)模工業(yè)PLC程序模塊化需求，需要更全面的提升模塊化功能，也就是說(shuō)需要將軟件開(kāi)發(fā)工程化。工程化的PLC程序?qū)⑹拐麄€(gè)程序更為簡(jiǎn)單，程序編寫(xiě)和修改也方便，并且增強(qiáng)可讀性和實(shí)用性。

2.2 PLC軟件研制過(guò)程改進(jìn)的必要性

由于PLC軟件質(zhì)量控制方法不同于硬件，一些基于生產(chǎn)的成熟的質(zhì)量控制方法并不適用于軟件開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致PLC軟件質(zhì)量控制過(guò)程不規(guī)范，開(kāi)發(fā)成本高，軟件返工率高。大量事例說(shuō)明，PLC軟件的質(zhì)量與可靠性已經(jīng)成為裝備質(zhì)量與可靠性的瓶頸。軟件過(guò)程改進(jìn)是軟件工程化的主要策略和指導(dǎo)思想，是提高軟件開(kāi)發(fā)水平的必經(jīng)之路。研究和實(shí)踐都表明，持續(xù)的軟件過(guò)程改進(jìn)不僅能減低開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，更能降低軟件研制的風(fēng)險(xiǎn)，提高軟件的質(zhì)量和可靠性，增強(qiáng)軟件的可維護(hù)性。GJB5000A作為國(guó)家對(duì)軍用軟件研制機(jī)構(gòu)的要求，提供了一條軍用軟件研制組織持續(xù)不斷改進(jìn)自身軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程的途徑，從而提高軟件的質(zhì)量和可靠性。

2.3 基于GJB5000A-2008的PLC軟件工程化管理

2.3.1 研究基于GJB5000A-2008二級(jí)的PLC軟件工程化體系框架

由于GJB5000A-2008是從CMM演變而來(lái)，因此標(biāo)準(zhǔn)僅僅定義了實(shí)施的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于實(shí)施過(guò)程和具體方法具有較大的個(gè)體特性和行業(yè)特征。對(duì)軍用CMM的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組織級(jí)別的裁剪，形成適合PLC軟件特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行推廣，是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程；將涉及自上而下的對(duì)PLC軟件現(xiàn)有流程和軟件過(guò)程的調(diào)整。

2.3.2 面向PLC軟件的過(guò)程改進(jìn)本地化實(shí)踐研究

本文將根據(jù)GJB5000A-2008二級(jí)的實(shí)施過(guò)程，詳細(xì)闡述軟件過(guò)程改進(jìn)的一個(gè)具體改進(jìn)方法，包括：項(xiàng)目策劃、需求管理、配置管理、項(xiàng)目監(jiān)督和控制、測(cè)量與分析、過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量保證的關(guān)鍵域的主要活動(dòng)進(jìn)行描述。

2.3.2.1 建立過(guò)程體系文件

過(guò)程體系文件就是一套規(guī)程和文件的組合，它用來(lái)指導(dǎo)項(xiàng)目組具體開(kāi)展過(guò)程改進(jìn)工作，是具體的過(guò)程程序，有詳細(xì)的方法和規(guī)則，在制定過(guò)程體系文件的過(guò)程中，編寫(xiě)組要依據(jù)組織實(shí)際情況，搜集整理已有的過(guò)程和活動(dòng)，將過(guò)程改進(jìn)與組織實(shí)際相結(jié)合，從而生成邏輯清楚、通俗易懂和操作性強(qiáng)的過(guò)程體系文件。

2.3.2.2 項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程

（1）項(xiàng)目策劃。項(xiàng)目策劃過(guò)程主要開(kāi)展工作包括：確定項(xiàng)目的組織結(jié)構(gòu)和人員；建立項(xiàng)目的范圍；對(duì)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)工作分解；開(kāi)展估計(jì)工作，估計(jì)范圍，規(guī)模，工作量，成本以及進(jìn)度，制定培訓(xùn)計(jì)劃，標(biāo)識(shí)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，制定數(shù)據(jù)管理計(jì)劃，相關(guān)利益方參加的計(jì)劃；編寫(xiě)和評(píng)審項(xiàng)目開(kāi)發(fā)計(jì)劃。

（2）需求管理。項(xiàng)目組在需求管理過(guò)程域中實(shí)施的主要工作是需求規(guī)格說(shuō)明、對(duì)需求的評(píng)審以及需求跟蹤和需求變更的控制與管理。

（3）配置管理。軟件配置管理過(guò)程由九個(gè)活動(dòng)組成：創(chuàng)建和維護(hù)項(xiàng)目SCM計(jì)劃、創(chuàng)建配置管理環(huán)境、執(zhí)行配置標(biāo)識(shí)、版本控制、管理基線和發(fā)布、變更控制管理、執(zhí)行配置狀態(tài)統(tǒng)計(jì)、執(zhí)行配置審核、歸檔SCM記錄。

（4）項(xiàng)目監(jiān)督和控制。項(xiàng)目監(jiān)督和控制的目的是能夠隨時(shí)掌握軟件項(xiàng)目的實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程，使得當(dāng)軟件項(xiàng)目的執(zhí)行與軟件開(kāi)發(fā)計(jì)劃相背離時(shí)，管理部門(mén)能夠采取有效的措施。項(xiàng)目監(jiān)督和控制以書(shū)面的估計(jì)、承諾和計(jì)劃為依據(jù)，對(duì)軟件完成進(jìn)度和結(jié)果進(jìn)行跟蹤和評(píng)審，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整計(jì)劃。

（5）測(cè)量與分析。項(xiàng)目組在測(cè)量與分析過(guò)程域所作的工作主要是在項(xiàng)目開(kāi)始之初，確定測(cè)量項(xiàng)，編寫(xiě)一份軟件項(xiàng)目測(cè)量分析計(jì)劃，之后各數(shù)據(jù)提供者在規(guī)定的時(shí)間和活動(dòng)中提供數(shù)據(jù)，定時(shí)匯總測(cè)量數(shù)據(jù)，并將初步結(jié)果記錄在測(cè)量分析報(bào)告中，在里程碑評(píng)審時(shí)，提交測(cè)量分析報(bào)告供會(huì)議討論和評(píng)審。并每月收集數(shù)據(jù)，填寫(xiě)測(cè)量分析表，報(bào)送中層驗(yàn)證。

（6）過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量保證。軟件質(zhì)量保證包括評(píng)審和審核軟件產(chǎn)品及其活動(dòng)，以驗(yàn)證其與適用的規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)是否符合，并向軟件項(xiàng)目和其他相關(guān)負(fù)責(zé)人提供軟件質(zhì)量保證評(píng)審和審核結(jié)果。它提供一種有效的人員組織形式和管理方法，通過(guò)客觀地檢查和監(jiān)控“過(guò)程質(zhì)量”與“產(chǎn)品質(zhì)量”，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)地改進(jìn)質(zhì)量。它主要致力于保障質(zhì)量要求得到滿(mǎn)足的信任度，是一種有計(jì)劃的、貫穿于整個(gè)產(chǎn)品生命周期的質(zhì)量管理方法，與各個(gè)軟件基本過(guò)程和工作產(chǎn)品都相關(guān)。

2.3.2.3 持續(xù)改進(jìn)

軟件過(guò)程改進(jìn)是持續(xù)不斷的，不但體系文件是一個(gè)不斷改進(jìn)的過(guò)程，就實(shí)施本身來(lái)說(shuō)，各具體軟件項(xiàng)目組的實(shí)施過(guò)程也是一個(gè)反復(fù)改進(jìn)的過(guò)程。體系文件在交給各試點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)施后會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，從而需要改善，因此體系文件要改進(jìn)。

3 PLC軟件工程化應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 模型設(shè)計(jì)

PLC軟件除了具備一般軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程的特點(diǎn)之外，還有自身的研制特點(diǎn)，具體包括：軟件類(lèi)型多、研制特點(diǎn)多樣化；軟件數(shù)量多、單個(gè)軟件規(guī)模不大；軟件質(zhì)量要求高；軟件開(kāi)發(fā)周期短且進(jìn)度不受控。本文借鑒GJB5000A-2008相關(guān)要求，對(duì)PLC軟件研制過(guò)程進(jìn)行了本地化改造和應(yīng)用示范。

由于GJB5000A-2008只是一個(gè)過(guò)程框架，不是一個(gè)過(guò)程程序，為了保證軍工生產(chǎn)按照任務(wù)書(shū)的要求正常、有序的進(jìn)行，必須對(duì)該過(guò)程實(shí)現(xiàn)改進(jìn)。研究人員為PLC軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程設(shè)計(jì)了重疊瀑布模型，旨在對(duì)軟件生命周期各關(guān)鍵階段的產(chǎn)品組織評(píng)審、測(cè)試甚至驗(yàn)證工作，從保證PLC軟件在每一個(gè)階段都是“正確的”角度，確保最終的PLC產(chǎn)品是“正確的”。

因?yàn)镻LC軟件屬于硬件編程語(yǔ)言，其不僅僅有軟件，還有硬件。因此，開(kāi)始階段，有一個(gè)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)階段，用來(lái)規(guī)劃該系統(tǒng)需求。該項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中，除了配置管理過(guò)程域采用了配置管理軟件外，其他過(guò)程域都是使用軟件質(zhì)量管理人員常用的文檔工具人工維護(hù)。

3.2 組織實(shí)施

在具體組織實(shí)施過(guò)程中，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的PLC軟件研制過(guò)程質(zhì)量管理與評(píng)估表。該表對(duì)器件模塊的選擇控制、PLC研制流程執(zhí)行情況、PLC軟件生命周期各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的檢查、測(cè)試驗(yàn)證情況等4類(lèi)問(wèn)題，提出了17項(xiàng)共29條面向軍工高端工藝裝備中PLC軟件研制過(guò)程的具體要求和評(píng)估準(zhǔn)則。

在實(shí)際操作過(guò)程中，PLC軟件研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要在“軟件工程過(guò)程組”的監(jiān)督和管理，同時(shí)“軟件質(zhì)量保證組”負(fù)責(zé)組織專(zhuān)家對(duì)PLC軟件研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)檢查，并針對(duì)各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行質(zhì)詢(xún)并要求提供相關(guān)證據(jù)和理由。專(zhuān)家根據(jù)質(zhì)詢(xún)結(jié)果，依據(jù)評(píng)估準(zhǔn)則的權(quán)重（A到C權(quán)重依次降低），對(duì)目標(biāo)軟件研制情況進(jìn)行總體評(píng)估并出具整改意見(jiàn)。研制團(tuán)隊(duì)需要在一定時(shí)間內(nèi)根據(jù)專(zhuān)家的整改意見(jiàn)進(jìn)行問(wèn)題的回歸，并上報(bào)質(zhì)量管理人員進(jìn)行再評(píng)估，直到達(dá)到軟件出廠標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié) 論

在實(shí)際的項(xiàng)目領(lǐng)域，技術(shù)問(wèn)題往往已經(jīng)不是主要問(wèn)題，管理問(wèn)題才是關(guān)鍵問(wèn)題。特別是在PLC軟件領(lǐng)域，采用的很多技術(shù)都是成熟的或者是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)，因此管理問(wèn)題對(duì)項(xiàng)目的成敗顯得尤為重要。GJB5000A-2008認(rèn)證是軍工企業(yè)獲取研制許可的資格認(rèn)證。本文針對(duì)PLC軟件研發(fā)特點(diǎn)，結(jié)合GJB5000A-2008的本地化提出了高端工藝裝備研制中PLC軟件的工程化管理方法與規(guī)范，有效促進(jìn)了PLC軟件企業(yè)進(jìn)行軟件過(guò)程改進(jìn)，使項(xiàng)目研制由作坊式變得更加規(guī)范，能夠在成本可控且一定時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出可靠的PLC軟件產(chǎn)品。同時(shí)對(duì)軍工企業(yè)推進(jìn)GJB5000A-2008二級(jí)體系建設(shè)，以及向三級(jí)體系發(fā)展具有借鑒作用。

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