电子设备冷却装置软件测试方法的研究

朱伟明

（海军驻上海江南造船(集团)有限责任公司军事代表室，上海 201913）

电子设备冷却装置软件测试方法的研究

朱伟明*

（海军驻上海江南造船(集团)有限责任公司军事代表室，上海 201913）

指出了电子设备冷却装置软件测试的重要性，分析了冷却装置软件测试的现状。从等价验证和测试方法两个方面，对电子设备冷却装置软件测试的适应性进行了研究。并对制冷行业软件测试未来的发展进行了评价和构想。

冷却装置；软件测试；等价验证；健壮性测试

0 引言

电子用冷却装置对保障电子设备正常工作和提升电子设备的可靠性具有非常重要的意义。电子用冷却装置失效直接导致重大电子设备性能降低、停机或烧毁。可靠性是电子用冷却装置重要性能参数，它由冷却装置机械及计算机控制两部分组成。本文重点论述冷却装置软件可靠性验证方法。

传统的软件测试理论不能直接用于机电产品的软件测试。为了保障重大电子设备的可靠运行，冷却装置软件测试的重要性日益突出。由于稳定性和可靠性的原因，可编程序控制器（PLC）器件在工业控制中得到了广泛的应用，其应用领域及机械控制、过程控制、运动控制等多个领域，极大地促进了工业自动化和智能化的发展[1]。

随着PLC逻辑控制器的广泛应用，PLC软件的规模和复杂度越来越高，而且基于安全性和可靠性考虑，PLC被应用于许多安全苛刻任务控制领域，如核电、航天和军工等，冷却装置也不例外。对PLC软件的质量控制带来了极大的挑战。目前PLC软件的测试技术还很不成熟，尚未建立权威的第三方测试机构。其软件可靠性还是人工代码走查，设备调试验收的方式对软件进行评估。

1 冷却装备软件测试的意义

电子用冷却装置控制软件的目标是提供合适的温度或湿度环境，保障电子设备安全可靠，任务可靠。随着电子冷却装置总制冷量增加，系统组成也复杂，冷却装置软件存在的一些实时运行错误不易被发现，现场调试不能满足产品初期的可靠性审查。交付后，因电子设备工况（工况是指动力设备在一定条件下的工作状况，即各个参数之间的相互关系）变化而发现控制软件错误的成本，是伴随着很大的安全性风险，直接降低电子设备任务可靠性。因此，冷却装置的软件测试重要性越来越重要。

因此，冷却装置软件测试的意义在于，保证交付的产品达到一定的质量标准。测试工程师利用测试工具按照测试方案和流程对装置进行功能和性能测试，根据需要编写不同的测试工具，设计和维护测试系统。

2 软件测试方法

为了做好冷却装置的质量控制工作，在实施成熟软件工程技术的基础上，冷却装置软件测试是其质量控制的一种有效手段。但PLC软件的特点之一是与特定的硬件环境紧密相关，且型号厂家繁杂造成编程语言和目标代码互不兼容。目前，PLC软件的测试方法主要有以下四种，即模拟仿真测试、硬件回路搭建测试、等价验证和健壮性测试。

2.1 模拟仿真测试

仿真软件的功能就是编写好的程序在电脑中虚拟运行，如果没有编好的程序，是无法进行仿真。如三菱 PLC仿真软件 GX Simulator，西门子S7-PLCSIM等。用户可以在集成开发环境中，一般做为收费软件产品对外发布，仅仅是提供用户开发、调试使用，不能达到软件测试的目的。一般对仿真软件进行二次开发，如实现PLCSIM模拟硬件平台与计算机通信。通过计算机软件访问虚拟硬件寄存器，监听虚拟硬件的输出。

2.2 硬件回路搭建建测试

硬件回路答建是以冷却装置 PLC程序软件为核心，搭建处围输入（IN）输出（IO）和模拟量输入（AIN）输出（AIO）的各种信号。根据冷却装置输入功能表与输出功能表进行测试。

由于这种测试是硬件搭建，其稳建性，需要外围硬件开发，针对性强。对于不同的冷却装置PLC软件测试成本较高，效率不高。其存在的意义是针对于单一的批量装置。

表1 测试输出表

2.3 等价验证

等价性检查（Equivalence Checking）是形式验证（Formal Verification）的一种，它的主要思想是通过使用形式证明的方式来验证一个设计的功能是否正确[2]。应用数学模型来对程序进行分析和验证的技术，用某种语言C或C++和逻辑构造程序的数学模型来证明程序的正确性。

该电子用冷却装置控制系统由西门子 S7-300 PLC为核心控制器，在自动控制方式下，有液冷和制冷二种工况。

PLC的工作原理是一个“顺序扫描、不断循环”的单线程循环过程，一个扫描周期完成内部处理、通信处理、输入刷新、程序执行和输出刷新五个工作阶段，如图1所示。西门子S7-300PLC总是执行OB1循环，在OB1执行过程中调用FC程序或中断插入。PLC程序扫描方式和扫描延迟直接影响等价到 Windows多任务环境下程序架构，针对OB1循环，一般使用多线程和细分时间片技术。如果没有很好理解PLC工作原理，可能会使等价程序丢包或数据延迟不实[3]。

图1 PLC程序扫描

定义框图程序如图2。

图2 PLC程序扫描等价框图

逻辑继电器输入输出梯形图转换如图3和图4所示。机电控制过程中，常使用上升沿信号，接通瞬间信号有效。S7-300PLC用 (P) 表示逻辑动作的触发条件是某个信号位变化时，该信号通常只保留在一个主程序运行周期。等价程序框图参考如图5。

图3 继电器梯形图

图4 继电器等价框图

图5 上升沿等价框图

2.4 冷却装置控制软件健壮性测试

冷却装置健壮性是指冷却装置控制软件对于规范要求以外的输入情况的处理能力。它不同于计算机系统的健壮性测试，计算机领域健壮性测试内容一般是指表2和表3所示。在20世纪70年代日本田口玄一[4]从质量工程的角度提出健壮设计这一概念以后，机械工程领域将健壮性的概念引入机械工程领域。

冷却装置控制软件健壮性测试应该建立在健壮性设计的基础上，冷却装置需求功能满足要求，不表示产品质量可靠。设计者可能往往因为任务紧迫而忽略健壮性设计，这样在交付后大大降低了电子设备的任务可靠性。

表2 计算机健壮性测试项目

表3 冷却装置健壮性测试输入条款

3 控制软件测试的未来发展

为了保障电子设备可靠稳定的工作，其冷却装置控制软件的性能验证日益突出，产品交付验收过程中，其可靠性和安全性编程准则落实和验证情况也成为使用方关注的焦点，见表4。

目前，针对冷却装置控制软件的测试工作开展较少，特别是对于如何评价软件是否达到规定的要求，没有明确的验证方法。其难点主要有两点：

1) 系统（专业）流程不了解。

2) 机电产品集开关量输入、输出和通讯等功能接口单元。控制单元多样化，软件规范多元化，规范不统一。

但随着机电控制由继电器迈进可编程控制器时代，软件越来越趋向大型化、软件质量问题逐步加剧，作为质量控制中的重要一环，软件验证工作日趋重要。同时，对机电某一行业的软件测试也是可行的。主要表现在如下两点：

1) 针对单一制冷专业，将测试的方向从面缩小到点，克服了测试人员缺少专业知识缺点，形成某机电产品或专业行业软件测试。

2) 根据IEC61131-3提出的软件模型[5]，为PLC体系统结构从单一的封闭系统提升为多CPU结构的开放式系统，并开发针对冷却专业转换软件，进而形成电子用冷却装置软件编写规范、评估准则等。

通过标准化、规范的出台，电子设备冷却系统第三方软件审查成为常态化。挖掘第三方软件测试市场。

表4 软件功能模块验证情况

4 结论

本文对电子用冷却装置软件测试的研究现状进行了分析，从等价验证和测试方法两个方面对电子用冷却装置软件测试的适应性进行了研究。同时，针对机电行业软件测试未来的发展进行了评价和构想。随着计算机科学技术的发展和行业标准的完善，相信该领域将来会得到进一步的发展。

[1]廖常初. S7-300/400 PLC应用技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.

[2]李光辉. 通用CPU设计验证中的等价性检验方法[M].北京: 科学出版社, 2005.

[3]SIEMENS. S7-300 自动化系统CPU31xC技术功能使用手册[M]. 北京: 西门子（中国）有限公司, 2003.

[4]林秀雄. 田口方法实战技术[M]. 深圳: 海天出版社, 2004.

[5]彭瑜. 工控编程语言国标标准 IEC61131-3及其影响[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.

Study of Software Testing Method of Cooling Device for Electron Equipment

ZHU Wei-ming*
(Representative Office of navy in Shanghai Jiangnan shipyard (Group) Co. Ltd., Shanghai 201913, China)

The importance of the software testing of cooling device for electron equipment was pointed out, and the research status on the software testing of cooling device was analyzed. From two aspects of equivalence verification and testing method, the adaptability of software testing of cooling device for electron equipment was investigated. The future development of the software testing of refrigeration industry was evaluated and conceived.

Cooling device; Software test; Equivalence verification; Robustness testing

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.206

*朱伟明（1972-），男，工程师，双学士。研究方向：船舶机电设备质量控制及船舶辅助系统结构设计。联系地址：上海市长兴岛长兴江南大道988号海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，邮编：201913。