PLC软件工程化在高端工艺装备研制中的应用初探

黄明+陈华

[摘 要] 由于高端工艺装备具有专机低量产、高性能要求、应用场景特殊等特点，同时PLC软件与硬件强耦合、对测试配套依赖性强，传统的软件工程化方法及规范难以直接应用并匹配于高端工艺装备中PLC软件的研发与管理。针对PLC软件研发特点，结合军用软件研制能力成熟度模型（GJB5000A-2008）的本地化，提出了高端工艺装备研制中PLC软件的工程化管理建议。

[关键词] 软件；工程化；工艺装备；应用

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

[中图分类号] TP311 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2016）23- 0157- 03

0 引 言

高端工艺装备制造是整个装备制造产业升级的重要引擎，已成为战略性新兴产业发展的重要支撑。作为高端装备制造业的重要载体之一，高端工艺装备的研发已成为重要内容。软件作为一种逻辑实体，具有抽象性、严密性、智力性、持久性、依赖性、复杂性、难以度量、易出错、必须维护和成本昂贵等显著特点[1]。因此，在一定的时间和成本控制内开发出满足质量要求的软件是一项复杂的工程。军用软件研制能力成熟度模型（GJB5000A-2008）是软件研制过程管理和开发活动控制的系统方法[2]。该模型从软件研制生命周期的角度依照相关标准，通过专家评审、工具或方法的支撑对软件开发活动和产出物进行审查和管理，为软件研制过程的质量控制提供了指南，并为软件过程能力评估提供了依据[3]。

PLC（可编程逻辑控制器）作为高端装备制造业中控制终端的灵魂，其逻辑控制流程具备典型的软件特征。由于目前尚未有针对PLC软件的工程化管理方法与规范，无法指导开发者管控关键性过程活动和文档质量，亟需结合GJB5000A的要求，通过标准化、体系化的质量管理手段推进高端工艺装备的研制进度与质量保障工作。

1 高端工艺装备中的PLC技术

1.1 PLC技术概述

PLC是一种采用一类可编程的存储器，用于执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成有：电源、中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块。当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1.2 PLC技术在高端工艺装备的应用需求

随着近年来我国先进制造业的迅速发展，PLC作为先进信息化控制技术，将越来越多地深入渗透到各行各业的生产加工中，为推动我国工业制造的进一步发展做出应有的贡献。PLC技术作为工控设备的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。据统计，当今世界PLC生产厂家约150余家，生产300多个品种。占工控机市场份额的50%，PLC技术将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。

2 PLC软件工程化

2.1 PLC软件研制过程的现状

工业PLC程序的模块化早有体现，例如在西门子开发PLC程序软件时，就已经制作过一些小的功能块[4]。在编程过程中应用这些功能块，会使整个程序变得简单且更有条理性和实用性。

随着工业自动化水平的飞速发展，更多先进的控制理论和控制方法应用到工业自动化发展中，西门子编程软件中的小功能块已经无法满足技术成熟的大规模工业PLC程序模块化需求，需要更全面的提升模块化功能，也就是说需要将软件开发工程化。工程化的PLC程序将使整个程序更为简单，程序编写和修改也方便，并且增强可读性和实用性。

2.2 PLC软件研制过程改进的必要性

由于PLC软件质量控制方法不同于硬件，一些基于生产的成熟的质量控制方法并不适用于软件开发，导致PLC软件质量控制过程不规范，开发成本高，软件返工率高。大量事例说明，PLC软件的质量与可靠性已经成为装备质量与可靠性的瓶颈。软件过程改进是软件工程化的主要策略和指导思想，是提高软件开发水平的必经之路。研究和实践都表明，持续的软件过程改进不仅能减低开发成本，缩短开发周期，更能降低软件研制的风险，提高软件的质量和可靠性，增强软件的可维护性。GJB5000A作为国家对军用软件研制机构的要求，提供了一条军用软件研制组织持续不断改进自身软件开发过程的途径，从而提高软件的质量和可靠性。

2.3 基于GJB5000A-2008的PLC软件工程化管理

2.3.1 研究基于GJB5000A-2008二级的PLC软件工程化体系框架

由于GJB5000A-2008是从CMM演变而来，因此标准仅仅定义了实施的结果标准，对于实施过程和具体方法具有较大的个体特性和行业特征。对军用CMM的二级标准进行组织级别的裁剪，形成适合PLC软件特点的标准并进行推广，是一个非常复杂的过程；将涉及自上而下的对PLC软件现有流程和软件过程的调整。

2.3.2 面向PLC软件的过程改进本地化实践研究

本文将根据GJB5000A-2008二级的实施过程，详细阐述软件过程改进的一个具体改进方法，包括：项目策划、需求管理、配置管理、项目监督和控制、测量与分析、过程和产品质量保证的关键域的主要活动进行描述。

2.3.2.1 建立过程体系文件

过程体系文件就是一套规程和文件的组合，它用来指导项目组具体开展过程改进工作，是具体的过程程序，有详细的方法和规则，在制定过程体系文件的过程中，编写组要依据组织实际情况，搜集整理已有的过程和活动，将过程改进与组织实际相结合，从而生成逻辑清楚、通俗易懂和操作性强的过程体系文件。

2.3.2.2 项目实施过程

（1）项目策划。项目策划过程主要开展工作包括：确定项目的组织结构和人员；建立项目的范围；对项目实现工作分解；开展估计工作，估计范围，规模，工作量，成本以及进度，制定培训计划，标识项目风险，制定数据管理计划，相关利益方参加的计划；编写和评审项目开发计划。

（2）需求管理。项目组在需求管理过程域中实施的主要工作是需求规格说明、对需求的评审以及需求跟踪和需求变更的控制与管理。

（3）配置管理。软件配置管理过程由九个活动组成：创建和维护项目SCM计划、创建配置管理环境、执行配置标识、版本控制、管理基线和发布、变更控制管理、执行配置状态统计、执行配置审核、归档SCM记录。

（4）项目监督和控制。项目监督和控制的目的是能够随时掌握软件项目的实际开发过程，使得当软件项目的执行与软件开发计划相背离时，管理部门能够采取有效的措施。项目监督和控制以书面的估计、承诺和计划为依据，对软件完成进度和结果进行跟踪和评审，并根据实际情况调整计划。

（5）测量与分析。项目组在测量与分析过程域所作的工作主要是在项目开始之初，确定测量项，编写一份软件项目测量分析计划，之后各数据提供者在规定的时间和活动中提供数据，定时汇总测量数据，并将初步结果记录在测量分析报告中，在里程碑评审时，提交测量分析报告供会议讨论和评审。并每月收集数据，填写测量分析表，报送中层验证。

（6）过程和产品质量保证。软件质量保证包括评审和审核软件产品及其活动，以验证其与适用的规程和标准是否符合，并向软件项目和其他相关负责人提供软件质量保证评审和审核结果。它提供一种有效的人员组织形式和管理方法，通过客观地检查和监控“过程质量”与“产品质量”，从而实现持续地改进质量。它主要致力于保障质量要求得到满足的信任度，是一种有计划的、贯穿于整个产品生命周期的质量管理方法，与各个软件基本过程和工作产品都相关。

2.3.2.3 持续改进

软件过程改进是持续不断的，不但体系文件是一个不断改进的过程，就实施本身来说，各具体软件项目组的实施过程也是一个反复改进的过程。体系文件在交给各试点项目实施后会发现一些问题，从而需要改善，因此体系文件要改进。

3 PLC软件工程化应用实例分析

3.1 模型设计

PLC软件除了具备一般软件开发过程的特点之外，还有自身的研制特点，具体包括：软件类型多、研制特点多样化；软件数量多、单个软件规模不大；软件质量要求高；软件开发周期短且进度不受控。本文借鉴GJB5000A-2008相关要求，对PLC软件研制过程进行了本地化改造和应用示范。

由于GJB5000A-2008只是一个过程框架，不是一个过程程序，为了保证军工生产按照任务书的要求正常、有序的进行，必须对该过程实现改进。研究人员为PLC软件开发过程设计了重叠瀑布模型，旨在对软件生命周期各关键阶段的产品组织评审、测试甚至验证工作，从保证PLC软件在每一个阶段都是“正确的”角度，确保最终的PLC产品是“正确的”。

因为PLC软件属于硬件编程语言，其不仅仅有软件，还有硬件。因此，开始阶段，有一个系统分析与设计阶段，用来规划该系统需求。该项目在实施过程中，除了配置管理过程域采用了配置管理软件外，其他过程域都是使用软件质量管理人员常用的文档工具人工维护。

3.2 组织实施

在具体组织实施过程中，设计了专门的PLC软件研制过程质量管理与评估表。该表对器件模块的选择控制、PLC研制流程执行情况、PLC软件生命周期各关键节点的检查、测试验证情况等4类问题，提出了17项共29条面向军工高端工艺装备中PLC软件研制过程的具体要求和评估准则。

在实际操作过程中，PLC软件研发团队需要在“软件工程过程组”的监督和管理，同时“软件质量保证组”负责组织专家对PLC软件研发团队开展现场检查，并针对各项内容进行质询并要求提供相关证据和理由。专家根据质询结果，依据评估准则的权重（A到C权重依次降低），对目标软件研制情况进行总体评估并出具整改意见。研制团队需要在一定时间内根据专家的整改意见进行问题的回归，并上报质量管理人员进行再评估，直到达到软件出厂标准的要求。

4 结 论

在实际的项目领域，技术问题往往已经不是主要问题，管理问题才是关键问题。特别是在PLC软件领域，采用的很多技术都是成熟的或者是经过验证的技术，因此管理问题对项目的成败显得尤为重要。GJB5000A-2008认证是军工企业获取研制许可的资格认证。本文针对PLC软件研发特点，结合GJB5000A-2008的本地化提出了高端工艺装备研制中PLC软件的工程化管理方法与规范，有效促进了PLC软件企业进行软件过程改进，使项目研制由作坊式变得更加规范，能够在成本可控且一定时间内生产出可靠的PLC软件产品。同时对军工企业推进GJB5000A-2008二级体系建设，以及向三级体系发展具有借鉴作用。

主要参考文献

[1]姚世全.信息系统工程监理基础教程[M].北京：中国标准出版社，2006.

[2]石柱，杨紫千，苏晓丹，等.军用软件能力成熟度模型及其应用[J]. 航天标准化，2003（5）：18-24.

[3]漆汉宏.PLC电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，2012.