基于DTECS平台的便捷调试技术研究

王成福　段录平　王超

摘 要：根据便捷调试系统的应用需求，介绍了一些目前常用的数据监视和调试方法。针对DTECS系统平台的技术特性，提出了调试系统便捷性的设计思路和方法，并对关键实现技术进行了详细阐述。

关键词：DTECS；PLC；便携调试；组态

中图分类号：TP393 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.150

DTECS（Distributed Train Electric Control System，分布式列车电子控制系统）是中车株洲所基于IEC61375列车通信网络（TCN）标准自主研发的一套分布式列车网络控制系统平台，如今已被广泛应用于城轨、干线机车和高速动车。随着DTECS平台各类车载控制设备在市场上的广泛应用，售后服务人员，机车、动车、城轨运用维修人员对数据监视与调试工具的便捷性需求，以及设计人员现场快速调试业务要求都在不断提升。开发一套统一、通用、可配置、图形化的便捷调试系统工具成为一个迫切的需求。

对设备数据进行监视和调试是一项传统需求，以往在这方面的开发主要是针对特定的设备或特定的应用项目，不同的应用项目由于有不同的数据格式和通信协议，导致上位机数据监视与调试工具软件的种类、版本较多。针对数据监视和调试业务，软件功能具有共性的需求，包括开关量/模拟量监视、故障状态查看、波形监视/回放、参数修改、程序更新等。另外，各车载控制系统，例如牵引控制、辅助控制、制动控制、门控等都通过WTB或MVB总线连接在TCN网络上。这些设备开放的数据都可以从TCN网络上获取得到。因此，DTECS系统为建立统一、便捷、通用性高的数据监视调试工具提供了很好的技术平台。

1 现状

目前，中车株洲所在数据监视与调试方面基于DTECS系统平台已经做了一些工作，取得了一定的成果。例如TCN网络管理及监视配置软件，基于TCN网络管理和消息数据机制实现了网络拓扑自动生成、端口变量监视和覆盖等功能。由于该软件是基于单一设备开发，通用性方面有一定的局限性。另一方面，许多TCN设备未提供消息数据能力。这也限制了该软件功能的发挥。

DTSTools工具软件作为TCN网络管理及监视配置软件的升级版，它集成了网络配置、网络编程开发、程序更新和网络调试四大块，涵盖了从设计、调试、售后维护各阶段的应用。其中，网络调试软件是专用于数据监视和调试的软件，采用OPC机制实现数据监视，利用平台层的通信服务接口实现了数据覆盖。该软件针对DTECS平台开发，不依赖于特定TCN设备，所以通用性较好，但在调试便捷性方面还有很大的提升空间。

国外在监视调试软件方面做得比较好的有西门子，西门子针对其SIBAS32控制系统提供了一整套监视、调试及诊断工具软件，例如Monitor、SIBAS-G、Expert2等。Monitor用于对控制系统实时监控；Expert2专用于故障诊断分析；SIBAS-G软件则根据设计、调试、维护3个阶段角色的不同，划分了开发版Development、调试版WorkBench和维护版Reader。每个工具软件都需要单独授权，而且每个软件只有在其他软件的配合下使用才能发挥最佳的效果。

庞巴迪的DCUTerm软件主要用于牵引控制单元（DCU）的调试，可以连接多个MITRAC目标系统，例如DCU、VCU等，支持模拟/逻辑信号状态查看、查看/修改参数和状态、模拟信号瞬时记录、程序更新、记录浏览等功能。该软件主要是基于命令行模式的调试方式，过于专业，可视化界面差，用户体验不够好。

本文主要基于DTECS系统平台的技术特性，对便捷调试系统的设计思路和关键技术进行重点研究和探讨。

2 DTECS设备软件分层结构

IEC61375-1标准中定义的MVB3类设备是指具有过程数据、消息数据和可编程能力，其显著特征是拥有大量端口且带有与应用相关的可编程控制器，支持用户编程。DTECS系统平台的大部分成员属于MVB3类及以上的设备，一个典型的MVB3类设备的软件分层结构如图1所示。

文献[5]对DTECS設备的软件分层作了详细介绍和说明。本文重点关注网络应用层和处于平台软件层的IEC标准PLC控制引擎。这2部分与上位机便捷调试系统的关系最密切。网络应用层主要有2类用户应用程序：①基于IEC标准PLC控制引擎开发的PLC程序。这类程序以用户任务的形式由PLC控制引擎负责调度执行，控制引擎负责执行PLC目标代码，I/O端口地址访问、全局或局部变量的地址分配和管理。②基于实时操作系统开发的嵌入式应用程序，由操作系统调度执行。

以往上位机的监视调试软件主要与网络应用层打交道，因网络应用层经常随应用项目的不同而变化，上位机软件也需要随之变化，难以保持监视调试软件的版本稳定和统一。这不符合平台化的设计思路。因此，本文提出的解决方案是基于相对稳定的平台层来开发，可以提高监视调试软件的稳定性和通用性，减少重复开发。

3 IEC标准的PLC控制引擎

通常意义上的PLC（Programmable Logic Controller）是指一种称为“可编程控制器”的电子装置，其工作原理可简单概括为读输入、执行PLC程序、写输出。IEC标准的PLC控制引擎是DTECS系统平台的重要组成部分，大部分网络应用层程序依赖于该控制引擎。作为符合IEC标准的PLC，它不依赖于任何特定的硬件设备，除了实现传统PLC的基本功能外，还增加了一些IEC标准定义的特性，例如允许为一个资源配置多个任务、对PLC程序的完全控制能力等。

针对多个实时任务，PLC控制引擎采用了优先级抢占的任务调度机制，任务调度优先级时序如图2所示。

从图2可以看出，上位机编程器以及监视调试所依赖的系统服务任务在任务序列里面优先级是较低的。这种优先级策略避免了上位机在数据监视、在线调试时影响PLC控制程序的正常执行。官方性能测试数据显示，使用Intel Pentium I 150 MHz的CPU处理1 000条IL指令的执行时间在24 μs左右。实际应用时，假设使用相同的CPU，有最多16个用户任务，每个任务有10万条的指令规模，那么可以估算出PLC执行完所有任务花费的时间约为40 ms。可见，PLC控制内核在满负荷运转下仍然具有较高的执行效率，一般情况下都能够满足上位机监视与调试的应用需求。

4 便捷调试系统

4.1 便捷性的设计需求

一个便捷的调试系统，除了能够满足作为监视调试工具应该具备的基本功能要求以外，例如对开关量/模拟量实时监视与记录、设备状态监控、波形监视、参数修改以及程序更新等功能，还应满足以下便捷性的应用需求：①图形化。基于拓扑图、功能框图、逻辑框图、原理图、波形图等形式的变量监视、覆盖和参数修改调试。这种直观的表现形式使用户不需要掌握太多专业知识，也可以轻松使用和操作调试工具，高效率地完成调试任务。②流程化。设计人员可根据调试大纲或型式试验大纲等技术文件来配置现场调试的内容和步骤。售后维护或现场调试人员根据设定的流程步骤完成现场调试操作，同时形成调试报告。③通用性。面向DTECS系统平台，而不针对特定的MVB设备、车型或应用项目。这样可以减少开发人员的重复劳动，又能保持调试工具版本的稳定和统一。④可配置。设计人员可以对各种图形化的监视调试界面以及调试流程进行配置的，实现调试工具的可配置功能是实现图形化、流程化和通用性等便捷性需求的前提。应用项目需求的不同直接影响网络应用层软件在数据结构、软件逻辑等方面的设计，所以如果便捷调试工具不能通过可配置来适应网络应用层的变化，那么无法实现通用性。

从软件实现的角度来说，上述几个需求关键的技术或难点在于可配置和隐含在通用性背后的与网络应用层无关的数据访问与调试接口技术2个方面。

4.2 设计思路

为了实现设计与现场调试业务分离，以及保护车载软件安全，有必要将调试工具划分为2个部分，即面向设计人员使用的支持图形化配置的调试配置工具，主要面向售后维护和业主使用的现场调试工具。

设计人员使用调试配置工具主要完成以下3个方面的配置工作：①可以配置系统某些量，参数可以对用户开放以及每个量和参数对应的I/O地址、数据类型、地址偏移等。②可以配置以功能框图、逻辑框图、原理图或电路图等为主要形式的数据逻辑关联关系。③配置调试流程。所有配置最终生成一个调试配置文件，设计人员将调试配置文件下载到DTECS设备中，以供现场调試用。

售后维护或现场调试人员通过现场调试工具连接到DTECS设备读取调试配置文件，现场调试工具根据调试配置文件还原设计人员配置的图形化界面、调试步骤等内容。这时，所有已配置项都是不可编辑的。现场调试工具就依据该调试配置文件进行数据监视、参数修改和调试。

当有实时故障诊断需求时，可以首先由设计层预先配置好故障诊断逻辑关系图，现场维护及调试人员可以依据该故障诊断逻辑反映出的关联关系进行跟踪监视和故障排查。这种方式明显能够有效地提高现场故障排查的效率。

在数据监视、覆盖等调试功能开发方面依托DTECS平台的PLC控制引擎对上位机开放的实时通信和调试接口，实现变量访问、参数覆盖、程序更新、PLC启动/复位/停止等功能。基于这套通信服务接口开发是便捷调试系统开发的最便捷途径，可实现与DTECS平台的完美结合，并且能够开发出像PLC应用开发工具一样强大的调试功能。

4.3 关键实现技术

4.3.1 组态编程技术

从软件编程角度来讲，组态主要涉及3个方面的编程技术，即面向对象、图形绘制和对现场总线协议的封装。面向对象编程，将所有组态元素封装为对象，并赋予不同的类别属性，并以图形化的形式展现。对于每一个与信号相关的对象，设计人员可配置变量的属性，诸如信号名、地址、偏移地址、数据类型、刷新频率等。每个组态对象内部都封装了图形绘制和渲染的过程，根据对象的不同类型、位置、大小等来绘制对象的图形。除了具有上述2个特征外，还需要封装一些标准的现场总线协议，实现简单的配置就能访问到现场数据，而不需要关注数据通信细节。

4.3.2 PLC实时通信技术

DTECS系统平台的PLC控制引擎为上位机PLC程序下载、数据访问、在线调试等提供了完备的通信接口，尤其是数据覆盖的调试接口，对实现便捷的调试起着非常重要的作用。PLC实时通信采用一问一答的方式，由上位机发起请求，下位机PLC返回数据。一个标准的实时通信协议帧格式如图3所示。

该协议涵盖了上位机与PLC实时通信的所有内容，上位机数据访问、数据覆盖、单步调试、程序更新、PLC复位/启动/停机等功能都依据该协议来完成。标准的协议帧的最大长度为1 428 bytes。超过这个上限时，需要分2次或更多次请求才能完成一次完整的数据请求，因此数据量越大，请求的次数越多，上位机数据更新的频率就会越慢。

4.3.3 分组请求策略

PLC一问一答的实时通信方式决定了上位机数据刷新频率取决于上位机请求的频率以及PLC对请求的响应速度。PLC的响应速度又受其任务规模以及任务扫描周期的影响，并且与请求的数据量成反比。即使使用配套的PLC应用开发工具做仿真调试，也会遇到同样的PLC响应迟钝的问题，因此有必要采用某种设计策略来克服这一问题，提高系统的实时性。

通常情况下，PLC任务的执行周期各不相同，变量值的更新频率也会不一样。基于这个特点，可以采用分组请求策略，即根据变量刷新频率划分几个不同的请求组，不同的组采用不同的请求频率，这样可以尽可能地把系统资源让给更新频率高的变量组，同时减少了每次请求的变量规模，PLC响应的速度就会更快，从而提高实时性。

设计人员使用调试配置工具进行配置时可设定变量的更新频率，现场调试工具再针对设置的变量频率进行分组。当变量没有设定更新频率时，则在实时通信过程中由现场调试软件自动估计判断变量的更新频率。比如上位机请求频率为10 ms，对于某个变量，它在5次请求的值没有变化，那么初步认定它的更新周期大于50 ms，然后它在50 ms的请求组里继续尝试。通过这种迭代试探的策略来自动估算一个监视变量的更新周期，最终所有监视量都会找到一个合适的组。

5 结束语

DTECS系统为数据监视与调试工具开发提供了非常强大的技术平台，其开放的通信服务接口为便捷调试系统的数据监视、调试功能的开发提供了一个便捷的途径。下一代基于以太网的列车通信网络，具有更高的宽带和传输速率，利用LLDP或SNMP协议可以轻松发现列车通信网络拓扑，进而实现从单个设备到全车设备的数据访问能力。那时，数据监视与调试工具也将更便捷。

参考文献

[1]刘群欣.TCN列车通信网络管理及监视配置软件的研究与实现[J].机车电传动，2010（3）.

[2]费巧玲，蔡海翔，刘鹏翔，等. DTECS列车网络应用开发平台软件的研究与实现[J].电力机车与城轨车辆，2014（1）.

[3]肖向前，吕劲松，朱翔.SIBAS-G软件在广州地铁3号线列车的维修应用[J].机车电传动，2009（1）.

[4]刘军，黄志武，刘群欣.基于Linux系统的MVB3类设备研究[J].机车电传动，2009（6）.

[5]肖家博，黎福海，杨卫峰，等.基于TCN的车辆控制单元（VCU）的研究与设计[J].机车电传动，2010（1）.

[6]林小峰，宋春宁，宋绍剑.基于IEC61131-3标准的控制系统及应用[M].北京：电子工业出版社，2007.

〔编辑：刘晓芳〕