基于SCADE和梯形圖的可視化聯(lián)鎖邏輯實(shí)現(xiàn)方法

王 東 崔佳諾

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

為確保聯(lián)鎖系統(tǒng)功能的正確性和的安全性，需要清晰、準(zhǔn)確地表述計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖軟件中實(shí)現(xiàn)的聯(lián)鎖邏輯關(guān)系。不正確的、含糊的、有歧義的表述方式，將在業(yè)主、工程技術(shù)人員和聯(lián)鎖軟件開(kāi)發(fā)人員之間的造成誤解的可能，從而危及系統(tǒng)的安全性。常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖軟件實(shí)現(xiàn)方式有兩種[1]，一種是根據(jù)6502電氣集中聯(lián)鎖系統(tǒng)的繼電聯(lián)鎖電路，分別寫出每個(gè)繼電器電路的布爾邏輯表達(dá)式，用計(jì)算機(jī)軟件模擬每個(gè)繼電器的動(dòng)作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖功能；另一種是根據(jù)聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算功能。以上兩種方法，都需要程序員通過(guò)文本編輯器手動(dòng)編寫源代碼。因此，對(duì)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言并不十分熟悉的工程技術(shù)人員和業(yè)主將很難直接通過(guò)源代碼看懂系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的聯(lián)鎖關(guān)系，進(jìn)而需要通過(guò)程序員手繪的圖表或者借助于第三方工具才能以間接的方式進(jìn)行解，增加人為轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，為系統(tǒng)安全埋下隱患。

為使計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖軟件實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖邏輯功能圖形化、可視化，本文首先建立一套基于高安全性應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境（Safety-Critical Application Development Environment，SCADE）的梯形圖模型庫(kù)，并基于該模型庫(kù)提出一種基于SCADE和梯形圖的可視化聯(lián)鎖邏輯實(shí)現(xiàn)方法。該方法一方面可以使軟件開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)聯(lián)鎖業(yè)務(wù)邏輯功能時(shí)，直接以繪制梯形圖的方式代替既有的代碼編寫方式進(jìn)行圖形化開(kāi)發(fā)。工程技術(shù)人員和業(yè)主可以通過(guò)梯形圖直接了解軟件實(shí)現(xiàn)的聯(lián)鎖邏輯功能，減少人為轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)。另一方面在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，還可以直接利用成熟的繼電電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)程序開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步提高聯(lián)鎖功能的正確性和安全性。

2 基于SCADE的梯形圖模型庫(kù)

SCADE是一種針對(duì)高安全性系統(tǒng)的基于模型的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境[2]。其中SCADE Suite是專用于控制軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)圖形化開(kāi)發(fā)工具，為用戶提供了模型建立、模型仿真和自動(dòng)生成代碼等功能，其中的代碼生成器獲得了包括EN 50128 SIL3/4在內(nèi)的國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證[3]。用戶可以在SCADE Suite中設(shè)計(jì)具有相應(yīng)功能的模型，利用軟件提供的仿真環(huán)境進(jìn)行模型級(jí)調(diào)試，最終利用代碼生成器生成基于C語(yǔ)言或Ada語(yǔ)言的源代碼。

梯形圖（Ladder Diagram，LD）是一種廣泛應(yīng)用于可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的圖形化編程語(yǔ)言，已被納入GB/T 15969.3作為PLC的標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言之一[4]。梯形圖沿用了繼電器電路中的繼電器元件的形式，以線圈和觸點(diǎn)之間的連接組合作為控制邏輯的實(shí)現(xiàn)方式，因此可以與繼電器電路之間進(jìn)行直接、簡(jiǎn)便的轉(zhuǎn)換。

在本文中，為了能在SCADE Suite里使用梯形圖設(shè)計(jì)圖形化的聯(lián)鎖邏輯功能，提出一套新的基于SCADE的梯形圖模型庫(kù)。如表1所示，首先在SCADE Suite里建立了在GB/T 15969.3中第4.2節(jié)列舉的梯形圖元素的模型，并且按照標(biāo)準(zhǔn)中的功能描述，實(shí)現(xiàn)該元素應(yīng)具有的功能。表1展示了聯(lián)鎖邏輯中常用的線圈、常開(kāi)觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)等梯形圖元素模型。在功能設(shè)計(jì)中，僅使用由SCADE Suite提供的基本模塊，其具體功能描述可以參見(jiàn)SCADE Suite用戶手冊(cè)[5]。為了使基于SCADE的梯形圖模型庫(kù)與標(biāo)準(zhǔn)中的梯形圖元素在外觀上統(tǒng)一，使開(kāi)發(fā)人員和工程設(shè)計(jì)人員在外觀上就可以直接確定每個(gè)模型的功能，重新設(shè)計(jì)SCADE梯形圖模型的外觀，使其與標(biāo)準(zhǔn)中描述的符號(hào)基本一致。

表1 基于SCADE的梯形圖模型庫(kù)Tab.1 SCADE-based ladder diagram model base

續(xù)表Continued

在功能設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用SCADE中bool類型的true代表梯形圖中的接通（ON）狀態(tài)，使用bool類型的false代表斷開(kāi)（OFF）狀態(tài)，使用SCADE模塊之間的連線代表鏈接元素。常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)模型外觀上左下角的“×”形符號(hào)是SCADE Suite開(kāi)發(fā)工具中對(duì)隱藏輸入（Hidden Input）的默認(rèn)表示方式，與梯形圖無(wú)關(guān)。

3 可視化聯(lián)鎖邏輯實(shí)現(xiàn)方法

在本節(jié)中，提出一種基于SCADE和梯形圖的聯(lián)鎖邏輯實(shí)現(xiàn)方法。開(kāi)發(fā)階段的流程如圖1所示，其中白色矩形代表基于SCADE的基本開(kāi)發(fā)步驟，灰色矩形代表提出的基于SCADE和梯形圖的開(kāi)發(fā)步驟，具體描述如下。

圖1 開(kāi)發(fā)階段流程圖Fig.1 Flow chart in Development phase

在接到用戶需求后，開(kāi)發(fā)人員首先應(yīng)進(jìn)行需求分析和架構(gòu)設(shè)計(jì)，劃分聯(lián)鎖業(yè)務(wù)邏輯功能模塊和適配層模塊，并行開(kāi)發(fā)。針對(duì)聯(lián)鎖業(yè)務(wù)邏輯應(yīng)進(jìn)行詳盡的功能分析，將功能需求轉(zhuǎn)化為等價(jià)的梯形邏輯。如果能夠獲得既有的成熟繼電器電路設(shè)計(jì)方案，則可以將其中實(shí)現(xiàn)的聯(lián)鎖關(guān)系直接轉(zhuǎn)化為以梯形圖表示的梯形邏輯。下一步，利用在第2節(jié)中提出的梯形圖模型庫(kù)，開(kāi)發(fā)人員在SCADE Suite中繪制梯形圖，建立業(yè)務(wù)邏輯的梯形圖模型。SCADE Suite提供了模型級(jí)的仿真功能，在建立梯形圖模型的過(guò)程中，就可以對(duì)其進(jìn)行仿真調(diào)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路的正確性。在模型開(kāi)發(fā)驗(yàn)證完成后，利用SCADE代碼生成器自動(dòng)生成梯形圖模型對(duì)應(yīng)的C語(yǔ)言或Ada語(yǔ)言的源代碼。結(jié)合由人工編寫代碼方式實(shí)現(xiàn)的適配層軟件代碼，最終編譯鏈接生成可執(zhí)行程序。

開(kāi)發(fā)人員在SCADE中建立的聯(lián)鎖業(yè)務(wù)邏輯梯形圖模型，是以標(biāo)準(zhǔn)化、圖形化的形式表示的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖軟件實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)邏輯功能，因此可以由SCADE文檔生成工具自動(dòng)歸檔后直接提供給工程技術(shù)人員和業(yè)主進(jìn)行審核，無(wú)需在代碼和邏輯圖紙之間進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化，減少了人為操作的中間環(huán)節(jié)，降低出錯(cuò)的可能。

4 典型聯(lián)鎖功能示例

為了驗(yàn)證本文提出方法的可行性，本節(jié)選取聯(lián)鎖邏輯中的進(jìn)路選擇功能，按照新提出的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行示例開(kāi)發(fā)。局部站場(chǎng)圖如圖2所示，其中關(guān)注由列車信號(hào)機(jī)X到IG的下行接車進(jìn)路，以及由調(diào)車信號(hào)機(jī)D3到D17的調(diào)車進(jìn)路。

圖2 局部站場(chǎng)圖Fig.2 Partial station yard

基于6502定型電路實(shí)現(xiàn)的上述兩條進(jìn)路的進(jìn)路選擇繼電器電路如圖3所示[6]。當(dāng)按下始、終端列車按鈕或調(diào)車按鈕后，在聯(lián)鎖條件滿足時(shí)，繼電器X/D3 JXJ、1/3 2DCJ、9/11 1DCJ和 D17 JXJ將順序勵(lì)磁吸起并自保，完成順序選出信號(hào)點(diǎn)和道岔定位的功能。

下一步，將繼電器電路表示的繼電邏輯轉(zhuǎn)化為以梯形圖表示的梯形邏輯。通過(guò)將繼電器轉(zhuǎn)化為線圈、前接點(diǎn)轉(zhuǎn)化為常開(kāi)觸點(diǎn)、后接點(diǎn)轉(zhuǎn)化為常閉觸點(diǎn)，可以將圖3所示的繼電器電路直接轉(zhuǎn)化為圖4所示的梯形圖。這里以繼電器X/D3 JXJ的勵(lì)磁和自保電路為示例。

圖3 6502進(jìn)路選擇繼電器電路Fig.3 6502-type relay circuit for selecting routes

在得到如圖4所示的聯(lián)鎖業(yè)務(wù)邏輯功能梯形圖表示后，在SCADE Suite中利用本文提出的梯形圖模型庫(kù)建立如圖5所示的梯形圖模型。

在建立梯形圖模型的過(guò)程中，應(yīng)注意如下幾點(diǎn)。

1) 梯形圖中線圈的相關(guān)布爾變量（如X_D3_JXJ等），應(yīng)在SCADE模型中設(shè)置為bool類型輸出。

2) 梯形圖中除線圈以外的常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)的相關(guān)布爾變量（如X_D3_LAJ等），應(yīng)在SCADE模型中設(shè)置為bool類型輸入。

3) 梯形圖中某觸點(diǎn)需使用相關(guān)布爾變量上個(gè)運(yùn)行周期的狀態(tài)時(shí)，應(yīng)在SCADE模型中使用“l(fā)ast‘變量名”的語(yǔ)法形式實(shí)現(xiàn)。

對(duì)比圖4、5可以發(fā)現(xiàn)，在圖5中取消了圖4中兩側(cè)的左右電源軌線。梯形圖中上下梯級(jí)之間掃描的先后順序，在SCADE模型中將由“l(fā)ast ‘變量名”的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)方式可以將一整張?zhí)菪螆D的各個(gè)梯級(jí)都進(jìn)行獨(dú)立的切分，梯級(jí)之間的排列順序不再受限于程序的掃描順序，使整個(gè)模型可以按功能聚類，更有利于構(gòu)造出內(nèi)聚性更強(qiáng)的功能模塊。

圖4 進(jìn)路選擇梯形圖Fig.4 Ladder diagram for selecting routes

圖5 基干SCADE的進(jìn)路選擇梯形圖模型Fig.5 SCADE-based ladder diagram model for selecting routes

在梯形圖模型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以使用SCADE Suite提供的仿真功能進(jìn)行仿真調(diào)試。在仿真過(guò)程中，梯形圖中鏈接元素的ON/OFF狀態(tài)，將以true/false的形式實(shí)時(shí)顯示在SCADE模塊之間的連線上。按下始、終端列車按鈕，勵(lì)磁電路接通，繼電器JXJ勵(lì)磁吸起的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真JXJ勵(lì)磁吸起Fig.6 JXJ relay energized in simulation

在設(shè)計(jì)完畢調(diào)試通過(guò)以后，通過(guò)代碼生成器自動(dòng)生成梯形圖模型對(duì)應(yīng)的C語(yǔ)言源代碼。如圖7所示，圖7截取自動(dòng)生成代碼中進(jìn)路選擇功能對(duì)應(yīng)的部分源代碼。對(duì)比圖5和圖7可以看出，通過(guò)梯形圖表示的聯(lián)鎖業(yè)務(wù)邏輯將比由代碼表示的更為清晰直觀，易于理解。

圖7 由進(jìn)路選擇梯形圖模型自動(dòng)生成的部分源代碼Fig.7 Source codes generated automatically by the ladder diagram model for selecting routes

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了一套基于SCADE的梯形圖模型庫(kù)，并基于該模型庫(kù)提出了一種基于SCADE和梯形圖的可視化聯(lián)鎖邏輯實(shí)現(xiàn)方法，該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1) 可以使計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖軟件實(shí)現(xiàn)的聯(lián)鎖邏輯功能圖形化、可視化，便于工程技術(shù)人員和業(yè)主審核。

2) 可以直接利用成熟的繼電電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)功能的正確性和安全性。

3) 取消了梯形圖中的電源軌線，使梯級(jí)之間的排列關(guān)系更加靈活，有利于將業(yè)務(wù)邏輯拆分成內(nèi)聚性更強(qiáng)的功能模塊。

4) 在梯形圖模型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以對(duì)梯形圖模型進(jìn)行仿真調(diào)試，進(jìn)一步縮短了開(kāi)發(fā)流程。

本文雖然是在SCADE Suite開(kāi)發(fā)工具的基礎(chǔ)上提出的可視化聯(lián)鎖邏輯實(shí)現(xiàn)方法，但是該方法同樣適用于其他的基于模型的可視化開(kāi)發(fā)工具，如MathWorks公司的Simulink[7]等。

本文提出的基于SCADE和梯形圖的聯(lián)鎖邏輯實(shí)現(xiàn)方法，本質(zhì)上屬于基于模型的設(shè)計(jì)（Model-Based Design，MBD）開(kāi)發(fā)方法[8]。一方面，這種以模型建立、模型仿真、自動(dòng)生成代碼為重心的開(kāi)發(fā)方法，使得開(kāi)發(fā)人員可以將更多的精力集中于模型設(shè)計(jì)階段，而不是傳統(tǒng)的代碼編寫階段，這將使得整個(gè)開(kāi)發(fā)工作在效率和安全性上得到較大提升[9]。另一方面，可以持續(xù)構(gòu)建更復(fù)雜的更貼近于用戶域的業(yè)務(wù)功能基本模型，進(jìn)而使用基本模型搭建控制系統(tǒng)。這不僅使基本模型有進(jìn)一步定型化的可能，降低開(kāi)發(fā)工作的復(fù)雜性；而且使得用戶需求變更的影響范圍可以進(jìn)一步縮小到與變更業(yè)務(wù)功能相關(guān)的基本模型，從而降低整個(gè)生命周期的維護(hù)成本。