JB/T 13776-2020 工业机械电气设备及系统 数控系统软件可靠性测试规范

ICS25.040.20
J09  JB
中华人民共和国机械行业标准
JBT137762020
工业机械电气设备及系统数控系统软件可靠性测试规范
Electrical equipment and system of industrial machines-Specification for numerical control system software reliability testing
2020-08-31发布2021-04-01实施
中华人民共和国工业和信息化部发布

1范围
本标准规定了数控系统软件可靠性测试的一般要求及方法。
本标准适用于金属加工机械、木工机械、锻压机械用数控系统软件可靠性测试与评价，其他工业机械用数控系统软件也可参照执行。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T11457一2006信息技术软件工程术语
GB/T18759.5一2016机械电气设备开放式数控系统第5部分：软件平台
GB/T25000.10一2016系统与软件工程系统与软件质量要求和评价(SQuaRE)第10部分：系统与软件质量模型
GB/T26220一2010工业自动化系统与集成机床数值控制数控系统通用技术条件
3术语和定义及缩略语
3.1术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1.1
数控系统numerical control system
使用数值数据的控制系统，在运行过程中不断地引入数值数据，而实现机床加工过程的自动控制。
[GB/T26220一2010，定义3.1]
3.1.2
数控系统软件numerical control system software
包括数控系统的实时操作系统、中间件、应用软件及应用编程接口。
[GB/T18759.52016，定义3.1.16~3.1.19]
3.1.3
可靠性reliability
产品在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力。这里的产品可以泛指任何系统、设备和元器件。
[GB/T25000.102016,定义4.3.2.5]
3.1.4
软件可靠性software reliability
在一定的时间间隔、给定的软件运行环境下，程序按照设计要求执行一定功能的能力。
注：本标准规定的可靠性是指数控系统软件的可靠性，数控系统软件框架及范围见41。

3.1.5
产品规格说明product specification
a)规定系统或部件必须实现的产品的设计文档。
注：对于软件，此文档为描述软件构造时的版本。
b)描述为潜在的客户和用户考虑的计划的或已存在的产品特征的文档。[GB/T11457一2006，定义2.1219]
3.2缩略语
下列缩略语适用于本文件。
API:应用程序编程接口(Application Programming Interface)
FIFO:先入先出(First Input First Output)
GUI:图形用户界面(Graphical User Interface)
HMl:人机操作界面(Human Machine Interface)
OpenGL:开放图形库(Open Graphics Library)
PID:比例-积分-微分(Proportional-Integral-Differential)
PLC:可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)
4测试对象
4.1数控系统软件
4.1.1概述
数控系统软件包括三层结构，分别为操作系统层、中间件层与应用层，如图1所示。
注：改写GB/T18795.52016，定义4.2。

4.1.2操作系统层
操作系统层位于数控系统软件底层，通过为上层提供系统调用接口，实现对操作系统资源及硬件平台资源的管理及访问，满足数控系统软件的互操作及开放性要求。操作系统层通常由通用内核和实时内核组成，应提供以下通用内核编程接口及实时内核编程接口：
——非实时任务（进程）调度；
——非实时任务（进程）间通信；
——非实时任务（进程）内存管理。
实时任务（进程）调度：
——实时任务（进程）间通信：实时任务（进程）内存管理；
——高精度实时时钟；
——实时操作系统中断管理；
——设备管理；
——文件管理；
——网络管理；
——其他接口。
操作系统层应满足数控系统软件应用层和中间件层对系统实时时钟、存储器、网络接口、总线接口等平台资源的调用及管理。
4.1.3中间件层
4.1.3.1概述
中间件层处于应用软件之下、操作系统之上，是承上启下的应用支撑平台，为应用软件共享资源提供支撑，提供其运行与开发的环境，中间件层提供的应用编程接口定义了一个相对稳定的高层应用环境，不管底层的计算机硬件和操作系统软件怎样更新换代，只要将中间件升级更新，并保持中间件对外的接口定义不变，即可实现应用软件在不同系统平台间的移植。
4.1.3.2通信模块
通信模块为上层应用软件提供通信服务。通信模块应提供数控系统间网络互联以及数控系统软件内部非实时空间内各进程间通信。网络互联通信应支持面向局域、广域等网络协议的通信服务；非实时空间内各进程间通信应支持包括信号、管道、共享内存、消息队列等通信方式。
4.1.3.3图形库模块
图形库模块通过提供图形库编程接口为人机界面的开发提供服务，常用的图形库模块有MiniGUI、Qt和OpenGL等，数控系统软件开发人员在开发人机界面时，通过调用这些图形库接口来实现满足自己设计的图形效果。
4.1.3.4运动学模块
运动学模块通过运动学调用接口实现对运动控制组件提供服务，运动学模块的数学库中定义了三种坐标系统：直角坐标系、球面坐标系和柱面坐标系，运动学模块能够实现不同运动坐标系之间的坐标转换。
4.1.3.5实时API模块
实时AP模块为上层应用软件提供实时时钟、实时线程扩展、实时通信、中断调度等服务。其中通过实时时钟、实时线程扩展、中断调度等调用实现数控系统的实时线程调度与管理：通过实时通信调用实现非实时空间内进程与实时线程间通信以及实时空间内各线程间的通信，其通信方式包括共享内存、信号量、FIFO队列、消息盒、互斥器等。此外，采用实时API模块，应用软件平台可以兼容多种实时操作系统，使用户不必关心实时操作系统的具体类型。
4.1.4应用层
4.1.4.1概述
数控系统软件应用层的作用是将机床的各种状态、各轴位置及运动情况以及信息等显示到屏幕供操作人员查看，并且采集操作人员的各种指令，将其解析为中间件层各模块能够识别的操作命令集，并实时检测中间层各模块的运行情况。数控系统软件应用层由四个部分组成，即由人机操作界面(HMI)、任务控制模块、运动控制模块和PLC组成。其中运动控制模块和PLC对响应时间的要求很高，因此一般作为实时任务处理，而任务控制模块和人机操作界面对响应时间的要求不高，可以作为非实时任务运行。
4.1.4.2人机操作界面(HM1)
人机操作界面(HM)负责读取用户的操作指令，例如对加工程序的管理操作，加工辅助信息的输入和修改操作等。另外，人机操作界面还负责将当前的系统运行状态信息显示在屏幕上，例如刀具移动的轨迹图像、各轴加工位置信息、加工辅助信息以及系统当前的报警情况等。
4.1.4.3任务控制模块
任务控制模块是数控应用层软件的枢纽，它通过译码模块来解析加工程序信息，将其分解为对运动控制模块和PLC的操作，并监控它们完成相应的操作，最后从运动控制模块和PLC取得当前的加工状态信息和报警信息，处理后发送到人机操作界面模块进行显示。此外，任务控制模块还通过管理程序来完成对系统软件的初始化，调度和协调软件中的各项任务、管理机床运行状态和加工状态等。
4.1.4.4运动控制模块
运动控制模块通过调用插补算法来规划各轴的移动轨迹，通过PD调节来进行电机位置控制，根据工件程序或配置参数中设定的速度、进给率方式、终点停止模式以及加减速方式等来进行各轴运转速度和加速度控制等。另外，运动控制模块还通过配置的刀具补偿信息、螺距补偿信息以及反向间隙补偿信息等对各轴位置进行调节，以满足加工的精度要求。
4.1.4.5可编程逻辑控制器(PLC)
可编程逻辑控制器(PLC)可分为逻辑文件编辑模块和执行模块两部分，编辑模块负责处理用户的梯形图编辑和编译操作，执行模块主要以数控系统内部和机床上各行程开关、传感器、按钮、继电器等信号量的状态为条件，按照编译生成的逻辑文件，对诸如何服轴的硬限位、回零开关、主轴的启停和换向、刀具的更换、工件的夹紧与松开及液压、冷却、润滑系统等电气开关进行控制。
4.2数据类型和数据结构
开放式数控系统软件平台应支持基本数据类型与派生数据类型，其中基本数据类型包括数值类型、字符类型、位串类型和逻辑类型等，派生数据类型包括数组、字符申、结构体、共用体、枚举类型、自定义类型和指针类型等。

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