欒 燕，張娟娟，張 健，胡 博

（1.國家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心，北京 100040；2.中科軟科技股份有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以燎原之勢發(fā)展，企業(yè)上云的內(nèi)容向縱深發(fā)展，從系統(tǒng)上云逐步過渡到設備上云。截至2017年我國工業(yè)設備聯(lián)網(wǎng)率僅為10%，目前工業(yè)通訊協(xié)議標準不統(tǒng)一、互不兼容[1]，此外還存在大量不開放協(xié)議的“啞設備”，導致設備數(shù)據(jù)采集難、傳輸難、應用難。工業(yè)網(wǎng)關作為設備上云的關口，具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)轉發(fā)、邊緣計算等功能，同時要保證運行的可靠性和高效性，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要設備[2,3]。

工業(yè)網(wǎng)關設備的連接以及硬件選型，面臨網(wǎng)關種類繁雜、應用場景不同、通信協(xié)議不兼容、連接方式多元化、管理與控制復雜、連通性及兼容性波動等問題。工業(yè)網(wǎng)關本身的接入能力和指標，尚未有統(tǒng)一的標準和完整的評價體系，本平臺旨在通過搭建面向工業(yè)智能網(wǎng)關的測試平臺，推動網(wǎng)關產(chǎn)品走向規(guī)范化、標準化。

1 測試平臺設計

工業(yè)智能網(wǎng)關測試平臺采用分層架構進行開發(fā)和設計，將綜合測試軟件、測試控制軟件實現(xiàn)系統(tǒng)平臺內(nèi)部的分開部署，各模塊間通過共享測試案例庫、通信協(xié)議以及RestFull API接口進行信息交互，以實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

圖1 工業(yè)智能網(wǎng)關自動化測試平臺架構

本測試平臺主要面向PLC和傳感器的網(wǎng)關產(chǎn)品，根據(jù)采集接口的不同，本文將被測網(wǎng)關分為協(xié)議網(wǎng)關和采集網(wǎng)關。其中協(xié)議網(wǎng)關是指提供串口/網(wǎng)口采集智能設備數(shù)據(jù)，支持通過總線通信協(xié)議的方式獲取數(shù)據(jù)，能夠把各種不同的采集協(xié)議轉換成標準的網(wǎng)絡協(xié)議發(fā)送到監(jiān)控中心的裝置或系統(tǒng)。采集網(wǎng)關是指提供IO接口采集啞設備數(shù)據(jù)，支持通過信號轉換方式獲取數(shù)據(jù)，把各種不同的IO數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一封裝，打包成標準的網(wǎng)絡協(xié)議發(fā)送到監(jiān)控中心的裝置或系統(tǒng)。

工業(yè)智能網(wǎng)關測試平臺設計框架如圖1所示。該平臺共包括三大組成部分：測試硬件環(huán)境、測試控制平臺、綜合測試平臺。

測試硬件環(huán)境由主流PLC，IO管理器，PLC編程工作站，網(wǎng)關配置工作站，臺架和配電等組成。其中：主流PLC作為測試平臺的硬件環(huán)境，支撐網(wǎng)關數(shù)據(jù)測試，接收網(wǎng)關指令；IO管理器用于模擬設備數(shù)據(jù)源向被測網(wǎng)關和測試控制平臺傳遞設備源數(shù)據(jù)；PLC編程工作站用于編寫測試用例數(shù)據(jù)并下載到陪測PLC；網(wǎng)關配置工作站用于配置網(wǎng)關的基本參數(shù)、采集服務、轉發(fā)服務、邊緣計算服務等。

測試控制平臺用于接收綜合測試平臺的測試用例，并通知IO管理器執(zhí)行測試用例；同時接收IO管理器的原始數(shù)據(jù)，向網(wǎng)關綜合測試平臺發(fā)送原始數(shù)據(jù)。

網(wǎng)關綜合測試平臺是工業(yè)智能網(wǎng)關測試平臺的核心組件，是整個測試平臺的前臺，用于配置測試項、陪測PLC型號、測試用例等。網(wǎng)關綜合測試平臺根據(jù)配置向測試控制平臺發(fā)送測試用例，并接收測試控制平臺發(fā)送來的原始數(shù)據(jù)；同時向被測網(wǎng)關發(fā)送請求，并接收工業(yè)網(wǎng)關轉發(fā)的采集數(shù)據(jù)；對比原始數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)，判斷測試結果。

2 關鍵技術

2.1 自動化測試技術

本文的工業(yè)智能網(wǎng)關測試平臺采用了自動化測試技術，相比于手工測試測試方式，自動化測試通過編寫一個通用的自動化軟件來測試智能網(wǎng)關的功能、性能等指標。一方面提高測試的可重復性和有效性，另一方面可以更好模擬智能網(wǎng)關應用在現(xiàn)場時的工作場景。

1）采用數(shù)據(jù)驅動的測試框架。初始階段對所有IO管理器和陪測的PLC進行測試用例數(shù)據(jù)的編程，IO管理器和每一個PLC都有各自的編程文件，將測試數(shù)據(jù)存儲在編程文件中，大大提高了測試用例的維護性和重復性。

2）采用測試腳本的測試框架。定義了一套自動化測試的流程：測試準備→啟動測試→執(zhí)行測試用例→獲取原始數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)→對比原始數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)→給出測試結果。具體的測試用例和測試流程分屬不同的領域，這樣就可以大大增強了測試的低耦合性和標準化性。

3）提供可配置的標準測試例庫。案例庫包括了所有PLC的測試用例，提供了通用測試案例，協(xié)議網(wǎng)關測試案例，采集網(wǎng)關測試案例。同時提供測試案例生成器，用于展示測試案例庫，查詢測試案例，生成測試案例。測試人員可以根據(jù)需要隨時維護、變更和添加測試案例，從而從本質上實現(xiàn)了工業(yè)網(wǎng)關和測試案例的抽象分離。

2.2 源數(shù)據(jù)模擬技術

本測試平臺創(chuàng)新性的采用PLC和IO管理器提供源數(shù)據(jù)，通過編程的方式將測試案例的寫入陪測PLC和IO管理器中，根據(jù)測試需求產(chǎn)生源數(shù)據(jù)。其中，PLC為協(xié)議網(wǎng)關提供源數(shù)據(jù)，IO管理器為采集網(wǎng)關提供源數(shù)據(jù)。源數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度、讀寫屬性、操作模式、刷新周期、步長等組成。

IO管理器采用西門子S7-1200PLC，保證少于0.05%誤差的高精度，14位真有效精度可能夠提供高速信號源，支持至少2個通道的10KHz的脈沖輸出，提供至少4通道高速計數(shù)器，最大頻率支持200kH。所有AI，AO支持電壓-10V～10V與0～20mA電流的輸入輸出。

2.3 多協(xié)議解析技術

工業(yè)智能網(wǎng)關測試平臺支持工業(yè)網(wǎng)關上行的主流協(xié)議ModbusTCP、OPCUA、MQTT等，下行的主流協(xié)議ModbusRTU、PPI、MPI、DF1、SNP、ProfiNet、EtherCAT、CCLink等的協(xié)議解析。

對于上行通信協(xié)議：能夠解析標準的ModbusTCP采集協(xié)議、基于MQTT通信機制的不同廠家不同網(wǎng)關型號的多個MQTT采集協(xié)議、基于OPCUA的客戶端采集協(xié)議。對采集的數(shù)據(jù)幀進行協(xié)議接入、協(xié)議解析、協(xié)議組包等，并把解析出來的數(shù)據(jù)保存到采集數(shù)據(jù)實時庫中。

對于下行通信協(xié)議，本平臺需要提供具有該下行通信協(xié)議的陪測PLC。

3 測試指標及原理

根據(jù)工業(yè)網(wǎng)關的實際應用需求，結合對主流工業(yè)網(wǎng)關產(chǎn)品的深入調(diào)研，本測試平臺對工業(yè)智能網(wǎng)關的數(shù)據(jù)采集、邊緣計算、數(shù)據(jù)轉發(fā)等功能指標，串口采集通信速率、點容量、AI/AO精度等性能，數(shù)據(jù)丟包率、數(shù)據(jù)錯誤率等可靠性指標進行測試。根據(jù)被測網(wǎng)關類型不同，可分為通用測試指標、專用測試指標，具體測試指標如表1所示。

表1 工業(yè)智能網(wǎng)關測試指標表

4 測試流程

本平臺提供了一種工業(yè)智能網(wǎng)關的自動化測試方法及系統(tǒng)，能夠高效測試網(wǎng)關的功能、性能及可靠性。綜合測試平臺根據(jù)測試工單號，逐一對測試案例集里的測試案例執(zhí)行測試，和測試控制軟件、測試硬件設備，被測網(wǎng)關一起形成測試閉環(huán)，綜合測試平臺進行數(shù)據(jù)比對，并給出測試結果。

5 測試實例

圖2 工業(yè)智能網(wǎng)關測試流程圖

為驗證本工業(yè)智能網(wǎng)關自動化測試平臺的有效性，采用西門子S7-200Smart作為陪測PLC，對某型號協(xié)議轉換網(wǎng)關進行測試。其中西門子S7-200Smart具有ProfiNet以太網(wǎng)端口、PPI端口，被測網(wǎng)關支持ModbusTCP協(xié)議轉發(fā)，利用測試平臺對開關量數(shù)據(jù)采集、模擬量數(shù)據(jù)采集、脈沖量數(shù)據(jù)采集等功能性指標，最大/小通訊速率下的數(shù)據(jù)丟包率、最大/小通訊速率下的數(shù)據(jù)錯誤率等可靠性指標，串口最大/最小采集通信速率、電容量等性能指標進行測試。采集周期設置為5000毫秒，最大通訊速率設置為19200bps，最小通訊速率設置為1200bps，部分指標測試過程實例如圖3～圖5所示。

圖3 被測協(xié)議網(wǎng)關脈沖量數(shù)據(jù)采集指標測試實例

圖4 被測協(xié)議網(wǎng)關最大采集通信速率指標測試實例

圖5 被測協(xié)議網(wǎng)關長期穩(wěn)定性指標測試實例

6 結語

本文設計了一種工業(yè)智能網(wǎng)關一種自動化測試平臺，創(chuàng)新性的采用自動化測試、源數(shù)據(jù)模擬、多協(xié)議解析等關鍵技術，同時設計了網(wǎng)關的測試指標，通過前臺配置被測網(wǎng)關的參數(shù)和測試項目，選定測試項目對應的測試案例，對測試項目進行測試，記錄測試項目測試結果，從而實現(xiàn)網(wǎng)關功能、性能、可靠性等相關指標的自動測試，最后通過實例驗證了該測試平臺的可行性和有效性。

該測試平臺為工業(yè)智能網(wǎng)關的驗證評價提供了一種可靠的方法，通過模擬工業(yè)現(xiàn)場接入環(huán)境，提前驗證網(wǎng)關對現(xiàn)場的適配性，幫助工業(yè)企業(yè)選擇合適的工業(yè)智能網(wǎng)關，同時通過規(guī)范工業(yè)網(wǎng)關指標，推動網(wǎng)關產(chǎn)品走向規(guī)范化，助力設備上云。