張娟娟,欒 燕，陶 煒，孟祥曦

(國家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心，北京 100040)

《中國制造2025》戰(zhàn)略目標(biāo)提出“加快輕重工業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備的智能化改造”，促進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。在制造業(yè)轉(zhuǎn)型過程中，中國制造正面臨著以降本增效為目的的整個(gè)制造業(yè)升級(jí)變革，其核心是以智能化生產(chǎn)為中心,以自動(dòng)化、數(shù)字化為手段來推動(dòng)整個(gè)制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1-2]。當(dāng)前，工業(yè)企業(yè)正以前所未有的速度步入工業(yè)4.0、全面數(shù)字化的新階段，數(shù)據(jù)采集作為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)口，無論是大型企業(yè)還是中小型企業(yè)，都面臨著工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集的難題[3]。特別是工業(yè)企業(yè)在進(jìn)行生產(chǎn)自動(dòng)化升級(jí)過程中，為了降本增效，引入的設(shè)備來自不同的供應(yīng)商，其接入方式、數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議等都存在不同程度的差異。

工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)的重要設(shè)備，大量應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。尤其是近年來隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，通過靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，為應(yīng)用提供融合計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等資源的邊緣計(jì)算技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。具備數(shù)據(jù)清洗、計(jì)算、分析能力的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的需求快速上升，為賦能產(chǎn)業(yè)數(shù)字化升級(jí)和智能化業(yè)務(wù)融合創(chuàng)新提供數(shù)據(jù)采集支撐[6]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,具備高擴(kuò)展性、高穩(wěn)定性的智能化可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)被廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)控制領(lǐng)域，用來實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開環(huán)控制、模擬量閉環(huán)、數(shù)字量控制及數(shù)據(jù)采集監(jiān)控等功能。不管是在計(jì)算機(jī)直接控制系統(tǒng)還是集中分散式控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)，或者現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System，F(xiàn)CS)中，具備不同功能、不同類型的PLC得到了廣泛應(yīng)用[7]。然而，現(xiàn)階段并沒有在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中驗(yàn)證邊緣計(jì)算工業(yè)網(wǎng)關(guān)異構(gòu)設(shè)備接入、并行數(shù)據(jù)采集和多協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)的方法，相關(guān)廠商通常根據(jù)自身產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景做簡(jiǎn)單的功能性驗(yàn)證，用戶企業(yè)在使用邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品時(shí)仍需要面臨以上復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境引起的產(chǎn)品不穩(wěn)定性問題，而盲目的嘗試則會(huì)使工業(yè)企業(yè)產(chǎn)生高昂的試錯(cuò)成本，如何驗(yàn)證邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)是否能夠高效穩(wěn)定地接入不同類型、不同協(xié)議的PLC，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效采集，成為亟需解決的難題[8]。

現(xiàn)階段國內(nèi)外對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景的工業(yè)網(wǎng)關(guān)制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如OMG組織為了能夠?qū)崿F(xiàn)DDS與OPC-UA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)，制定了OPC-UA/DDS Gateway標(biāo)準(zhǔn)[9]，數(shù)字集裝箱航運(yùn)協(xié)會(huì)(DCSA)根據(jù)其具體的業(yè)務(wù)需求，制定了網(wǎng)關(guān)連接接口標(biāo)準(zhǔn)(IoT Container Standards——IoT Standard for Gateway Connectivity Interfaces)[10]。較國外不同，國內(nèi)在制定相關(guān)技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也制定了相關(guān)的測(cè)試規(guī)范，例如傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)制定了相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提出了網(wǎng)關(guān)的通用技術(shù)要求及功能、性能、安全方面的測(cè)試方法[11-14]。但針對(duì)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)多設(shè)備接入、多協(xié)議兼容、多設(shè)備并行的測(cè)試方法還未制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外仍是空白。

基于多PLC設(shè)計(jì)的協(xié)同的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)，是前期在工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)[15]的基礎(chǔ)上，基于邊緣計(jì)算技術(shù)在工業(yè)網(wǎng)關(guān)中的快速發(fā)展應(yīng)用，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，針對(duì)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試做的迭代研究與開發(fā)。本平臺(tái)基于真實(shí)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)硬件環(huán)境，通過模擬工業(yè)產(chǎn)線智能化改造場(chǎng)景中多種異構(gòu)設(shè)備接入、工業(yè)協(xié)議多樣、多數(shù)據(jù)并行采集的場(chǎng)景，設(shè)計(jì)多PLC協(xié)同測(cè)試方法，在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)能力的快速驗(yàn)證。為邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)服務(wù)商提供產(chǎn)品驗(yàn)證新方法的同時(shí)，能夠有效提高工業(yè)企業(yè)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品選型效率，降低工業(yè)企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中面臨的數(shù)據(jù)采集不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。

1 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于多PLC協(xié)同的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)是借鑒工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試原理部分，對(duì)軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和開發(fā)。硬件部分，對(duì)PLC硬件系統(tǒng)進(jìn)行了集成，實(shí)現(xiàn)了PLC設(shè)備的集中控制管理。軟件部分一方面對(duì)測(cè)試服務(wù)平臺(tái)整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了升級(jí)，能夠支持串口、網(wǎng)口PLC設(shè)備的同時(shí)接入和測(cè)試流程的分層化管理；另一方面依據(jù)文獻(xiàn)[3]中對(duì)工業(yè)網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵指標(biāo)的定義，利用可視化技術(shù)對(duì)多PLC協(xié)同測(cè)試用例設(shè)計(jì)、開發(fā)進(jìn)行了全面更新?；诙郟LC協(xié)同的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)較工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)功能、易用性方面都得到了升級(jí)完善。

1.1 平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于多PLC協(xié)同的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)，是通過搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境，在PLC中模擬并產(chǎn)生工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)源，從而模擬工業(yè)環(huán)境中典型的數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景。串口通信和網(wǎng)口通信作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中最為常見的PLC與工業(yè)網(wǎng)關(guān)的通信方式，本測(cè)試平臺(tái)通過靈活搭配網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和串口切換器，可實(shí)現(xiàn)多種典型工業(yè)場(chǎng)景測(cè)試環(huán)境在單平臺(tái)的集成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)在不同工業(yè)場(chǎng)景下的能力測(cè)試驗(yàn)證?；诙郟LC協(xié)同的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)試平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

測(cè)試平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括3個(gè)部分：測(cè)試服務(wù)平臺(tái)、PLC集成硬件平臺(tái)和被測(cè)網(wǎng)關(guān)。其中，PLC作為被測(cè)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集對(duì)象，可由多款串口PLC或者網(wǎng)口PLC組成，根據(jù)PLC的通信接口方式，采用串口切換器或網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接入測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與被測(cè)網(wǎng)關(guān)的物理連接，完成測(cè)試數(shù)據(jù)的傳遞。測(cè)試平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖中通過箭頭標(biāo)識(shí)了數(shù)據(jù)流向。

① 部署在本地服務(wù)器中的測(cè)試服務(wù)平臺(tái)下發(fā)測(cè)試命令，包含測(cè)試用例、陪測(cè)設(shè)備(PLC)調(diào)度、執(zhí)行周期等信息。

② 在PLC集成硬件平臺(tái)中的I/O管理器接收到測(cè)試命令后，觸發(fā)內(nèi)置測(cè)試用例程序的PLC產(chǎn)生數(shù)據(jù)源。

③ 被測(cè)網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或串口切換器采集PLC數(shù)據(jù)。

④ 測(cè)試服務(wù)平臺(tái)接收被測(cè)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的采集數(shù)據(jù)，并與平臺(tái)內(nèi)產(chǎn)生的理論數(shù)據(jù)做比對(duì)，最終輸出測(cè)試報(bào)告。

1.2 平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于多PLC協(xié)同的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)采用分層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，分為數(shù)據(jù)源層、邊緣層、平臺(tái)層和應(yīng)用層4個(gè)層級(jí)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)源層由各類可以模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的PLC組成，用于模擬多種典型工業(yè)場(chǎng)景下的工業(yè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，供被測(cè)網(wǎng)關(guān)采集；邊緣層包括被測(cè)網(wǎng)關(guān)和本地服務(wù)器，被測(cè)網(wǎng)關(guān)是平臺(tái)系統(tǒng)的測(cè)試對(duì)象，本地服務(wù)器部署了測(cè)試用例算法開發(fā)環(huán)境，用于產(chǎn)生相應(yīng)的理論數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)分析結(jié)果上傳至平臺(tái)層；平臺(tái)層由多個(gè)微服務(wù)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、分析、存儲(chǔ)以及測(cè)試流程、測(cè)試報(bào)告的管理；應(yīng)用層則提供了多項(xiàng)服務(wù)的具體應(yīng)用模塊，通過這些模塊的協(xié)作，進(jìn)行測(cè)試相關(guān)操作，以及獲取相應(yīng)測(cè)試結(jié)果的測(cè)試報(bào)告。

1.3 平臺(tái)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中多種異構(gòu)設(shè)備接入、工業(yè)協(xié)議多樣、多數(shù)據(jù)并行采集場(chǎng)景模擬的需要，基于多PLC協(xié)同的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)需要能夠支持多款PLC的接入及管理，滿足模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)際采集需求?；诙郟LC協(xié)同的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)硬件組成主要包括3個(gè)部分：本地服務(wù)器、PLC 集成硬件平臺(tái)、被測(cè)網(wǎng)關(guān)。

本地服務(wù)器是測(cè)試平臺(tái)的核心，部署了測(cè)試服務(wù)平臺(tái)軟件，用于測(cè)試命令的下發(fā)，PLC設(shè)備的管理，測(cè)試數(shù)據(jù)及過程信息的采集、分析、處理、計(jì)算與存儲(chǔ)。PLC集成硬件平臺(tái)由多種PLC和I/O管理器組成，PLC中內(nèi)置測(cè)試用例程序，提供測(cè)試數(shù)據(jù)源；I/O管理器通過接收測(cè)試服務(wù)平臺(tái)的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的管理。被測(cè)網(wǎng)關(guān)作為被測(cè)試對(duì)象，接入測(cè)試服務(wù)平臺(tái)后，經(jīng)過一系列案例的測(cè)試，最終由平臺(tái)輸出該被測(cè)網(wǎng)關(guān)在功能和性能方面的測(cè)試結(jié)果。

由于本地服務(wù)器受限于存儲(chǔ)空間及網(wǎng)絡(luò)傳輸，目前只適用于局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的測(cè)試，而對(duì)于廣域網(wǎng)內(nèi)應(yīng)用的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，將在下一階段迭代研發(fā)的云端測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)能力的快速驗(yàn)證。

1.4 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于多PLC協(xié)同的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試流程如圖3所示。測(cè)試流程詳細(xì)描述見1.1章節(jié)。

圖3 邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試流程圖

基于多PLC協(xié)同的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)本地化測(cè)試服務(wù)?；诰W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，本測(cè)試平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)源數(shù)據(jù)的開發(fā)、采集數(shù)據(jù)的處理分析和測(cè)試流程管理等主要功能。

源數(shù)據(jù)的開發(fā)主要使用一種市面上新興的可視化組態(tài)軟件——測(cè)試用例算法開發(fā)器(將在第2節(jié)進(jìn)行詳細(xì)描述)，對(duì)不同的PLC進(jìn)行測(cè)試用例的開發(fā)。較傳統(tǒng)的PLC開發(fā)需要依賴特定的編程協(xié)議開發(fā)不同，測(cè)試用例開發(fā)器能夠利用可視化組態(tài)方法極大地提高開發(fā)效率。采集數(shù)據(jù)的處理分析和流程管理依賴于測(cè)試服務(wù)平臺(tái)軟件來實(shí)現(xiàn)。測(cè)試服務(wù)平臺(tái)軟件使用Docker容器技術(shù)和數(shù)據(jù)引擎技術(shù)，基于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模型，實(shí)現(xiàn)多協(xié)議數(shù)據(jù)的開發(fā)、測(cè)試過程流轉(zhuǎn)控制、測(cè)試數(shù)據(jù)分析及比對(duì)，以及測(cè)試報(bào)告輸出等功能。

測(cè)試平臺(tái)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)部分目前只能滿足單個(gè)測(cè)試任務(wù)的執(zhí)行，無法進(jìn)行多款邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的并行測(cè)試驗(yàn)證。多測(cè)試任務(wù)的并行執(zhí)行將有效提高測(cè)試平臺(tái)的使用效率，將在下一步迭代中進(jìn)行。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 可視化測(cè)試用例開發(fā)技術(shù)

組態(tài)軟件通常指在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，能夠?yàn)橛脩籼峁┛焖贅?gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域[16]。本文使用IAPlogic(V1.0.4)可視化組態(tài)軟件工具[17](測(cè)試用例算法開發(fā)器)進(jìn)行測(cè)試源數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的開發(fā)。

① 測(cè)試源數(shù)據(jù)開發(fā)?；谠摴ぞ撸O(shè)計(jì)了一種快速進(jìn)行PLC測(cè)試用例開發(fā)的方法，較普通的PLC編程需要適應(yīng)多種編程協(xié)議，該方法極大地縮短了傳統(tǒng)的PLC編程周期。其過程如下：在PLC中安裝組態(tài)軟件環(huán)境→進(jìn)行測(cè)試用例開發(fā)及調(diào)試→將測(cè)試用例下載到PLC中→根據(jù)指令運(yùn)行PLC中相應(yīng)的測(cè)試用例。

② 測(cè)試?yán)碚摂?shù)據(jù)開發(fā)。依據(jù)PLC中測(cè)試用例設(shè)計(jì)，使用該工具在測(cè)試服務(wù)平臺(tái)組態(tài)不同的理論值數(shù)據(jù)、測(cè)試分析邏輯，實(shí)現(xiàn)測(cè)試分析過程數(shù)據(jù)比對(duì)的可視化。實(shí)時(shí)查看各個(gè)測(cè)試用例的理論值和采集值的變化規(guī)律、數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖。通過可視化手段，輔助測(cè)試人員掌握測(cè)試過程。測(cè)試用例開發(fā)器可視化環(huán)境如圖4所示。

圖4 測(cè)試用例開發(fā)器可視化環(huán)境

2.2 多協(xié)議融合技術(shù)

本測(cè)試平臺(tái)根據(jù)接入PLC的類型，支持多種工業(yè)網(wǎng)關(guān)下行通信協(xié)議，包括Modbus-RTU、ProfiNet、EtherCAT、PPI、ADS、DeviceNet、SRTP、PowerLink、MPI、DF1、SNP、CC-Link、MC、Hostlink、FINS、MEWTOCOL協(xié)議、MASTER-K、FATEK等協(xié)議的并行接入，同時(shí)支持協(xié)議擴(kuò)展。

被測(cè)網(wǎng)關(guān)接收測(cè)試服務(wù)平臺(tái)的命令，對(duì)接入的并行協(xié)議數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、組包等融合處理操作，轉(zhuǎn)換為上行所需的Modbus TCP、MQTT、OPC UA、HTTP等協(xié)議類型，發(fā)送給測(cè)試服務(wù)平臺(tái)，進(jìn)行采集結(jié)果與理論值的比對(duì)。

2.3 多PLC并行管控技術(shù)

本測(cè)試平臺(tái)創(chuàng)新性地采用了多類型PLC硬件集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)PLC的并行控制與管理。通過I/O管理器接收測(cè)試服務(wù)平臺(tái)下傳的測(cè)試用例編號(hào)和測(cè)試用例參數(shù)，發(fā)送給測(cè)試PLC組，從而觸發(fā)相關(guān)PLC產(chǎn)生相應(yīng)測(cè)試用例的數(shù)據(jù)變化規(guī)律的數(shù)據(jù)源，供被測(cè)對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，I/O管理器接收PLC組反饋的數(shù)據(jù)，包括PLC開關(guān)狀態(tài)信號(hào)、PLC異常狀態(tài)信號(hào)、PLC模擬量寫值信號(hào)，并將這些信號(hào)發(fā)送給測(cè)試控制臺(tái)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC組狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視。

3 多PLC協(xié)同測(cè)試原理

根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)異構(gòu)設(shè)備接入、工業(yè)協(xié)議兼容、數(shù)據(jù)采集處理等實(shí)際場(chǎng)景需求，本測(cè)試平臺(tái)對(duì)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的并行采集、融合計(jì)算能力進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)并行協(xié)議是否相同，是否需要進(jìn)行邊緣計(jì)算，分為同種協(xié)議并行采集、異構(gòu)協(xié)議并行采集、同種協(xié)議融合計(jì)算、異構(gòu)協(xié)議融合計(jì)算，具體測(cè)試方案如表1所示。

表1 多PLC協(xié)同測(cè)試方案

4 測(cè)試實(shí)例

為驗(yàn)證基于多PLC協(xié)同的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)的可行性及有效性，本次模擬某企業(yè)紡織行業(yè)水刺無紡布生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景，依據(jù)多PLC協(xié)同測(cè)試原理，從同種協(xié)議并行測(cè)試、異構(gòu)協(xié)議并行測(cè)試兩方面進(jìn)行驗(yàn)證。

該水刺無紡布生產(chǎn)線流程共涉及西門子、松下、研華、歐姆龍等十余款智能PLC。本次選擇其中的西門子S7-400、S7-1200和S7-1500，松下FP-X0，研華APAX Soft，歐姆龍CJ1M_CPU21六款PLC作為實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行同種協(xié)議、異構(gòu)協(xié)議并行測(cè)試驗(yàn)證的陪測(cè)設(shè)備，為邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)提供數(shù)據(jù)源，涉及到的數(shù)據(jù)點(diǎn)最多為1000點(diǎn)。

4.1 同種協(xié)議并行測(cè)試

同種協(xié)議并行測(cè)試包括驗(yàn)證同種協(xié)議并行采集與同種協(xié)議融合計(jì)算兩部分內(nèi)容。本次以常見的Profinet工業(yè)協(xié)議進(jìn)行功能測(cè)試和性能測(cè)試，采集端口為以太網(wǎng)口。PLC設(shè)備信息如表2所示。

表2 同種協(xié)議并行測(cè)試陪測(cè)PLC信息

4.1.1 功能測(cè)試

測(cè)試方法如下。

① 數(shù)據(jù)源準(zhǔn)備。S7-1200、S7-1500、APAX Soft三款PLC中分別定義45個(gè)模擬量，初始值均為1。測(cè)試命令觸發(fā)后，S7-1200、S7-1500、APAX Soft三款PLC中的45個(gè)模擬量分別以f(x)=x、f(x)=3x、f(x)=5x+3進(jìn)行線性變化。

② 采集配置。對(duì)被測(cè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行如下采集和計(jì)算配置：分別采集S7-1200、S7-1500、APAX Soft三款PLC中的1～15點(diǎn)、16～30點(diǎn)和31～45點(diǎn)。

③ 執(zhí)行測(cè)試，比對(duì)網(wǎng)關(guān)實(shí)際采集值和理論值。

④ 測(cè)試過程及結(jié)果輸出。如圖5所示，紅色曲線為采集值，綠色曲線為理論值，采集值與理論值一致，且基本無延遲，測(cè)試通過。

圖5 同種協(xié)議功能測(cè)試采集結(jié)果

4.1.2 性能測(cè)試

測(cè)試方法如下。

① 數(shù)據(jù)源準(zhǔn)備。S7-1200、S7-1500、APAX Soft三款PLC中定義1000個(gè)模擬量，初始值為0.1，測(cè)試命令觸發(fā)后三款陪測(cè) PLC中1000個(gè)模擬量均產(chǎn)生1個(gè)循環(huán)三角波，三角波每隔2 s加3.14，累加4次后數(shù)值歸0，以此循環(huán)。

② 采集配置。對(duì)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)進(jìn)行如下采集配置：分別采集S7-1200、S7-1500、APAX Soft三款PLC中的1～300點(diǎn)、400～600點(diǎn)和700～1000點(diǎn)。

③ 執(zhí)行測(cè)試，比對(duì)網(wǎng)關(guān)實(shí)際采集值和理論值。

④ 測(cè)試過程及結(jié)果輸出。如圖6所示，紅色曲線為采集值，綠色曲線為理論值，采集值與理論值一致，由于采集點(diǎn)數(shù)量較大，存在一定延時(shí)，測(cè)試通過。

圖6 同種協(xié)議性能測(cè)試采集結(jié)果

4.2 異構(gòu)協(xié)議并行測(cè)試

異構(gòu)協(xié)議并行測(cè)試包括驗(yàn)證異構(gòu)協(xié)議并行采集與異構(gòu)協(xié)議融合計(jì)算兩部分內(nèi)容。本次選取水刺無紡布生產(chǎn)線中常見的Modbus-RTU、S7、FINS工業(yè)協(xié)議進(jìn)行功能測(cè)試和性能測(cè)試，采集端口包含RS485串口和以太網(wǎng)口。選用的PLC設(shè)備信息如表2所示。

表2 異構(gòu)協(xié)議并行測(cè)試陪測(cè)PLC信息

4.2.1 功能測(cè)試

測(cè)試方法如下。

(1)數(shù)據(jù)源準(zhǔn)備。

① FP-X0、S7-400、CJ1M_CPU21三款 PLC中分別定義45個(gè)模擬量，初始值均為1。

② 測(cè)試命令觸發(fā)后，F(xiàn)P-X0、S7-400、CJ1M_CPU21三款PLC中的45個(gè)模擬量分別以f(x)=x、g(y)=6y、M(z)=8z+4進(jìn)行線性變化。

(2)采集配置。

對(duì)被測(cè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行如下采集配置。

① 采集CJ1M_CPU21 PLC的第1～15個(gè)點(diǎn)位,執(zhí)行如下計(jì)算。

Yi=M(zi)/4,1≤i≤15

(1)

② 分別采集FP-X0、S7-400兩款PLC的第16～30個(gè)點(diǎn)位,執(zhí)行如下計(jì)算。

Yi=F(xi)+G(yi),16≤i≤30

(2)

③ 分別采集FP-X0、S7-400、CJ1M_CPU21三款PLC的第31～45個(gè)點(diǎn)位,執(zhí)行如下計(jì)算。

(3)

④ 采集網(wǎng)關(guān)對(duì)采集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行取整操作。

(3)執(zhí)行測(cè)試，比對(duì)網(wǎng)關(guān)實(shí)際采集值和理論值。

(4)測(cè)試過程及結(jié)果輸出。如圖7所示，紅色曲線為采集值，綠色曲線為理論值，采集值與理論值一致，且基本無延遲，測(cè)試通過。

圖7 異構(gòu)協(xié)議功能測(cè)試采集結(jié)果

4.2.2 性能測(cè)試

為便于同種協(xié)議與異構(gòu)協(xié)議性能測(cè)試的比對(duì)，異構(gòu)協(xié)議的性能測(cè)試驗(yàn)證同4.1.2節(jié)，除了并行接入的PLC設(shè)備、接入?yún)f(xié)議不同外，測(cè)試方法均相同，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果與同種協(xié)議性能測(cè)試相同，此處不再贅述。

4.3 測(cè)試小結(jié)

通過同種協(xié)議、異構(gòu)協(xié)議進(jìn)行的功能測(cè)試和性能測(cè)試結(jié)果得出，基于多PLC協(xié)同的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)能夠有效地對(duì)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)并行接入、協(xié)議融合等能力進(jìn)行快速驗(yàn)證。同時(shí)，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證采集點(diǎn)位的數(shù)量對(duì)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的采集性能影響較大，工業(yè)企業(yè)在邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)選型中應(yīng)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景重點(diǎn)關(guān)注網(wǎng)關(guān)支持的并行接入?yún)f(xié)議數(shù)量及最大采集點(diǎn)數(shù)信息。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于多PLC協(xié)同的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)，創(chuàng)新性地采用可視化測(cè)試用例開發(fā)、多協(xié)議融合、多PLC并行管控技術(shù)，同時(shí)設(shè)計(jì)了同種協(xié)議并行采集、異構(gòu)協(xié)議并行采集、同種協(xié)議融合計(jì)算、異構(gòu)協(xié)議融合計(jì)算的測(cè)試方法。通過測(cè)試服務(wù)平臺(tái)下發(fā)測(cè)試命令，PLC組根據(jù)測(cè)試指令產(chǎn)生數(shù)據(jù)源，邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)依據(jù)規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與邊緣計(jì)算，測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試結(jié)果分析比對(duì)輸出，從而實(shí)現(xiàn)了多PLC協(xié)同的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)測(cè)試，最后通過功能和性能實(shí)例驗(yàn)證了該測(cè)試平臺(tái)的可行性和有效性。

該測(cè)試平臺(tái)通過模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多種異構(gòu)設(shè)備的接入環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的多設(shè)備接入能力、異構(gòu)協(xié)議兼容及多設(shè)備采集數(shù)據(jù)邊緣計(jì)算能力的測(cè)試，可以驗(yàn)證邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)對(duì)于工業(yè)典型場(chǎng)景的適配性，能夠降低工業(yè)企業(yè)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品選型的試錯(cuò)成本，助力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。