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)略目標提出“加快輕重工業(yè)的生產設備的智能化改造”，促進制造業(yè)轉型升級。在制造業(yè)轉型過程中，中國制造正面臨著以降本增效為目的的整個制造業(yè)升級變革，其核心是以智能化生產為中心,以自動化、數(shù)字化為手段來推動整個制造產業(yè)的發(fā)展[1-2]。當前，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)據采集作為數(shù)字化轉型的關口，無論是大型企業(yè)還是中小型企業(yè)，都面臨著工業(yè)設備和系統(tǒng)數(shù)據統(tǒng)一采集的難題[3]。特別是工業(yè)企業(yè)在進行生產自動化升級過程中，為了降本增效，引入的設備來自不同的供應商，其接入方式、數(shù)據格式、通信協(xié)議等都存在不同程度的差異。

工業(yè)網關作為數(shù)據采集與轉發(fā)的重要設備，大量應用于工業(yè)現(xiàn)場。尤其是近年來隨著工業(yè)互聯(lián)網的迅猛發(fā)展，通過靠近物或數(shù)據源頭的網絡邊緣側，為應用提供融合計算、存儲和網絡等資源的邊緣計算技術也得到了廣泛應用[4-5]。具備數(shù)據清洗、計算、分析能力的邊緣計算網關的需求快速上升，為賦能產業(yè)數(shù)字化升級和智能化業(yè)務融合創(chuàng)新提供數(shù)據采集支撐[6]。隨著現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展,具備高擴展性、高穩(wěn)定性的智能化可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)被廣泛應用于各類工業(yè)控制領域，用來實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場設備的開環(huán)控制、模擬量閉環(huán)、數(shù)字量控制及數(shù)據采集監(jiān)控等功能。不管是在計算機直接控制系統(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得到了廣泛應用[7]。然而，現(xiàn)階段并沒有在實驗室環(huán)境中驗證邊緣計算工業(yè)網關異構設備接入、并行數(shù)據采集和多協(xié)議轉發(fā)的方法，相關廠商通常根據自身產品應用場景做簡單的功能性驗證，用戶企業(yè)在使用邊緣計算網關產品時仍需要面臨以上復雜的現(xiàn)場環(huán)境引起的產品不穩(wěn)定性問題，而盲目的嘗試則會使工業(yè)企業(yè)產生高昂的試錯成本，如何驗證邊緣計算網關是否能夠高效穩(wěn)定地接入不同類型、不同協(xié)議的PLC，并實現(xiàn)數(shù)據的高效采集，成為亟需解決的難題[8]。

現(xiàn)階段國內外對特定應用場景的工業(yè)網關制定了相關標準，如OMG組織為了能夠實現(xiàn)DDS與OPC-UA數(shù)據轉換的實現(xiàn)，制定了OPC-UA/DDS Gateway標準[9]，數(shù)字集裝箱航運協(xié)會(DCSA)根據其具體的業(yè)務需求，制定了網關連接接口標準(IoT Container Standards——IoT Standard for Gateway Connectivity Interfaces)[10]。較國外不同，國內在制定相關技術要求標準的同時，也制定了相關的測試規(guī)范，例如傳感器網絡網關、物聯(lián)網網關制定了相關國家標準和行業(yè)標準，提出了網關的通用技術要求及功能、性能、安全方面的測試方法[11-14]。但針對邊緣計算網關多設備接入、多協(xié)議兼容、多設備并行的測試方法還未制定相關標準，國內外仍是空白。

基于多PLC設計的協(xié)同的邊緣計算網關測試平臺，是前期在工業(yè)智能網關自動化測試平臺[15]的基礎上，基于邊緣計算技術在工業(yè)網關中的快速發(fā)展應用，結合工業(yè)現(xiàn)場實際應用環(huán)境，針對邊緣計算網關測試做的迭代研究與開發(fā)。本平臺基于真實工業(yè)現(xiàn)場硬件環(huán)境，通過模擬工業(yè)產線智能化改造場景中多種異構設備接入、工業(yè)協(xié)議多樣、多數(shù)據并行采集的場景，設計多PLC協(xié)同測試方法，在實驗室條件下實現(xiàn)對邊緣計算網關能力的快速驗證。為邊緣計算網關服務商提供產品驗證新方法的同時，能夠有效提高工業(yè)企業(yè)邊緣計算網關產品選型效率，降低工業(yè)企業(yè)在數(shù)字化轉型中面臨的數(shù)據采集不穩(wěn)定的風險。

1 測試平臺設計

基于多PLC協(xié)同的邊緣計算網關測試平臺是借鑒工業(yè)智能網關自動化測試平臺的測試原理部分，對軟硬件系統(tǒng)進行了重新設計和開發(fā)。硬件部分，對PLC硬件系統(tǒng)進行了集成，實現(xiàn)了PLC設備的集中控制管理。軟件部分一方面對測試服務平臺整體網絡架構進行了升級，能夠支持串口、網口PLC設備的同時接入和測試流程的分層化管理；另一方面依據文獻[3]中對工業(yè)網關關鍵指標的定義，利用可視化技術對多PLC協(xié)同測試用例設計、開發(fā)進行了全面更新?；诙郟LC協(xié)同的邊緣計算網關測試平臺較工業(yè)智能網關自動化測試平臺在網絡架構、系統(tǒng)功能、易用性方面都得到了升級完善。

1.1 平臺網絡架構設計

基于多PLC協(xié)同的邊緣計算網關測試平臺，是通過搭建工業(yè)互聯(lián)網標準試驗驗證環(huán)境，在PLC中模擬并產生工業(yè)現(xiàn)場設備數(shù)據源，從而模擬工業(yè)環(huán)境中典型的數(shù)據采集場景。串口通信和網口通信作為工業(yè)現(xiàn)場中最為常見的PLC與工業(yè)網關的通信方式，本測試平臺通過靈活搭配網絡交換機和串口切換器，可實現(xiàn)多種典型工業(yè)場景測試環(huán)境在單平臺的集成，進而實現(xiàn)邊緣計算網關在不同工業(yè)場景下的能力測試驗證?；诙郟LC協(xié)同的邊緣計算網關測試平臺的網絡架構如圖1所示。

圖1 測試平臺網絡架構

測試平臺網絡架構包括3個部分：測試服務平臺、PLC集成硬件平臺和被測網關。其中，PLC作為被測網關的數(shù)據采集對象，可由多款串口PLC或者網口PLC組成，根據PLC的通信接口方式，采用串口切換器或網絡交換機接入測試平臺，實現(xiàn)與被測網關的物理連接，完成測試數(shù)據的傳遞。測試平臺網絡架構圖中通過箭頭標識了數(shù)據流向。

① 部署在本地服務器中的測試服務平臺下發(fā)測試命令，包含測試用例、陪測設備(PLC)調度、執(zhí)行周期等信息。

② 在PLC集成硬件平臺中的I/O管理器接收到測試命令后，觸發(fā)內置測試用例程序的PLC產生數(shù)據源。

③ 被測網關通過網絡交換機或串口切換器采集PLC數(shù)據。

④ 測試服務平臺接收被測網關轉發(fā)的采集數(shù)據，并與平臺內產生的理論數(shù)據做比對，最終輸出測試報告。

1.2 平臺系統(tǒng)架構設計

基于多PLC協(xié)同的邊緣計算網關測試平臺采用分層架構進行設計與開發(fā)，分為數(shù)據源層、邊緣層、平臺層和應用層4個層級，其系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 測試平臺系統(tǒng)架構

數(shù)據源層由各類可以模擬工業(yè)現(xiàn)場設備數(shù)據的PLC組成，用于模擬多種典型工業(yè)場景下的工業(yè)設備現(xiàn)場數(shù)據，供被測網關采集；邊緣層包括被測網關和本地服務器，被測網關是平臺系統(tǒng)的測試對象，本地服務器部署了測試用例算法開發(fā)環(huán)境，用于產生相應的理論數(shù)據以及將數(shù)據分析結果上傳至平臺層；平臺層由多個微服務構成，實現(xiàn)數(shù)據的接收、分析、存儲以及測試流程、測試報告的管理；應用層則提供了多項服務的具體應用模塊，通過這些模塊的協(xié)作，進行測試相關操作，以及獲取相應測試結果的測試報告。

1.3 平臺硬件架構設計

為滿足工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中多種異構設備接入、工業(yè)協(xié)議多樣、多數(shù)據并行采集場景模擬的需要，基于多PLC協(xié)同的邊緣計算網關測試平臺需要能夠支持多款PLC的接入及管理，滿足模擬工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境實際采集需求?；诙郟LC協(xié)同的邊緣計算網關測試平臺硬件組成主要包括3個部分：本地服務器、PLC 集成硬件平臺、被測網關。

本地服務器是測試平臺的核心，部署了測試服務平臺軟件，用于測試命令的下發(fā)，PLC設備的管理，測試數(shù)據及過程信息的采集、分析、處理、計算與存儲。PLC集成硬件平臺由多種PLC和I/O管理器組成，PLC中內置測試用例程序，提供測試數(shù)據源；I/O管理器通過接收測試服務平臺的指令實現(xiàn)對PLC的管理。被測網關作為被測試對象，接入測試服務平臺后，經過一系列案例的測試，最終由平臺輸出該被測網關在功能和性能方面的測試結果。

由于本地服務器受限于存儲空間及網絡傳輸，目前只適用于局域網內實驗室邊緣計算網關的測試，而對于廣域網內應用的邊緣計算網關，將在下一階段迭代研發(fā)的云端測試平臺上進行相關能力的快速驗證。

1.4 軟件架構設計

基于多PLC協(xié)同的邊緣計算網關測試平臺的測試流程如圖3所示。測試流程詳細描述見1.1章節(jié)。

圖3 邊緣計算網關測試流程圖

基于多PLC協(xié)同的邊緣計算網關測試平臺需要實現(xiàn)邊緣計算網關本地化測試服務?；诰W絡架構設計及系統(tǒng)架構設計，本測試平臺需要實現(xiàn)源數(shù)據的開發(fā)、采集數(shù)據的處理分析和測試流程管理等主要功能。

源數(shù)據的開發(fā)主要使用一種市面上新興的可視化組態(tài)軟件——測試用例算法開發(fā)器(將在第2節(jié)進行詳細描述)，對不同的PLC進行測試用例的開發(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)據的處理分析和流程管理依賴于測試服務平臺軟件來實現(xiàn)。測試服務平臺軟件使用Docker容器技術和數(shù)據引擎技術，基于系統(tǒng)數(shù)據庫模型，實現(xiàn)多協(xié)議數(shù)據的開發(fā)、測試過程流轉控制、測試數(shù)據分析及比對，以及測試報告輸出等功能。

測試平臺軟件架構設計部分目前只能滿足單個測試任務的執(zhí)行，無法進行多款邊緣計算網關的并行測試驗證。多測試任務的并行執(zhí)行將有效提高測試平臺的使用效率，將在下一步迭代中進行。

2 關鍵技術

2.1 可視化測試用例開發(fā)技術

組態(tài)軟件通常指在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，能夠為用戶提供快速構建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具，廣泛應用于工業(yè)控制領域[16]。本文使用IAPlogic(V1.0.4)可視化組態(tài)軟件工具[17](測試用例算法開發(fā)器)進行測試源數(shù)據和理論數(shù)據的開發(fā)。

① 測試源數(shù)據開發(fā)?；谠摴ぞ?，設計了一種快速進行PLC測試用例開發(fā)的方法，較普通的PLC編程需要適應多種編程協(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→進行測試用例開發(fā)及調試→將測試用例下載到PLC中→根據指令運行PLC中相應的測試用例。

② 測試理論數(shù)據開發(fā)。依據PLC中測試用例設計，使用該工具在測試服務平臺組態(tài)不同的理論值數(shù)據、測試分析邏輯，實現(xiàn)測試分析過程數(shù)據比對的可視化。實時查看各個測試用例的理論值和采集值的變化規(guī)律、數(shù)據變化趨勢圖。通過可視化手段，輔助測試人員掌握測試過程。測試用例開發(fā)器可視化環(huán)境如圖4所示。

圖4 測試用例開發(fā)器可視化環(huán)境

2.2 多協(xié)議融合技術

本測試平臺根據接入PLC的類型，支持多種工業(yè)網關下行通信協(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，同時支持協(xié)議擴展。

被測網關接收測試服務平臺的命令，對接入的并行協(xié)議數(shù)據進行解析、組包等融合處理操作，轉換為上行所需的Modbus TCP、MQTT、OPC UA、HTTP等協(xié)議類型，發(fā)送給測試服務平臺，進行采集結果與理論值的比對。

2.3 多PLC并行管控技術

本測試平臺創(chuàng)新性地采用了多類型PLC硬件集成技術，實現(xiàn)PLC的并行控制與管理。通過I/O管理器接收測試服務平臺下傳的測試用例編號和測試用例參數(shù)，發(fā)送給測試PLC組，從而觸發(fā)相關PLC產生相應測試用例的數(shù)據變化規(guī)律的數(shù)據源，供被測對象進行數(shù)據采集。同時，I/O管理器接收PLC組反饋的數(shù)據，包括PLC開關狀態(tài)信號、PLC異常狀態(tài)信號、PLC模擬量寫值信號，并將這些信號發(fā)送給測試控制臺，用于實現(xiàn)對PLC組狀態(tài)的實時監(jiān)視。

3 多PLC協(xié)同測試原理

根據工業(yè)現(xiàn)場異構設備接入、工業(yè)協(xié)議兼容、數(shù)據采集處理等實際場景需求，本測試平臺對邊緣計算網關的并行采集、融合計算能力進行測試。根據并行協(xié)議是否相同，是否需要進行邊緣計算，分為同種協(xié)議并行采集、異構協(xié)議并行采集、同種協(xié)議融合計算、異構協(xié)議融合計算，具體測試方案如表1所示。

表1 多PLC協(xié)同測試方案

4 測試實例

為驗證基于多PLC協(xié)同的邊緣計算網關測試平臺的可行性及有效性，本次模擬某企業(yè)紡織行業(yè)水刺無紡布生產線數(shù)據采集場景，依據多PLC協(xié)同測試原理，從同種協(xié)議并行測試、異構協(xié)議并行測試兩方面進行驗證。

該水刺無紡布生產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作為實驗室條件進行同種協(xié)議、異構協(xié)議并行測試驗證的陪測設備，為邊緣計算網關提供數(shù)據源，涉及到的數(shù)據點最多為1000點。

4.1 同種協(xié)議并行測試

同種協(xié)議并行測試包括驗證同種協(xié)議并行采集與同種協(xié)議融合計算兩部分內容。本次以常見的Profinet工業(yè)協(xié)議進行功能測試和性能測試，采集端口為以太網口。PLC設備信息如表2所示。

表2 同種協(xié)議并行測試陪測PLC信息

4.1.1 功能測試

測試方法如下。

① 數(shù)據源準備。S7-1200、S7-1500、APAX Soft三款PLC中分別定義45個模擬量，初始值均為1。測試命令觸發(fā)后，S7-1200、S7-1500、APAX Soft三款PLC中的45個模擬量分別以f(x)=x、f(x)=3x、f(x)=5x+3進行線性變化。

② 采集配置。對被測網關進行如下采集和計算配置：分別采集S7-1200、S7-1500、APAX Soft三款PLC中的1～15點、16～30點和31～45點。

③ 執(zhí)行測試，比對網關實際采集值和理論值。

④ 測試過程及結果輸出。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，測試通過。

圖5 同種協(xié)議功能測試采集結果

4.1.2 性能測試

測試方法如下。

① 數(shù)據源準備。S7-1200、S7-1500、APAX Soft三款PLC中定義1000個模擬量，初始值為0.1，測試命令觸發(fā)后三款陪測 PLC中1000個模擬量均產生1個循環(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。對邊緣計算網關進行如下采集配置：分別采集S7-1200、S7-1500、APAX Soft三款PLC中的1～300點、400～600點和700～1000點。

③ 執(zhí)行測試，比對網關實際采集值和理論值。

④ 測試過程及結果輸出。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，由于采集點數(shù)量較大，存在一定延時，測試通過。

圖6 同種協(xié)議性能測試采集結果

4.2 異構協(xié)議并行測試

異構協(xié)議并行測試包括驗證異構協(xié)議并行采集與異構協(xié)議融合計算兩部分內容。本次選取水刺無紡布生產線中常見的Modbus-RTU、S7、FINS工業(yè)協(xié)議進行功能測試和性能測試，采集端口包含RS485串口和以太網口。選用的PLC設備信息如表2所示。

表2 異構協(xié)議并行測試陪測PLC信息

4.2.1 功能測試

測試方法如下。

(1)數(shù)據源準備。

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

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

(2)采集配置。

對被測網關進行如下采集配置。

① 采集CJ1M_CPU21 PLC的第1～15個點位,執(zhí)行如下計算。

Yi=M(zi)/4,1≤i≤15

(1)

② 分別采集FP-X0、S7-400兩款PLC的第16～30個點位,執(zhí)行如下計算。

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個點位,執(zhí)行如下計算。

(3)

④ 采集網關對采集上來的數(shù)據進行取整操作。

(3)執(zhí)行測試，比對網關實際采集值和理論值。

(4)測試過程及結果輸出。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，測試通過。

圖7 異構協(xié)議功能測試采集結果

4.2.2 性能測試

為便于同種協(xié)議與異構協(xié)議性能測試的比對，異構協(xié)議的性能測試驗證同4.1.2節(jié)，除了并行接入的PLC設備、接入協(xié)議不同外，測試方法均相同，經測試驗證測試結果與同種協(xié)議性能測試相同，此處不再贅述。

4.3 測試小結

通過同種協(xié)議、異構協(xié)議進行的功能測試和性能測試結果得出，基于多PLC協(xié)同的邊緣計算網關測試平臺能夠有效地對邊緣計算網關并行接入、協(xié)議融合等能力進行快速驗證。同時，經實際驗證采集點位的數(shù)量對邊緣計算網關的采集性能影響較大，工業(yè)企業(yè)在邊緣計算網關選型中應結合實際應用場景重點關注網關支持的并行接入協(xié)議數(shù)量及最大采集點數(shù)信息。

5 結束語

本文設計了一種基于多PLC協(xié)同的邊緣計算網關測試平臺，創(chuàng)新性地采用可視化測試用例開發(fā)、多協(xié)議融合、多PLC并行管控技術，同時設計了同種協(xié)議并行采集、異構協(xié)議并行采集、同種協(xié)議融合計算、異構協(xié)議融合計算的測試方法。通過測試服務平臺下發(fā)測試命令，PLC組根據測試指令產生數(shù)據源，邊緣計算網關依據規(guī)則進行數(shù)據采集與邊緣計算，測試平臺進行測試結果分析比對輸出，從而實現(xiàn)了多PLC協(xié)同的邊緣計算網關測試，最后通過功能和性能實例驗證了該測試平臺的可行性和有效性。

該測試平臺通過模擬工業(yè)現(xiàn)場多種異構設備的接入環(huán)境，實現(xiàn)了對工業(yè)邊緣計算網關的多設備接入能力、異構協(xié)議兼容及多設備采集數(shù)據邊緣計算能力的測試，可以驗證邊緣計算網關對于工業(yè)典型場景的適配性，能夠降低工業(yè)企業(yè)網關產品選型的試錯成本，助力企業(yè)數(shù)字化轉型。