閔曉霜，蒯 亮，房志奇，董 巖，靳書云，楊 躍

（中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所，北京 100083）

0 引言

“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃確定了我國制造業(yè)的發(fā)展路徑和中長期發(fā)展目標，隨著智能制造發(fā)展駛入快車道，我國正式跨入工業(yè)4.0 時代[1-2]。作為工業(yè)控制系統(tǒng)的核心基礎設備，可編程邏輯控制器（PLC）能夠在其內部存儲并執(zhí)行各種指令[3]，通過數(shù)字式或模擬式的輸入與輸出，對工業(yè)現(xiàn)場的各類設備或生產(chǎn)線進行控制，實現(xiàn)自動化控制乃至智能控制。

近年來，國內外爆發(fā)了大量針對工控系統(tǒng)進行網(wǎng)絡攻擊的事件，給我國的工控安全敲響了警鐘。同時，信息化、工業(yè)化的深度融合與“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的全面推進，促使工控網(wǎng)絡日益開放，PLC 控制系統(tǒng)面臨的安全形勢也日益嚴峻[4]。因此，自主研發(fā)PLC 產(chǎn)品和相應控制軟件勢在必行，尤其是在航空航天、水利水電、國防軍工等高端應用領域，對國產(chǎn)高性能PLC 產(chǎn)品有著迫切的需求。但由于國產(chǎn)大型PLC 尚處于起步階段，產(chǎn)品之間性能的差異以及是否能夠滿足應用需求尚缺少統(tǒng)一的標準與評價方法。本系統(tǒng)旨在通過搭建國產(chǎn)高性能PLC的指標測試對比平臺，橫向對比國外主流PLC 產(chǎn)品，對國產(chǎn)PLC 關鍵性能指標、應用能力進行分析與實證，建立一套完整且可擴展的評價體系，推動國產(chǎn)PLC 走向規(guī)范化、標準化、規(guī)?；鼮橛脩暨x用國產(chǎn)PLC 提供參考依據(jù)。

1 技術背景

1.1 自動化測試技術

本文的國產(chǎn)高性能PLC 測試平臺，采用自動化測試技術來替代傳統(tǒng)的手工測試，通過編寫自動化測試軟件來測試PLC 的功能、性能等指標。這樣不僅能夠避免人工測試引入錯誤，提高測試的有效性和可重復性，而且能夠更接近PLC 在工業(yè)現(xiàn)場的工作情況。

（1）建立了一套自動化測試流程，包括：測試配置、啟動測試、下裝測試用例、執(zhí)行測試用例、采集分析測試數(shù)據(jù)、測試結果比較。通過簡單的選擇與設置，啟動測試后無需其他操作，測試指令的執(zhí)行采用測試腳本，根據(jù)指令選擇相應的案例進行下裝并啟動運行，在測試平臺就可以直觀地觀察測試結果及可視化地分析。

（2）采用了數(shù)據(jù)驅動測試框架。將輸入數(shù)據(jù)獨立于測試流程單獨存儲，測試執(zhí)行過程中，通過讀取數(shù)據(jù)文件并發(fā)送給PLC 實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)輸入，從而能夠實現(xiàn)同樣的測試流程、測試案例匹配不同的輸入數(shù)據(jù)，形成多個測試用例，同時避免了PLC 程序的多次編譯。

（3）預設各型號PLC 測試案例庫。由于各型號PLC采用各自對應的邏輯編程軟件進行控制邏輯組態(tài)，因此本系統(tǒng)針對不同PLC 分別預設測試案例庫，采用各自的邏輯組態(tài)軟件進行預編程并編譯，當接收到綜合測試平臺的測試指令后，根據(jù)指令下裝相應的測試程序并啟動，同時運行相應的PLC 監(jiān)控程序。

如上所述，測試數(shù)據(jù)及測試案例由用戶進行預編程和管理，與測試流程相分離，降低了測試內容與測試過程的耦合性，提升了測試案例的可維護性與可重復性，并提升了整個測試平臺的通用性。

1.2 硬件在回路技術

硬件在回路（HiL）構建了包含實時處理器、I/O 接口以及虛擬對象的測試閉環(huán)，仿真系統(tǒng)中物理上并不存在的部分[5-6]，可以提高測試效率、方便IO 擴展、降低建設成本。本系統(tǒng)采用硬件在回路技術，建立實時控制器+虛擬仿真的工業(yè)現(xiàn)場控制，進一步測試國產(chǎn)PLC 和國外產(chǎn)品滿足工業(yè)現(xiàn)場應用的能力，可通過虛擬仿真來擴大系統(tǒng)的應用范圍和測試范圍。

（1）等效仿真模型。系統(tǒng)采用等效仿真技術，通過硬件板卡+仿真軟件的方式等效模擬受控設備，與PLC進行IO 通信。基于LabVIEW 的仿真軟件通過PCI 總線與PCI 板卡直接進行通信，主要作為設備仿真的圖形界面，進行狀態(tài)顯示和控制，編寫動作邏輯進行PLC 信號的接收和將信號反饋給PLC。硬件板卡選用研華的I/O板 卡，包 括PCI-1758UDI（DI）、PCI-1758UDO（DO）、PCI-1747U（AI）、PCI-1724U（DO）4 個型號，PLC 的DO輸出數(shù)字量信號給DI 板卡，PLC 的DI 接收來自DO 板卡的數(shù)字量信號，PLC 的AO 輸出模擬量信號給AI 板卡，PLC 的AI 接收來自AO 板卡的模擬量信號，值得注意的是，IO 模塊與板卡之間需經(jīng)過信號調理，將信號轉換為雙方均可識別，此處采用隔離柵進行信號隔離及轉換。

（2）虛擬工業(yè)現(xiàn)場。工業(yè)現(xiàn)場層主要包含一些生產(chǎn)設備執(zhí)行機構，PLC 通過信號采集與輸出來控制執(zhí)行機構動作，實現(xiàn)生產(chǎn)任務。本系統(tǒng)以油庫管理為應用背景，采用NI LabVIEW 仿真軟件搭建虛擬的油庫管理仿真系統(tǒng)等，模擬真實設備控制功能和控制過程，綜合測試平臺從PLC 采集關鍵工藝參數(shù)，以此評價各PLC 的控制能力。

2 測試平臺設計

系統(tǒng)的主要思路是通過與主流國外產(chǎn)品進行橫向對比，建立一套高性能PLC 的評價標準，直觀地展現(xiàn)出國產(chǎn)PLC 的功能優(yōu)劣及性能差異，為用戶了解、選擇國產(chǎn)PLC 提供依據(jù)；同時，通過搭建等效仿真的虛擬被控對象模型，以低成本、高效率的方式復現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)總體設計

測試平臺的設計采用分層架構，在典型的工業(yè)控制系統(tǒng)三層結構之上，增加了平臺管理層，并在監(jiān)測層增加了測試執(zhí)行控制功能，通過測試總體控制軟件管理各套PLC 控制系統(tǒng)的測試執(zhí)行與反饋，各層之間通過共享測試案例、通信協(xié)議、信號傳輸?shù)确绞竭M行信息交互。系統(tǒng)總體架構如圖1 所示。平臺管理層包括綜合總體控制軟件、指標分析軟件，負責測試平臺的總體管理和測試結果分析展示；測試監(jiān)視層包括三套PLC 編程軟件、PLC 監(jiān)視軟件和測試執(zhí)行軟件，負責管理測試案例、根據(jù)測試指令進行測試案例的下裝，并監(jiān)視PLC 控制系統(tǒng)執(zhí)行的工藝流程，每套對應各自的PLC；控制采集層包含了三套PLC，分別執(zhí)行控制邏輯，控制現(xiàn)場設備執(zhí)行動作，同時采集設備的狀態(tài)信息；現(xiàn)場設備層包含三套虛擬仿真模型系統(tǒng)，分別對應不同的PLC，負責執(zhí)行動作并將狀態(tài)反饋給PLC。

圖1 系統(tǒng)總體架構

2.2 硬件設計

系統(tǒng)主要包括三部分：綜合測試平臺、PLC 控制系統(tǒng)和等效仿真系統(tǒng)。

（1）綜合測試平臺是系統(tǒng)的核心部分，作為整個測試系統(tǒng)的前端，提供PLC 自動化測試的人機交互接口。用戶能夠根據(jù)需要選擇參與評測的PLC；能夠設置測試對象及內容，根據(jù)設置將測試用例下裝到待測PLC 控制器中；能夠實時觀察測試結果，從PLC 采集測試結果數(shù)據(jù)進行分析比較、展示，并針對測試內容自動生成測試報告。

（2）PLC 控制系統(tǒng)是系統(tǒng)的測試對象，同時負責執(zhí)行控制邏輯，本系統(tǒng)選用了超御N 系列、南大傲拓NA400 系列兩款高性能國產(chǎn)PLC，以及主流的高性能國外產(chǎn)品——西門子S7-400PLC 進行指標測試及對比，各PLC 系統(tǒng)包含硬件模塊以及上位機邏輯組態(tài)、監(jiān)控組態(tài)軟件。超御PLC 系統(tǒng)包含硬件模塊及配套組態(tài)軟件SCProSys、監(jiān)控軟件SC-ProView，南大傲拓PLC 系統(tǒng)包含NA400 型CPU、NA300 型I/O 及配套 組態(tài)軟 件NA-Pro、監(jiān)控軟件NA-ProView，西門子PLC 系統(tǒng)包含S7400 型CPU 及S7300 型I/O 及配套組態(tài)軟件STEP7、監(jiān)控軟件WinCC。

（3）等效仿真系統(tǒng)是PLC 控制對象的模型系統(tǒng)，能夠軟件模擬真實被控設備，接收PLC 控制信號進行動作并將狀態(tài)反饋給PLC，包括PCI 板卡以及基于LabVIEW搭建的虛擬仿真工業(yè)環(huán)境；同時還建立了零件模型庫，用戶可以采用圖形編程方式，基于零件模型庫對有關零件進行自由組合，構建新的虛擬控制對象，也可以根據(jù)測試需要擴展工業(yè)場景。

如上，綜合測試平臺進行測試配置并對測試數(shù)據(jù)進行采集、分析和展示，PLC 控制系統(tǒng)執(zhí)行測試用例控制邏輯，等效仿真系統(tǒng)模擬執(zhí)行機構動作并反饋，三者共同形成了一個測試閉環(huán)，實現(xiàn)高效、可重復的自動化測試。

2.3 軟件設計

PLC 指標分析軟件通過需求捕捉、需求分析、設計、開發(fā)和測試等關鍵過程實現(xiàn)。軟件設計完成功能設計、算法設計、結構設計、模塊設計等內容，軟件開發(fā)環(huán)境包括跨平臺開發(fā)框架Qt、設計建模工具Rational RoseBPwinERBuilder 等。軟件功能由系統(tǒng)功能及應用功能組成。系統(tǒng)功能為軟件提供的關于軟件系統(tǒng)使用及維護等功能，包含用戶登錄管理、權限分配管理、日志管理、報表管理、界面管理等。應用功能為PLC 指標分析內容所需各實際功能項，包含登錄界面、平臺簡介、PLC 狀態(tài)監(jiān)視、技術指標測試、指標分析在線顯示、報表輸出及打印等。軟件功能如圖2 所示。

圖2 PLC 指標分析軟件功能組成

3 PLC 指標分析過程

3.1 測試流程

本平臺提供了一種國產(chǎn)高性能PLC 的自動化測試方法及系統(tǒng)，能夠高效地測試PLC 的功能、性能及可靠性。主要測試流程如圖3 所示。

圖3 自動化測試流程

（1）登錄綜合測試平臺，選擇測試目標PLC，可選擇部分或全部PLC 進行測試；然后選擇測試方案，分為基本指標測試和應用指標測試兩種，基本指標主要針對PLC 自身的功能、性能指標，應用指標測試則是基于不同工業(yè)應用場景來評價PLC 控制能力的指標。

（2）啟動測試，綜合測試平臺根據(jù)用戶的設置生成包含測試方案信息的指令；通過以太網(wǎng)將指令發(fā)送給各待測PLC 監(jiān)控主機，測試控制終端根據(jù)指令運行腳本，根據(jù)測試方案從案例庫中提取預設的測試案例，登錄PLC 控制器，下裝測試案例到PLC 控制器并啟動。

（3）PLC 控制器執(zhí)行測試程序，與對應的等效仿真系統(tǒng)通過PCI 板卡進行IO 通信，控制等效仿真模型執(zhí)行動作，再通過PCI 板卡將模型狀態(tài)反饋給PLC，PLC 判斷計算指標。

（4）綜合測試平臺從待測PLC 采集指標數(shù)據(jù)，然后平臺對各PLC 的指標進行橫向對比，能夠以表格、柱狀圖、趨勢圖等方式分析顯示，可計算結果的平均值，用戶能夠實時查看對比情況，且用戶可自行設置圖表樣式等。

（5）測試執(zhí)行完成后，綜合測試平臺根據(jù)測試數(shù)據(jù)自動生成測試評價報告，并支持報告打印，測試過程結束。

3.2 PLC 指標分析

根據(jù)高性能PLC 的實際應用需求，同時結合對主流大型PLC 的深入調研，本測試平臺對PLC 設備的工作速度、中斷響應速度、滿載運行速度、持續(xù)運行工作速度等CPU 核心性能指標，輸出響應時間、外加干擾輸出響應時間、信號采集誤差率、信號采集靈敏度等關鍵IO 性能指標進行量化測試比較。具體測試指標及測試原理如表1 所示。

表1 PLC 動態(tài)性能指標

指標分析界面如圖4 所示。以CPU 工作速度為例，通過執(zhí)行a=a+1 指令，并將執(zhí)行時間放大5 000 倍（計算5 000 次），能夠比較三種PLC 執(zhí)行指令的時間，用時越短工作速度越快，用時越長則工作速度越慢，具體分析見表2。

表2 CPU 工作速度指標分析

圖4 指標分析界面

4 工業(yè)應用場景測試實例

在工控領域，油庫管理系統(tǒng)的控制工藝具有一定的代表性，技能驗證離散控制又能驗證流程控制，本系統(tǒng)建立了一套油庫管理的應用場景，驗證并測試PLC 的控制功能。通過對油罐的動態(tài)管理實現(xiàn)油庫內作業(yè)自動化，包括對油罐狀態(tài)監(jiān)視與管理、油料加注、供油、轉油等功能。采用虛擬的油罐、流量計、液位計、閥門、泵等設備，根據(jù)油罐的罐號、油面高度、關鍵液位、實際容量等狀態(tài)進行控制，液位控制邏輯為：(1）達到高液位時能自動停泵或轉罐；(2）當油罐達到高高液位時，系統(tǒng)必須強制指令發(fā)出停止進油、關閥、停泵并進行報警；(3）使用油罐達到低液位時，能自動關閉使用油罐的出油閥門，并自動轉換其他油罐使用。油庫管理系統(tǒng)的仿真模型畫面如圖5 所示。

圖5 油庫管理系統(tǒng)

以上是油罐動態(tài)管理系統(tǒng)的工作原理，PLC 控制系統(tǒng)是此套系統(tǒng)重要組成單元，PLC 通過邏輯編程，下裝后實現(xiàn)整套動態(tài)管理過程。

5 結論

本系統(tǒng)建立了一套多型號PLC 橫向對比、虛擬等效可擴展、豐富多維指標體系等相結合的國產(chǎn)高性能PLC自動化測試平臺，也建立了一套國產(chǎn)控制系統(tǒng)的試驗系統(tǒng)及評價方法。工業(yè)4.0 時代的來臨在給國產(chǎn)PLC 帶來機遇的同時也提出了更高的標準，國產(chǎn)高端PLC 將向著更加智能化、個性化的方向發(fā)展。本系統(tǒng)將繼續(xù)優(yōu)化，建立更加全面、精細、智能化的指標體系和試驗環(huán)境，助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全可控發(fā)展。