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(tuán)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(biāo)，隨著智能制造發(fā)展駛?cè)肟燔嚨?，我國正式跨入工業(yè)4.0 時(shí)代[1-2]。作為工業(yè)控制系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)設(shè)備，可編程邏輯控制器（PLC）能夠在其內(nèi)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(shè)備或生產(chǎn)線進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制乃至智能控制。

近年來，國內(nèi)外爆發(fā)了大量針對工控系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攻擊的事件，給我國的工控安全敲響了警鐘。同時(shí)，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(jìn)，促使工控網(wǎng)絡(luò)日益開放，PLC 控制系統(tǒng)面臨的安全形勢也日益嚴(yán)峻[4]。因此，自主研發(fā)PLC 產(chǎn)品和相應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用需求尚缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與評價(jià)方法。本系統(tǒng)旨在通過搭建國產(chǎn)高性能PLC的指標(biāo)測試對比平臺，橫向?qū)Ρ葒庵髁鱌LC 產(chǎn)品，對國產(chǎn)PLC 關(guān)鍵性能指標(biāo)、應(yīng)用能力進(jìn)行分析與實(shí)證，建立一套完整且可擴(kuò)展的評價(jià)體系，推動(dòng)國產(chǎn)PLC 走向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化，更為用戶選用國產(chǎn)PLC 提供參考依據(jù)。

1 技術(shù)背景

1.1 自動(dòng)化測試技術(shù)

本文的國產(chǎn)高性能PLC 測試平臺，采用自動(dòng)化測試技術(shù)來替代傳統(tǒng)的手工測試，通過編寫自動(dòng)化測試軟件來測試PLC 的功能、性能等指標(biāo)。這樣不僅能夠避免人工測試引入錯(cuò)誤，提高測試的有效性和可重復(fù)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(dòng)化測試流程，包括：測試配置、啟動(dòng)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(jié)果比較。通過簡單的選擇與設(shè)置，啟動(dòng)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(yīng)的案例進(jìn)行下裝并啟動(dòng)運(yùn)行，在測試平臺就可以直觀地觀察測試結(jié)果及可視化地分析。

（2）采用了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)測試框架。將輸入數(shù)據(jù)獨(dú)立于測試流程單獨(dú)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(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)輸入，從而能夠?qū)崿F(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(gè)測試用例，同時(shí)避免了PLC 程序的多次編譯。

（3）預(yù)設(shè)各型號PLC 測試案例庫。由于各型號PLC采用各自對應(yīng)的邏輯編程軟件進(jìn)行控制邏輯組態(tài)，因此本系統(tǒng)針對不同PLC 分別預(yù)設(shè)測試案例庫，采用各自的邏輯組態(tài)軟件進(jìn)行預(yù)編程并編譯，當(dāng)接收到綜合測試平臺的測試指令后，根據(jù)指令下裝相應(yīng)的測試程序并啟動(dòng)，同時(shí)運(yùn)行相應(yīng)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(jìn)行預(yù)編程和管理，與測試流程相分離，降低了測試內(nèi)容與測試過程的耦合性，提升了測試案例的可維護(hù)性與可重復(fù)性，并提升了整個(gè)測試平臺的通用性。

1.2 硬件在回路技術(shù)

硬件在回路（HiL）構(gòu)建了包含實(shí)時(shí)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(kuò)展、降低建設(shè)成本。本系統(tǒng)采用硬件在回路技術(shù)，建立實(shí)時(shí)控制器+虛擬仿真的工業(yè)現(xiàn)場控制，進(jìn)一步測試國產(chǎn)PLC 和國外產(chǎn)品滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的能力，可通過虛擬仿真來擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)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(shù)，通過硬件板卡+仿真軟件的方式等效模擬受控設(shè)備，與PLC進(jìn)行IO 通信?；贚abVIEW 的仿真軟件通過PCI 總線與PCI 板卡直接進(jìn)行通信，主要作為設(shè)備仿真的圖形界面，進(jìn)行狀態(tài)顯示和控制，編寫動(dòng)作邏輯進(jìn)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(gè)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(diào)理，將信號轉(zhuǎn)換為雙方均可識別，此處采用隔離柵進(jìn)行信號隔離及轉(zhuǎn)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(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)，PLC 通過信號采集與輸出來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)。本系統(tǒng)以油庫管理為應(yīng)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(shí)設(shè)備控制功能和控制過程，綜合測試平臺從PLC 采集關(guān)鍵工藝參數(shù)，以此評價(jià)各PLC 的控制能力。

2 測試平臺設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要思路是通過與主流國外產(chǎn)品進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋⒁惶赘咝阅躊LC 的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)，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(fù)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

測試平臺的設(shè)計(jì)采用分層架構(gòu)，在典型的工業(yè)控制系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)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(jìn)行信息交互。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。平臺管理層包括綜合總體控制軟件、指標(biāo)分析軟件，負(fù)責(zé)測試平臺的總體管理和測試結(jié)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(fù)責(zé)管理測試案例、根據(jù)測試指令進(jìn)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(yīng)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(shè)備執(zhí)行動(dòng)作，同時(shí)采集設(shè)備的狀態(tài)信息；現(xiàn)場設(shè)備層包含三套虛擬仿真模型系統(tǒng)，分別對應(yīng)不同的PLC，負(fù)責(zé)執(zhí)行動(dòng)作并將狀態(tài)反饋給PLC。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 硬件設(shè)計(jì)

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(gè)測試系統(tǒng)的前端，提供PLC 自動(dòng)化測試的人機(jī)交互接口。用戶能夠根據(jù)需要選擇參與評測的PLC；能夠設(shè)置測試對象及內(nèi)容，根據(jù)設(shè)置將測試用例下裝到待測PLC 控制器中；能夠?qū)崟r(shí)觀察測試結(jié)果，從PLC 采集測試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較、展示，并針對測試內(nèi)容自動(dòng)生成測試報(bào)告。

（2）PLC 控制系統(tǒng)是系統(tǒng)的測試對象，同時(shí)負(fù)責(zé)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(jìn)行指標(biāo)測試及對比，各PLC 系統(tǒng)包含硬件模塊以及上位機(jī)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(shí)被控設(shè)備，接收PLC 控制信號進(jìn)行動(dòng)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(shí)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(guān)零件進(jìn)行自由組合，構(gòu)建新的虛擬控制對象，也可以根據(jù)測試需要擴(kuò)展工業(yè)場景。

如上，綜合測試平臺進(jìn)行測試配置并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)構(gòu)動(dòng)作并反饋，三者共同形成了一個(gè)測試閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)高效、可重復(fù)的自動(dòng)化測試。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

PLC 指標(biāo)分析軟件通過需求捕捉、需求分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)和測試等關(guān)鍵過程實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)完成功能設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)等內(nèi)容，軟件開發(fā)環(huán)境包括跨平臺開發(fā)框架Qt、設(shè)計(jì)建模工具Rational RoseBPwinERBuilder 等。軟件功能由系統(tǒng)功能及應(yīng)用功能組成。系統(tǒng)功能為軟件提供的關(guān)于軟件系統(tǒng)使用及維護(hù)等功能，包含用戶登錄管理、權(quán)限分配管理、日志管理、報(bào)表管理、界面管理等。應(yīng)用功能為PLC 指標(biāo)分析內(nèi)容所需各實(shí)際功能項(xiàng)，包含登錄界面、平臺簡介、PLC 狀態(tài)監(jiān)視、技術(shù)指標(biāo)測試、指標(biāo)分析在線顯示、報(bào)表輸出及打印等。軟件功能如圖2 所示。

圖2 PLC 指標(biāo)分析軟件功能組成

3 PLC 指標(biāo)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(dòng)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(dòng)化測試流程

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

（2）啟動(dòng)測試，綜合測試平臺根據(jù)用戶的設(shè)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(jī)，測試控制終端根據(jù)指令運(yùn)行腳本，根據(jù)測試方案從案例庫中提取預(yù)設(shè)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(dòng)。

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

（4）綜合測試平臺從待測PLC 采集指標(biāo)數(shù)據(jù)，然后平臺對各PLC 的指標(biāo)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，能夠以表格、柱狀圖、趨勢圖等方式分析顯示，可計(jì)算結(jié)果的平均值，用戶能夠?qū)崟r(shí)查看對比情況，且用戶可自行設(shè)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(dòng)生成測試評價(jià)報(bào)告，并支持報(bào)告打印，測試過程結(jié)束。

3.2 PLC 指標(biāo)分析

根據(jù)高性能PLC 的實(shí)際應(yīng)用需求，同時(shí)結(jié)合對主流大型PLC 的深入調(diào)研，本測試平臺對PLC 設(shè)備的工作速度、中斷響應(yīng)速度、滿載運(yùn)行速度、持續(xù)運(yùn)行工作速度等CPU 核心性能指標(biāo)，輸出響應(yīng)時(shí)間、外加干擾輸出響應(yīng)時(shí)間、信號采集誤差率、信號采集靈敏度等關(guān)鍵IO 性能指標(biāo)進(jìn)行量化測試比較。具體測試指標(biāo)及測試原理如表1 所示。

表1 PLC 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)

指標(biāo)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(shí)間放大5 000 倍（計(jì)算5 000 次），能夠比較三種PLC 執(zhí)行指令的時(shí)間，用時(shí)越短工作速度越快，用時(shí)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(biāo)分析

圖4 指標(biāo)分析界面

4 工業(yè)應(yīng)用場景測試實(shí)例

在工控領(lǐng)域，油庫管理系統(tǒng)的控制工藝具有一定的代表性，技能驗(yàn)證離散控制又能驗(yàn)證流程控制，本系統(tǒng)建立了一套油庫管理的應(yīng)用場景，驗(yàn)證并測試PLC 的控制功能。通過對油罐的動(dòng)態(tài)管理實(shí)現(xiàn)油庫內(nèi)作業(yè)自動(dòng)化，包括對油罐狀態(tài)監(jiān)視與管理、油料加注、供油、轉(zhuǎn)油等功能。采用虛擬的油罐、流量計(jì)、液位計(jì)、閥門、泵等設(shè)備，根據(jù)油罐的罐號、油面高度、關(guān)鍵液位、實(shí)際容量等狀態(tài)進(jìn)行控制，液位控制邏輯為：(1）達(dá)到高液位時(shí)能自動(dòng)停泵或轉(zhuǎn)罐；(2）當(dāng)油罐達(dá)到高高液位時(shí)，系統(tǒng)必須強(qiáng)制指令發(fā)出停止進(jìn)油、關(guān)閥、停泵并進(jìn)行報(bào)警；(3）使用油罐達(dá)到低液位時(shí)，能自動(dòng)關(guān)閉使用油罐的出油閥門，并自動(dòng)轉(zhuǎn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)整套動(dòng)態(tài)管理過程。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)建立了一套多型號PLC 橫向?qū)Ρ取⑻摂M等效可擴(kuò)展、豐富多維指標(biāo)體系等相結(jié)合的國產(chǎn)高性能PLC自動(dòng)化測試平臺，也建立了一套國產(chǎn)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)系統(tǒng)及評價(jià)方法。工業(yè)4.0 時(shí)代的來臨在給國產(chǎn)PLC 帶來機(jī)遇的同時(shí)也提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，國產(chǎn)高端PLC 將向著更加智能化、個(gè)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(xì)、智能化的指標(biāo)體系和試驗(yàn)環(huán)境，助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全可控發(fā)展。