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★中廣核數(shù)字科技有限公司宋元好，黃敏，許樂，方倩，聶瑋瑩，冀建偉

關(guān)鍵詞：仿真測(cè)試平臺(tái)；風(fēng)機(jī)控制器；風(fēng)電；穩(wěn)定性

1　引言

現(xiàn)階段風(fēng)機(jī)控制器測(cè)試工具主要為信號(hào)發(fā)生器、萬(wàn)用表、電阻箱、開關(guān)按鈕等常規(guī)工具，常規(guī)工具搭建測(cè)試環(huán)境耗時(shí)長(zhǎng)，且不能批量處理信號(hào)，適合單功能測(cè)試，不具備自動(dòng)化測(cè)試的前提條件。常規(guī)測(cè)試工具會(huì)產(chǎn)生大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試人員需要花費(fèi)一定的時(shí)間和精力來(lái)收集、整理、分析這些數(shù)據(jù)，影響測(cè)試效率。

仿真測(cè)試平臺(tái)可作為成套測(cè)試工具，避免測(cè)試工具的準(zhǔn)備階段。將原本繁瑣的手動(dòng)測(cè)試過程轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)擊按鈕即可自動(dòng)運(yùn)行的自動(dòng)化操作。大大減少了人工干預(yù)，提高了測(cè)試效率。其次，仿真測(cè)試平臺(tái)支持并行測(cè)試，可以一次性測(cè)試多個(gè)設(shè)備，或者在同一設(shè)備上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)測(cè)試。這種方式減少了測(cè)試所需的總時(shí)間，提高了吞吐量。仿真平臺(tái)還能自動(dòng)保存測(cè)試過程中的數(shù)據(jù)，方便測(cè)試人員追溯和排查問題。

2　仿真測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

仿真測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)既要滿足所有功能測(cè)試項(xiàng)的硬件需求，又要對(duì)平臺(tái)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、記錄。設(shè)計(jì)完成的仿真平臺(tái)應(yīng)具備以下功能：工程化配置，數(shù)字、模擬信號(hào)采集和仿真，CANopen/Modbus通信仿真，編碼器仿真，數(shù)據(jù)路由，數(shù)據(jù)監(jiān)控等。

仿真測(cè)試平臺(tái)作為陪測(cè)設(shè)備，由Labview實(shí)現(xiàn)的界面和NI板卡硬件組成，風(fēng)機(jī)控制器作為被測(cè)對(duì)象，PLC上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)相關(guān)邏輯，產(chǎn)生信號(hào)源，與仿真平臺(tái)進(jìn)行信號(hào)交互，PLC側(cè)將預(yù)期結(jié)果和實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，判斷信號(hào)收發(fā)是否正常，并自動(dòng)記錄故障值，生成測(cè)試記錄。

2.1　整體框架

仿真測(cè)試平臺(tái)包括硬件和軟件兩部分，具體示意圖如圖1所示。

圖1 仿真測(cè)試平臺(tái)具體示意圖

根據(jù)風(fēng)機(jī)控制器側(cè)被測(cè)設(shè)備規(guī)模，配置PLC信號(hào)資源表，PXI機(jī)箱中集成多個(gè)NI類型卡件，通過物理接線形式按照信號(hào)資源表與PLC建立連接，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)控制器與仿真測(cè)試平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。PLC下位機(jī)軟件、仿真測(cè)試軟件處均可以對(duì)交互信號(hào)進(jìn)行處理與分析。

2.2　硬件設(shè)計(jì)

仿真測(cè)試平臺(tái)硬件分為高速硬件I/O設(shè)備和仿真主機(jī)設(shè)備兩部分，高速硬件I/O設(shè)備為NIPXI架構(gòu)，與PLC進(jìn)行硬件數(shù)據(jù)交互。仿真主機(jī)上運(yùn)行仿真測(cè)試軟件，配置硬件參數(shù)并下裝運(yùn)行。

硬件部分可產(chǎn)生多種類型測(cè)試激勵(lì)，如0V/24V低高電平信號(hào)、0~20mA信號(hào)、-10V~10V信號(hào)、增量式編碼器計(jì)數(shù)信號(hào)、絕對(duì)式編碼器差分信號(hào)、0~255Ω電阻信號(hào)等。硬件部分同時(shí)能夠接收多類型輸入信號(hào)并進(jìn)行分析，如-20~20mA信號(hào)、-10V~10V信號(hào)，高/低電平信號(hào)等。

硬件部分同時(shí)還支持4路CANOPEN通信、4路MODBUS-RTU通信，可與PLC建立通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖2 仿真平臺(tái)硬件配置界面

2.3　軟件設(shè)計(jì)

仿真測(cè)試平臺(tái)軟件部分基于LabVIEW仿真軟件實(shí)現(xiàn)。軟件部分可實(shí)現(xiàn)工程化配置，管理仿真測(cè)試所需的硬件組態(tài)配置參數(shù)；可進(jìn)行數(shù)據(jù)路由，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)中各軟/硬件、模型信號(hào)間的交互算法邏輯設(shè)置；可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控，圖形化展示仿真測(cè)試過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

3　仿真測(cè)試平臺(tái)自動(dòng)化測(cè)試流程設(shè)計(jì)

自動(dòng)化測(cè)試流程主要分為三大類，模擬量AI/AO類型為一組，邏輯量DI/DO類型為一組，ModbusRTU/CANOPEN通信為一組。三種類型基本流程一致，實(shí)現(xiàn)方式不同。流程示意圖如圖3所示。

圖3 仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)流程圖

3.1　邏輯量自動(dòng)化測(cè)試流程設(shè)計(jì)

邏輯量進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)，PLC信號(hào)源以Byte為單位，數(shù)值范圍為0~255（255即代表8個(gè)通道數(shù)值均為TRUE）。信號(hào)源作用于PLC的DO通道上，數(shù)值為TRUE的DO通道輸出24V高電平信號(hào)，數(shù)值為FALSE的DO通道輸出0V低電平信號(hào)，通過物理接線的方式傳遞給仿真平臺(tái)PXI-6511卡件。仿真軟件接收到信號(hào)后，通過通道路由的方式，將信號(hào)依次轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)，通過PXI-6512卡件將電平信號(hào)輸出給PLC的DI通道上，DI通道也以Byte為單位，8個(gè)通道為一組，數(shù)值范圍也為0~255。在PLC上位機(jī)軟件側(cè)，自信號(hào)源發(fā)生后，開始計(jì)時(shí)，若1秒鐘之內(nèi)接收的數(shù)值與信號(hào)源數(shù)值一致，則將信號(hào)源數(shù)值累計(jì)1位，繼續(xù)下一輪比對(duì)。若1秒中之內(nèi)未接收到數(shù)值，則判斷通道存在故障情況，記錄當(dāng)前信號(hào)源值與接收值，測(cè)試不通過，停止程序運(yùn)行。

3.2　模擬量自動(dòng)化測(cè)試流程設(shè)計(jì)

模擬量進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)，以4~20mA信號(hào)為例，PLC上位機(jī)組態(tài)信號(hào)源，數(shù)值范圍為0~65535（0代表4mA，65535代表20mA）。信號(hào)源作用于PLC的AO通道上，通過物理接線的方式傳遞給仿真平臺(tái)PXI-6238卡件。仿真軟件接收到信號(hào)后，通過通道路由的方式，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)，通過PXI-6704卡件將電流信號(hào)輸出給PLC的AI通道上。在PLC上位機(jī)軟件將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~65535碼值，考慮通道精度的情況，信號(hào)源數(shù)值與接收值間存在偏差，根據(jù)產(chǎn)品本身精度需求，可設(shè)置偏差范圍。自信號(hào)發(fā)出后1秒鐘內(nèi)，若偏差值在允許范圍內(nèi)，改變信號(hào)源數(shù)值，進(jìn)行下一輪循環(huán)，信號(hào)源數(shù)值變化梯度可自定義。若偏差值一直大于允許范圍，則判斷通道存在故障情況，記錄當(dāng)前信號(hào)源值與接收值，測(cè)試不通過，停止程序運(yùn)行，可將記錄信號(hào)值生成曲線，分析故障原因。

3.3　通信類自動(dòng)化測(cè)試流程設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)控制器主要通信方式為Modbus-RTU和CANopen兩種，仿真平臺(tái)可以驗(yàn)證長(zhǎng)期運(yùn)行情況下的丟包率和穩(wěn)定性。兩種通信類型測(cè)試流程基本一致，CANopen通信更加典型，以CANopen通信為例簡(jiǎn)述測(cè)試流程。PLC作為CANopen主站的情況下，仿真平臺(tái)配置4個(gè)CANopen從站與PLC進(jìn)行通信，4個(gè)從站的保護(hù)機(jī)制分別設(shè)為無(wú)保護(hù)機(jī)制、節(jié)點(diǎn)保護(hù)、主站生產(chǎn)心跳、從站生產(chǎn)心跳。每個(gè)從站配置4個(gè)發(fā)送PDO、4個(gè)接收PDO，每個(gè)PDO配置2個(gè)32位數(shù)據(jù)，默認(rèn)傳輸類型為異步方式（類型254）。

PLC上位機(jī)產(chǎn)生信號(hào)源數(shù)據(jù)后，經(jīng)CAN模塊將PDO數(shù)據(jù)幀傳遞至仿真平臺(tái)PXle-8510處，仿真平臺(tái)接收PDO數(shù)據(jù)幀后經(jīng)路由方式轉(zhuǎn)換為發(fā)送PDO，在通過PXle-8510將數(shù)值傳遞給PLC的CAN模塊。在PLC上位機(jī)檢測(cè)到接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)一致后，更改信號(hào)源值，繼續(xù)進(jìn)行下一輪循環(huán)。

4　仿真平臺(tái)測(cè)試驗(yàn)證

4.1　測(cè)試準(zhǔn)備階段

測(cè)試前，統(tǒng)計(jì)PLC硬件資源。整理PLC硬件模擬量、數(shù)字量資源表，整理PLC硬件總線通信模塊的協(xié)議定義及數(shù)量，如CANopen、Modbus、Profibus。

根據(jù)PLC硬件資源整合情況，設(shè)計(jì)半實(shí)物仿真平臺(tái)接線表。模擬量和數(shù)字量信號(hào)采用物理接線方式連接，總線通信采用DB9電纜連接。在PLC與仿真平臺(tái)側(cè)，做好相應(yīng)軟件配置后下載運(yùn)行，調(diào)試正常。

4.2　測(cè)試執(zhí)行

在執(zhí)行自動(dòng)化測(cè)試前，需要進(jìn)行單點(diǎn)調(diào)試。單點(diǎn)調(diào)試的過程中既可以驗(yàn)證接線回路和軟件配置的正確性，也可以驗(yàn)證PLC的功能。單點(diǎn)調(diào)試的范圍包括模擬量、數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)。對(duì)于PLC的輸入點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在仿真平臺(tái)側(cè)可手動(dòng)強(qiáng)制單個(gè)或多個(gè)信號(hào)值，觀察PLC側(cè)檢測(cè)到的信號(hào)情況，驗(yàn)證PLC產(chǎn)品的通道精度、信號(hào)濾波、通道間串?dāng)_、響應(yīng)時(shí)間等功能。對(duì)于PLC的輸出點(diǎn)，則在PLC上位機(jī)處強(qiáng)制輸出信號(hào)，在仿真平臺(tái)查看檢測(cè)到的信息。驗(yàn)證PLC產(chǎn)品的通道精度、負(fù)載能力、通道間串?dāng)_、響應(yīng)時(shí)間等功能。

單點(diǎn)調(diào)試完成后，可進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試。按照設(shè)計(jì)的自動(dòng)化測(cè)試流程執(zhí)行邏輯量、模擬量、通信類自動(dòng)化測(cè)試。在執(zhí)行通信類自動(dòng)化測(cè)試的過程中，可手動(dòng)配置通信參數(shù)后自動(dòng)運(yùn)行，如波特率、周期、設(shè)備ID、同步/異步等，驗(yàn)證不同參數(shù)配置下的功能。仿真平臺(tái)CAN通信測(cè)試界面如圖4所示。

圖4 仿真平臺(tái)CAN通信測(cè)試界面

4.3　測(cè)試總結(jié)

收集測(cè)試過程中記錄的歷史曲線及數(shù)據(jù)情況，分析數(shù)據(jù)，判斷產(chǎn)品功能是否滿足需求。關(guān)于測(cè)試異常項(xiàng)，記錄數(shù)據(jù)可以幫助判斷異常原因，減少故障定位時(shí)間。測(cè)試數(shù)據(jù)記錄可長(zhǎng)期保存，利于后期數(shù)據(jù)追憶。仿真平臺(tái)歷史數(shù)據(jù)記錄畫面如圖5所示。

圖5 仿真平臺(tái)歷史數(shù)據(jù)記錄畫面

5　仿真平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例對(duì)比

兩款風(fēng)機(jī)控制器產(chǎn)品分別使用了傳統(tǒng)測(cè)試工具和仿真測(cè)試平臺(tái)，4000控制器采用傳統(tǒng)測(cè)試方法，7000控制器采用仿真測(cè)試平臺(tái)。根據(jù)項(xiàng)目后期統(tǒng)計(jì)，7000系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目一個(gè)版本測(cè)試周期最快為2周，相較于4000同規(guī)模情況下可提高1周左右。4000項(xiàng)目缺陷密度約為0.852（缺陷數(shù)/千行代碼），7000項(xiàng)目缺陷密度為1.026，相較于4000也提高近17%。

仿真平臺(tái)提供的高速脈沖信號(hào)，準(zhǔn)確模擬的增量式編碼器信號(hào)，可快速校驗(yàn)PLC卡件精度，與4000的測(cè)試工具相比，有很大的突破。仿真平臺(tái)的數(shù)值記錄功能能夠提供分析問題的依據(jù)，幫助研發(fā)人員快速定位問題，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。

在7000產(chǎn)品快速迭代中，若產(chǎn)品只涉及軟件更新，則可以利用上一版本搭建的測(cè)試環(huán)境，再次執(zhí)行一次自動(dòng)化測(cè)試流程，快速驗(yàn)證產(chǎn)品功能。這也是使用傳統(tǒng)測(cè)試工具無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

6　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了仿真測(cè)試平臺(tái)，平臺(tái)高度集成了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中各種傳感器設(shè)備，可以滿足風(fēng)機(jī)控制器PLC的測(cè)試工作。仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)可以提高測(cè)試效率，減少測(cè)試人力投入。仿真平臺(tái)提供的高精度、自動(dòng)化設(shè)備可快速驗(yàn)證PLC多項(xiàng)功能。

仿真測(cè)試平臺(tái)是一個(gè)強(qiáng)大的工具，可以幫助開發(fā)人員在PLC產(chǎn)品研發(fā)過程中更早的發(fā)現(xiàn)和解決問題，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和開發(fā)效率。

作者簡(jiǎn)介：

宋元好（1991-），男，江蘇泰州人，工程師，本科，現(xiàn)就職于中廣核數(shù)字科技有限公司，研究方向?yàn)镻LC應(yīng)用。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年4月刊