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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：仿真測試平臺；風機控制器；風電；穩(wěn)定性

1　引言

現(xiàn)階段風機控制器測試工具主要為信號發(fā)生器、萬用表、電阻箱、開關(guān)按鈕等常規(guī)工具，常規(guī)工具搭建測試環(huán)境耗時長，且不能批量處理信號，適合單功能測試，不具備自動化測試的前提條件。常規(guī)測試工具會產(chǎn)生大量的測試數(shù)據(jù)，測試人員需要花費一定的時間和精力來收集、整理、分析這些數(shù)據(jù)，影響測試效率。

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

2　仿真測試平臺設(shè)計

仿真測試平臺的設(shè)計既要滿足所有功能測試項的硬件需求，又要對平臺內(nèi)的數(shù)據(jù)進行分析、處理、記錄。設(shè)計完成的仿真平臺應具備以下功能：工程化配置，數(shù)字、模擬信號采集和仿真，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。

仿真測試平臺作為陪測設(shè)備，由Labview實現(xiàn)的界面和NI板卡硬件組成，風機控制器作為被測對象，PLC上位機軟件設(shè)計相關(guān)邏輯，產(chǎn)生信號源，與仿真平臺進行信號交互，PLC側(cè)將預期結(jié)果和實際結(jié)果進行對比，判斷信號收發(fā)是否正常，并自動記錄故障值，生成測試記錄。

2.1　整體框架

仿真測試平臺包括硬件和軟件兩部分，具體示意圖如圖1所示。

圖1 仿真測試平臺具體示意圖

根據(jù)風機控制器側(cè)被測設(shè)備規(guī)模，配置PLC信號資源表，PXI機箱中集成多個NI類型卡件，通過物理接線形式按照信號資源表與PLC建立連接，實現(xiàn)風機控制器與仿真測試平臺的數(shù)據(jù)交互。PLC下位機軟件、仿真測試軟件處均可以對交互信號進行處理與分析。

2.2　硬件設(shè)計

仿真測試平臺硬件分為高速硬件I/O設(shè)備和仿真主機設(shè)備兩部分，高速硬件I/O設(shè)備為NIPXI架構(gòu)，與PLC進行硬件數(shù)據(jù)交互。仿真主機上運行仿真測試軟件，配置硬件參數(shù)并下裝運行。

硬件部分可產(chǎn)生多種類型測試激勵，如0V/24V低高電平信號、0~20mA信號、-10V~10V信號、增量式編碼器計數(shù)信號、絕對式編碼器差分信號、0~255Ω電阻信號等。硬件部分同時能夠接收多類型輸入信號并進行分析，如-20~20mA信號、-10V~10V信號，高/低電平信號等。

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

圖2 仿真平臺硬件配置界面

2.3　軟件設(shè)計

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

3　仿真測試平臺自動化測試流程設(shè)計

自動化測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，實現(xiàn)方式不同。流程示意圖如圖3所示。

圖3 仿真平臺設(shè)計流程圖

3.1　邏輯量自動化測試流程設(shè)計

邏輯量進行仿真測試時，PLC信號源以Byte為單位，數(shù)值范圍為0~255（255即代表8個通道數(shù)值均為TRUE）。信號源作用于PLC的DO通道上，數(shù)值為TRUE的DO通道輸出24V高電平信號，數(shù)值為FALSE的DO通道輸出0V低電平信號，通過物理接線的方式傳遞給仿真平臺PXI-6511卡件。仿真軟件接收到信號后，通過通道路由的方式，將信號依次轉(zhuǎn)換為輸出信號，通過PXI-6512卡件將電平信號輸出給PLC的DI通道上，DI通道也以Byte為單位，8個通道為一組，數(shù)值范圍也為0~255。在PLC上位機軟件側(cè)，自信號源發(fā)生后，開始計時，若1秒鐘之內(nèi)接收的數(shù)值與信號源數(shù)值一致，則將信號源數(shù)值累計1位，繼續(xù)下一輪比對。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，記錄當前信號源值與接收值，測試不通過，停止程序運行。

3.2　模擬量自動化測試流程設(shè)計

模擬量進行仿真測試時，以4~20mA信號為例，PLC上位機組態(tài)信號源，數(shù)值范圍為0~65535（0代表4mA，65535代表20mA）。信號源作用于PLC的AO通道上，通過物理接線的方式傳遞給仿真平臺PXI-6238卡件。仿真軟件接收到信號后，通過通道路由的方式，將信號轉(zhuǎn)換為輸出信號，通過PXI-6704卡件將電流信號輸出給PLC的AI通道上。在PLC上位機軟件將接收到的信號轉(zhuǎn)換為0~65535碼值，考慮通道精度的情況，信號源數(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。自信號發(fā)出后1秒鐘內(nèi)，若偏差值在允許范圍內(nèi)，改變信號源數(shù)值，進行下一輪循環(huán)，信號源數(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，記錄當前信號源值與接收值，測試不通過，停止程序運行，可將記錄信號值生成曲線，分析故障原因。

3.3　通信類自動化測試流程設(shè)計

風機控制器主要通信方式為Modbus-RTU和CANopen兩種，仿真平臺可以驗證長期運行情況下的丟包率和穩(wěn)定性。兩種通信類型測試流程基本一致，CANopen通信更加典型，以CANopen通信為例簡述測試流程。PLC作為CANopen主站的情況下，仿真平臺配置4個CANopen從站與PLC進行通信，4個從站的保護機制分別設(shè)為無保護機制、節(jié)點保護、主站生產(chǎn)心跳、從站生產(chǎn)心跳。每個從站配置4個發(fā)送PDO、4個接收PDO，每個PDO配置2個32位數(shù)據(jù)，默認傳輸類型為異步方式（類型254）。

PLC上位機產(chǎn)生信號源數(shù)據(jù)后，經(jīng)CAN模塊將PDO數(shù)據(jù)幀傳遞至仿真平臺PXle-8510處，仿真平臺接收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上位機檢測到接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)一致后，更改信號源值，繼續(xù)進行下一輪循環(huán)。

4　仿真平臺測試驗證

4.1　測試準備階段

測試前，統(tǒng)計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)計半實物仿真平臺接線表。模擬量和數(shù)字量信號采用物理接線方式連接，總線通信采用DB9電纜連接。在PLC與仿真平臺側(cè)，做好相應軟件配置后下載運行，調(diào)試正常。

4.2　測試執(zhí)行

在執(zhí)行自動化測試前，需要進行單點調(diào)試。單點調(diào)試的過程中既可以驗證接線回路和軟件配置的正確性，也可以驗證PLC的功能。單點調(diào)試的范圍包括模擬量、數(shù)字量輸入輸出點。對于PLC的輸入點來說，在仿真平臺側(cè)可手動強制單個或多個信號值，觀察PLC側(cè)檢測到的信號情況，驗證PLC產(chǎn)品的通道精度、信號濾波、通道間串擾、響應時間等功能。對于PLC的輸出點，則在PLC上位機處強制輸出信號，在仿真平臺查看檢測到的信息。驗證PLC產(chǎn)品的通道精度、負載能力、通道間串擾、響應時間等功能。

單點調(diào)試完成后，可進行自動化測試。按照設(shè)計的自動化測試流程執(zhí)行邏輯量、模擬量、通信類自動化測試。在執(zhí)行通信類自動化測試的過程中，可手動配置通信參數(shù)后自動運行，如波特率、周期、設(shè)備ID、同步/異步等，驗證不同參數(shù)配置下的功能。仿真平臺CAN通信測試界面如圖4所示。

圖4 仿真平臺CAN通信測試界面

4.3　測試總結(jié)

收集測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)于測試異常項，記錄數(shù)據(jù)可以幫助判斷異常原因，減少故障定位時間。測試數(shù)據(jù)記錄可長期保存，利于后期數(shù)據(jù)追憶。仿真平臺歷史數(shù)據(jù)記錄畫面如圖5所示。

圖5 仿真平臺歷史數(shù)據(jù)記錄畫面

5　仿真平臺應用實例對比

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

仿真平臺提供的高速脈沖信號，準確模擬的增量式編碼器信號，可快速校驗PLC卡件精度，與4000的測試工具相比，有很大的突破。仿真平臺的數(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試環(huán)境，再次執(zhí)行一次自動化測試流程，快速驗證產(chǎn)品功能。這也是使用傳統(tǒng)測試工具無法實現(xiàn)的。

6　結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了仿真測試平臺，平臺高度集成了風機系統(tǒng)中各種傳感器設(shè)備，可以滿足風機控制器PLC的測試工作。仿真平臺的實現(xiàn)可以提高測試效率，減少測試人力投入。仿真平臺提供的高精度、自動化設(shè)備可快速驗證PLC多項功能。

仿真測試平臺是一個強大的工具，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，研究方向為PLC應用。

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摘自《自動化博覽》2024年4月刊