基于PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)特點(diǎn)及測(cè)試方法介紹

PLC自問世以來，發(fā)展異常迅猛，其綜合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)，不僅可以很容易地完成邏輯、順序、定時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口建立與各類生產(chǎn)機(jī)械數(shù)字量和模擬量的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。隨著PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，系統(tǒng)的安全可靠越來越受人們關(guān)注，基于PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)測(cè)試成為亟待解決的問題。

1.基于PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)特點(diǎn)

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），作為離散控制的首選產(chǎn)品，在自動(dòng)化領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的位置。基于PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)由模仿原繼電器控制原理發(fā)展起來，利用存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令，并通過輸入/輸出（I/O）發(fā)出控制信號(hào)和接受輸入信號(hào)，來控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過程。基于PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)與其他工業(yè)控制系統(tǒng)相比較，具有不可忽視的優(yōu)點(diǎn)：與繼電·接觸器控制系統(tǒng)的比較，PLC系統(tǒng)在靈活性和擴(kuò)展性、可靠性和可維護(hù)性、控制速度和穩(wěn)定性、延時(shí)的可調(diào)性與精度、設(shè)計(jì)與施工、系統(tǒng)價(jià)格方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，并代替繼電·接觸器控制廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制中；與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的比較：PLC系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)、順序掃描方式工作、惡劣工業(yè)應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性方面都是工業(yè)用微機(jī)無法和PLC相比，但是，計(jì)算機(jī)在信息處理方面還是優(yōu)于PLC，所以，在一些工業(yè)控制系統(tǒng)中，常常將兩者結(jié)合起來，PLC作為下位機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行信息處理；與集散控制系統(tǒng)（Distributed Coiitrol System，DCS）的比較：PLC在開關(guān)量控制和順序控制方面有一定的優(yōu)勢(shì)；而DCS在連續(xù)量的模擬控制和回路調(diào)節(jié)等方面有一定的優(yōu)勢(shì)；DCS具有控制（工程師站）、操作（操作員站）、現(xiàn)場(chǎng)儀表（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控站）三級(jí)結(jié)構(gòu)，組態(tài)成相對(duì)固定的功能，而PLC則大多需要編程，但更靈活，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

2.基于PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)測(cè)試方法

為做好PLC系統(tǒng)的質(zhì)量控制工作，軟件測(cè)試是工程實(shí)施階段質(zhì)量控制的一種有效手段。基于PLC軟件的特殊性（非CPU指令代碼）和深嵌入式特點(diǎn)，其軟件測(cè)試環(huán)境很難搭建，對(duì)測(cè)試用例特別是異常測(cè)試用例的注入帶來了困難。目前主流的測(cè)試方法主要有三種：全數(shù)字仿真測(cè)試環(huán)境下的PLC軟件測(cè)試、硬件在回路環(huán)境下的PLC軟件測(cè)試、形式化驗(yàn)證。

硬件在回路（HiL）測(cè)試技術(shù)包括實(shí)時(shí)處理器、I/O接口和操作界面，可以精確的仿真測(cè)試系統(tǒng)中物理上并不存在的部分。實(shí)時(shí)處理器提供硬件I/O通信、數(shù)據(jù)記錄、激勵(lì)生成和模型執(zhí)行等。I/O接口提供被測(cè)電子控制單元（ECU）與模型仿真的虛擬環(huán)境之間的傳感器和PLC控制器的交互。操作界面與實(shí)時(shí)處理器通信，提供測(cè)試命令、可視化、配置管理、分析和報(bào)告任務(wù)。HiL技術(shù)采用硬件故障插入在ECU和被測(cè)試系統(tǒng)之間產(chǎn)生信號(hào)故障，達(dá)到測(cè)試和驗(yàn)證故障條件下設(shè)備性能的目的。

硬件在回路技術(shù)與PLC相結(jié)合，將PLC的電機(jī)信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)等各種控制信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型，與I/O接口模擬成為一個(gè)受控對(duì)象模型，將電壓、電流、電磁、浪涌脈沖等硬件激勵(lì)以及越界值、非法指令、樁程序段、靶子程序段等軟件故障作為測(cè)試序列加載到受控對(duì)象模型，實(shí)際輸出平均故障前時(shí)間MTBF、故障次數(shù)、故障率、可靠度等指標(biāo)，通過類比系統(tǒng)實(shí)際輸出與期望輸出來驗(yàn)證PLC控制器。PLC硬件在回路測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖1 硬件在回路測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.總結(jié)

硬件在回路環(huán)境下的PLC軟件測(cè)試可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)軟件非侵入式的、最真實(shí)的測(cè)試，通過硬件在回路仿真測(cè)試環(huán)境的構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)用戶關(guān)心的各種測(cè)試需求，如：功能、性能、接口等，特別是能實(shí)現(xiàn)真實(shí)的性能測(cè)試。不過，由于這種仿真環(huán)境多是針對(duì)特定被測(cè)目標(biāo)開發(fā)，專用性很強(qiáng)，很難移植到其他同類被測(cè)軟件的測(cè)試環(huán)境搭建中，在一定程度上降低了測(cè)試資源的利用效率。