★中广核数字科技有限公司宋元好，黄敏，许乐，方倩，聂玮莹，冀建伟

关键词：仿真测试平台；风机控制器；风电；稳定性

1　引言

现阶段风机控制器测试工具主要为信号发生器、万用表、电阻箱、开关按钮等常规工具，常规工具搭建测试环境耗时长，且不能批量处理信号，适合单功能测试，不具备自动化测试的前提条件。常规测试工具会产生大量的测试数据，测试人员需要花费一定的时间和精力来收集、整理、分析这些数据，影响测试效率。

仿真测试平台可作为成套测试工具，避免测试工具的准备阶段。将原本繁琐的手动测试过程转变为点击按钮即可自动运行的自动化操作。大大减少了人工干预，提高了测试效率。其次，仿真测试平台支持并行测试，可以一次性测试多个设备，或者在同一设备上同时运行多个测试。这种方式减少了测试所需的总时间，提高了吞吐量。仿真平台还能自动保存测试过程中的数据，方便测试人员追溯和排查问题。

2　仿真测试平台设计

仿真测试平台的设计既要满足所有功能测试项的硬件需求，又要对平台内的数据进行分析、处理、记录。设计完成的仿真平台应具备以下功能：工程化配置，数字、模拟信号采集和仿真，CANopen/Modbus通信仿真，编码器仿真，数据路由，数据监控等。

仿真测试平台作为陪测设备，由Labview实现的界面和NI板卡硬件组成，风机控制器作为被测对象，PLC上位机软件设计相关逻辑，产生信号源，与仿真平台进行信号交互，PLC侧将预期结果和实际结果进行对比，判断信号收发是否正常，并自动记录故障值，生成测试记录。

2.1　整体框架

仿真测试平台包括硬件和软件两部分，具体示意图如图1所示。

图1 仿真测试平台具体示意图

根据风机控制器侧被测设备规模，配置PLC信号资源表，PXI机箱中集成多个NI类型卡件，通过物理接线形式按照信号资源表与PLC建立连接，实现风机控制器与仿真测试平台的数据交互。PLC下位机软件、仿真测试软件处均可以对交互信号进行处理与分析。

2.2　硬件设计

仿真测试平台硬件分为高速硬件I/O设备和仿真主机设备两部分，高速硬件I/O设备为NIPXI架构，与PLC进行硬件数据交互。仿真主机上运行仿真测试软件，配置硬件参数并下装运行。

硬件部分可产生多种类型测试激励，如0V/24V低高电平信号、0~20mA信号、-10V~10V信号、增量式编码器计数信号、绝对式编码器差分信号、0~255Ω电阻信号等。硬件部分同时能够接收多类型输入信号并进行分析，如-20~20mA信号、-10V~10V信号，高/低电平信号等。

硬件部分同时还支持4路CANOPEN通信、4路MODBUS-RTU通信，可与PLC建立通讯，实现数据收发。

图2 仿真平台硬件配置界面

2.3　软件设计

仿真测试平台软件部分基于LabVIEW仿真软件实现。软件部分可实现工程化配置，管理仿真测试所需的硬件组态配置参数；可进行数据路由，实现各系统中各软/硬件、模型信号间的交互算法逻辑设置；可实现数据监控，图形化展示仿真测试过程中的各项数据。

3　仿真测试平台自动化测试流程设计

自动化测试流程主要分为三大类，模拟量AI/AO类型为一组，逻辑量DI/DO类型为一组，ModbusRTU/CANOPEN通信为一组。三种类型基本流程一致，实现方式不同。流程示意图如图3所示。

图3 仿真平台设计流程图

3.1　逻辑量自动化测试流程设计

逻辑量进行仿真测试时，PLC信号源以Byte为单位，数值范围为0~255（255即代表8个通道数值均为TRUE）。信号源作用于PLC的DO通道上，数值为TRUE的DO通道输出24V高电平信号，数值为FALSE的DO通道输出0V低电平信号，通过物理接线的方式传递给仿真平台PXI-6511卡件。仿真软件接收到信号后，通过通道路由的方式，将信号依次转换为输出信号，通过PXI-6512卡件将电平信号输出给PLC的DI通道上，DI通道也以Byte为单位，8个通道为一组，数值范围也为0~255。在PLC上位机软件侧，自信号源发生后，开始计时，若1秒钟之内接收的数值与信号源数值一致，则将信号源数值累计1位，继续下一轮比对。若1秒中之内未接收到数值，则判断通道存在故障情况，记录当前信号源值与接收值，测试不通过，停止程序运行。

3.2　模拟量自动化测试流程设计

模拟量进行仿真测试时，以4~20mA信号为例，PLC上位机组态信号源，数值范围为0~65535（0代表4mA，65535代表20mA）。信号源作用于PLC的AO通道上，通过物理接线的方式传递给仿真平台PXI-6238卡件。仿真软件接收到信号后，通过通道路由的方式，将信号转换为输出信号，通过PXI-6704卡件将电流信号输出给PLC的AI通道上。在PLC上位机软件将接收到的信号转换为0~65535码值，考虑通道精度的情况，信号源数值与接收值间存在偏差，根据产品本身精度需求，可设置偏差范围。自信号发出后1秒钟内，若偏差值在允许范围内，改变信号源数值，进行下一轮循环，信号源数值变化梯度可自定义。若偏差值一直大于允许范围，则判断通道存在故障情况，记录当前信号源值与接收值，测试不通过，停止程序运行，可将记录信号值生成曲线，分析故障原因。

3.3　通信类自动化测试流程设计

风机控制器主要通信方式为Modbus-RTU和CANopen两种，仿真平台可以验证长期运行情况下的丢包率和稳定性。两种通信类型测试流程基本一致，CANopen通信更加典型，以CANopen通信为例简述测试流程。PLC作为CANopen主站的情况下，仿真平台配置4个CANopen从站与PLC进行通信，4个从站的保护机制分别设为无保护机制、节点保护、主站生产心跳、从站生产心跳。每个从站配置4个发送PDO、4个接收PDO，每个PDO配置2个32位数据，默认传输类型为异步方式（类型254）。

PLC上位机产生信号源数据后，经CAN模块将PDO数据帧传递至仿真平台PXle-8510处，仿真平台接收PDO数据帧后经路由方式转换为发送PDO，在通过PXle-8510将数值传递给PLC的CAN模块。在PLC上位机检测到接收数据与发送数据一致后，更改信号源值，继续进行下一轮循环。

4　仿真平台测试验证

4.1　测试准备阶段

测试前，统计PLC硬件资源。整理PLC硬件模拟量、数字量资源表，整理PLC硬件总线通信模块的协议定义及数量，如CANopen、Modbus、Profibus。

根据PLC硬件资源整合情况，设计半实物仿真平台接线表。模拟量和数字量信号采用物理接线方式连接，总线通信采用DB9电缆连接。在PLC与仿真平台侧，做好相应软件配置后下载运行，调试正常。

4.2　测试执行

在执行自动化测试前，需要进行单点调试。单点调试的过程中既可以验证接线回路和软件配置的正确性，也可以验证PLC的功能。单点调试的范围包括模拟量、数字量输入输出点。对于PLC的输入点来说，在仿真平台侧可手动强制单个或多个信号值，观察PLC侧检测到的信号情况，验证PLC产品的通道精度、信号滤波、通道间串扰、响应时间等功能。对于PLC的输出点，则在PLC上位机处强制输出信号，在仿真平台查看检测到的信息。验证PLC产品的通道精度、负载能力、通道间串扰、响应时间等功能。

单点调试完成后，可进行自动化测试。按照设计的自动化测试流程执行逻辑量、模拟量、通信类自动化测试。在执行通信类自动化测试的过程中，可手动配置通信参数后自动运行，如波特率、周期、设备ID、同步/异步等，验证不同参数配置下的功能。仿真平台CAN通信测试界面如图4所示。

图4 仿真平台CAN通信测试界面

4.3　测试总结

收集测试过程中记录的历史曲线及数据情况，分析数据，判断产品功能是否满足需求。关于测试异常项，记录数据可以帮助判断异常原因，减少故障定位时间。测试数据记录可长期保存，利于后期数据追忆。仿真平台历史数据记录画面如图5所示。

图5 仿真平台历史数据记录画面

5　仿真平台应用实例对比

两款风机控制器产品分别使用了传统测试工具和仿真测试平台，4000控制器采用传统测试方法，7000控制器采用仿真测试平台。根据项目后期统计，7000系统测试项目一个版本测试周期最快为2周，相较于4000同规模情况下可提高1周左右。4000项目缺陷密度约为0.852（缺陷数/千行代码），7000项目缺陷密度为1.026，相较于4000也提高近17%。

仿真平台提供的高速脉冲信号，准确模拟的增量式编码器信号，可快速校验PLC卡件精度，与4000的测试工具相比，有很大的突破。仿真平台的数值记录功能能够提供分析问题的依据，帮助研发人员快速定位问题，缩短产品研发周期。

在7000产品快速迭代中，若产品只涉及软件更新，则可以利用上一版本搭建的测试环境，再次执行一次自动化测试流程，快速验证产品功能。这也是使用传统测试工具无法实现的。

6　结论

本文设计并实现了仿真测试平台，平台高度集成了风机系统中各种传感器设备，可以满足风机控制器PLC的测试工作。仿真平台的实现可以提高测试效率，减少测试人力投入。仿真平台提供的高精度、自动化设备可快速验证PLC多项功能。

仿真测试平台是一个强大的工具，可以帮助开发人员在PLC产品研发过程中更早的发现和解决问题，从而提高产品的质量和开发效率。

作者简介：

宋元好（1991-），男，江苏泰州人，工程师，本科，现就职于中广核数字科技有限公司，研究方向为PLC应用。

参考文献：

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[5] 贺晋宁, 杜伟伟, 高静. 软件自动化测试的探索实践[J]. 国外电子测量技术, 2016.

摘自《自动化博览》2024年4月刊