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★中廣核數字科技有限公司宋元好，黃敏，許樂，方倩，聶瑋瑩，冀建偉

關鍵詞：仿真測試平臺；風機控制器；風電；穩定性

1　引言

現階段風機控制器測試工具主要為信號發生器、萬用表、電阻箱、開關按鈕等常規工具，常規工具搭建測試環境耗時長，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。常規測試工具會產生大量的測試數據，測試人員需要花費一定的時間和精力來收集、整理、分析這些數據，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變為點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備，或者在同一設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據，方便測試人員追溯和排查問題。

2　仿真測試平臺設計

仿真測試平臺的設計既要滿足所有功能測試項的硬件需求，又要對平臺內的數據進行分析、處理、記錄。設計完成的仿真平臺應具備以下功能：工程化配置，數字、模擬信號采集和仿真，CANopen/Modbus通信仿真，編碼器仿真，數據路由，數據監控等。

仿真測試平臺作為陪測設備，由Labview實現的界面和NI板卡硬件組成，風機控制器作為被測對象，PLC上位機軟件設計相關邏輯，產生信號源，與仿真平臺進行信號交互，PLC側將預期結果和實際結果進行對比，判斷信號收發是否正常，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

根據風機控制器側被測設備規模，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，實現風機控制器與仿真測試平臺的數據交互。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　硬件設計

仿真測試平臺硬件分為高速硬件I/O設備和仿真主機設備兩部分，高速硬件I/O設備為NIPXI架構，與PLC進行硬件數據交互。仿真主機上運行仿真測試軟件，配置硬件參數并下裝運行。

硬件部分可產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，實現數據收發。

圖2 仿真平臺硬件配置界面

2.3　軟件設計

仿真測試平臺軟件部分基于LabVIEW仿真軟件實現。軟件部分可實現工程化配置，管理仿真測試所需的硬件組態配置參數；可進行數據路由，實現各系統中各軟/硬件、模型信號間的交互算法邏輯設置；可實現數據監控，圖形化展示仿真測試過程中的各項數據。

3　仿真測試平臺自動化測試流程設計

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，實現方式不同。流程示意圖如圖3所示。

圖3 仿真平臺設計流程圖

3.1　邏輯量自動化測試流程設計

邏輯量進行仿真測試時，PLC信號源以Byte為單位，數值范圍為0~255（255即代表8個通道數值均為TRUE）。信號源作用于PLC的DO通道上，數值為TRUE的DO通道輸出24V高電平信號，數值為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，數值范圍也為0~255。在PLC上位機軟件側，自信號源發生后，開始計時，若1秒鐘之內接收的數值與信號源數值一致，則將信號源數值累計1位，繼續下一輪比對。若1秒中之內未接收到數值，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計

模擬量進行仿真測試時，以4~20mA信號為例，PLC上位機組態信號源，數值范圍為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換為0~65535碼值，考慮通道精度的情況，信號源數值與接收值間存在偏差，根據產品本身精度需求，可設置偏差范圍。自信號發出后1秒鐘內，若偏差值在允許范圍內，改變信號源數值，進行下一輪循環，信號源數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為無保護機制、節點保護、主站生產心跳、從站生產心跳。每個從站配置4個發送PDO、4個接收PDO，每個PDO配置2個32位數據，默認傳輸類型為異步方式（類型254）。

PLC上位機產生信號源數據后，經CAN模塊將PDO數據幀傳遞至仿真平臺PXle-8510處，仿真平臺接收PDO數據幀后經路由方式轉換為發送PDO，在通過PXle-8510將數值傳遞給PLC的CAN模塊。在PLC上位機檢測到接收數據與發送數據一致后，更改信號源值，繼續進行下一輪循環。

4　仿真平臺測試驗證

4.1　測試準備階段

測試前，統計PLC硬件資源。整理PLC硬件模擬量、數字量資源表，整理PLC硬件總線通信模塊的協議定義及數量，如CANopen、Modbus、Profibus。

根據PLC硬件資源整合情況，設計半實物仿真平臺接線表。模擬量和數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，做好相應軟件配置后下載運行，調試正常。

4.2　測試執行

在執行自動化測試前，需要進行單點調試。單點調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。單點調試的范圍包括模擬量、數字量輸入輸出點。對于PLC的輸入點來說，在仿真平臺側可手動強制單個或多個信號值，觀察PLC側檢測到的信號情況，驗證PLC產品的通道精度、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。

單點調試完成后，可進行自動化測試。按照設計的自動化測試流程執行邏輯量、模擬量、通信類自動化測試。在執行通信類自動化測試的過程中，可手動配置通信參數后自動運行，如波特率、周期、設備ID、同步/異步等，驗證不同參數配置下的功能。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

收集測試過程中記錄的歷史曲線及數據情況，分析數據，判斷產品功能是否滿足需求。關于測試異常項，記錄數據可以幫助判斷異常原因，減少故障定位時間。測試數據記錄可長期保存，利于后期數據追憶。仿真平臺歷史數據記錄畫面如圖5所示。

圖5 仿真平臺歷史數據記錄畫面

5　仿真平臺應用實例對比

兩款風機控制器產品分別使用了傳統測試工具和仿真測試平臺，4000控制器采用傳統測試方法，7000控制器采用仿真測試平臺。根據項目后期統計，7000系統測試項目一個版本測試周期最快為2周，相較于4000同規模情況下可提高1周左右。4000項目缺陷密度約為0.852（缺陷數/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。仿真平臺的數值記錄功能能夠提供分析問題的依據，幫助研發人員快速定位問題，縮短產品研發周期。

在7000產品快速迭代中，若產品只涉及軟件更新，則可以利用上一版本搭建的測試環境，再次執行一次自動化測試流程，快速驗證產品功能。這也是使用傳統測試工具無法實現的。

6　結論

本文設計并實現了仿真測試平臺，平臺高度集成了風機系統中各種傳感器設備，可以滿足風機控制器PLC的測試工作。仿真平臺的實現可以提高測試效率，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，可以幫助開發人員在PLC產品研發過程中更早的發現和解決問題，從而提高產品的質量和開發效率。

作者簡介：

宋元好（1991-），男，江蘇泰州人，工程師，本科，現就職于中廣核數字科技有限公司，研究方向為PLC應用。

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摘自《自動化博覽》2024年4月刊