CN103744424A - 一种对现场设备逻辑控制的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种对现场设备逻辑控制的测试方法，属于电气自动化技术领域。按照设备的逻辑信号和二次原理图对现场设备进行分类；分别针对不同分类建立虚拟对象模型，用该模型来描述现场设备的实际运行状态；建立工业设备的标准逻辑控制模块，用于对所建立的虚拟对象模型进行控制；将控制现场设备的己知标准信号同时施加到标准逻辑控制模块和被测试的逻辑控制方法上，获得虚拟对象模型的两个输出，对该两个输出进行比较，若二者完全相同，则被测试的逻辑控制方法可用，直接用该方法对现场设备进行逻辑控制即可。本发明将传统上对每台设备的测试转化成了对每类设备的测试，大大减少了测试的工作量，提高了测试效率，为工业现场的设备调试赢得了宝贵的时间。

Description

一种对现场设备逻辑控制的测试方法

技术领域

本发明属于电气自动化技术领域，涉及流程工业中的电气自动化控制，特别涉及一种对现场设备逻辑控制的测试方法。

背景技术

当前，工业控制中，设备逻辑控制程序实现对现场设备的启动/停止(如：对电机设备的启动/停止，对阀门设备的打开/关闭等)、故障保护(如：运行中的设备出现故障时，及时停止运转以保护设备)、连锁保护(如：下游设备停止时，与其相连的上游设备应该立刻停止)等逻辑控制，对于设备的稳定运行发挥着关键作用。但在工业控制系统开发和调试过程中，开发人员往往重视设备逻辑控制程序的开发，而轻视设备逻辑控制程序的测试。在完成设备逻辑控制程序编制后，由于缺乏有效的现场设备逻辑控制测试方法，仅仅通过简单的、不完备的测试就直接应用到现场设备的调试中，在现场设备调试过程中，逐步修改和完善设备逻辑控制程序，这样做的最直接的后果就是现场调试速度的变慢和调试工作量的急剧增加，严重时会耽误现场设备的调试工期，同时，在调试过程中很容易发生不可预知的设备安全事故，引起严重的经济损失。

随着现代生产工艺技术的发展，控制系统内涉及的设备越来越多，设备逻辑控制程序也越来越复杂，现有的设备逻辑控制测试方法己不能适应现代控制系统测试的需求，亟待新的现场设备逻辑控制测试方法来提高现场设备逻辑控制程序测试的效率。

发明内容

针对现有设备逻辑控制程序测试技术存在的不足，本发明的目的是提供一种对现场设备逻辑控制的测试方法，以达到提高设备逻辑控制程序测试效率的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：一种对现场设备逻辑控制程序的测试方法，基于现场设备的电气控制回路和虚拟对象模型相结合，过程如下：按照设备的逻辑信号和二次原理图对现场设备进行分类；分别针对不同分类建立虚拟对象模型，用该模型来描述现场设备的实际运行状态；建立工业设备的标准逻辑控制模块，用于对所建立的虚拟对象模型进行控制；将控制现场设备的己知标准信号同时施加到标准逻辑控制模块和被测试的逻辑控制方法上，获得虚拟对象模型的两个输出，对该两个输出进行比较，若二者完全相同，则被测试的逻辑控制方法可用，直接用该方法对现场设备进行逻辑控制即可。

所述的对现场设备进行分类，规则为：将具有相同二次控制原理和相同逻辑信号的设备视为同类设备；将具有不同二次控制原理或者不同逻辑信号的设备设为非同类设备。

所述虚拟对象模型建立的依据是根据现场设备的二次控制原理图，此外还进一步包括设备的启停逻辑操作、故障信号保护、设备之间的连锁保护逻辑控制。

虚拟对象模型库是开放的，可以对其进行更新。对新增加的虚拟对象模型进行检验，采用相同的控制信号作为输入，记录虚拟对象模型和现场设备的输出，并进行比对，若二者相同，将虚拟对象模型封装打包，存入虚拟对象模型库中；若二者不同，则修改虚拟对象模型，并重新进行检验。

本发明的有益效果：工业控制领域中，首次提出了按照二次控制原理图和逻辑信号对现场设备进行分类的方法，该方法以每类设备作为进行测试的对象，而不是每台设备，即将具有相同的二次控制原理图和逻辑信号的设备看作是同一个设备类，而将每台设备视为每个设备类的具体实现，这样就将传统上对每台设备的测试转化成了对每类设备的测试，大大减少了测试的工作量，提高了测试效率，为工业现场的设备调试赢得了宝贵的时间。

本发明建立了虚拟对象模型库。在工业控制领域中，由于现场设备种类繁多，且每类设备的虚拟对象模型都是不同的，任何测试系统都无法做到将所有设备的虚拟对象模型全覆盖，因此，本发明建立的虚拟对象模型库中的每个虚拟对象模型具有相同的结构，可以方便对其进行修改和封装，同时，虚拟对象模型库易于实现扩充。

本发明建立了设备单体标准逻辑控制程序模块库。设备单体标准逻辑控制程序是在对单体逻辑控制程序进行测试中作为标准使用的，对应不同类型的设备，其标准逻辑控制程序也存在很大差别，任何测试系统都无法包含所有类型设备的单体标准逻辑控制程序模块，因此，本发明针对流程工业中的典型设备，在进行标准程序模块设计时，其输入输出变量均采用私有形式的变量，方便程序模块的封装，并在此基础上建立了设备单体标准逻辑控制程序模块库，可以快速建立设备单体标准逻辑控制程序模块。如被测试设备为流程工业中的非典型设备时，可以采用模块化编程的方法，对设备单体标准逻辑控制程序模块库进行扩充。

附图说明

图1为本发明所提出一种对现场设备逻辑控制的测试方法原理图；

图2为本发明一种实施方式的系统结构图；

图3为本发明一种实施方式的设备二次控制原理图。

图4为本发明实施方式中的示例设备的标准逻辑控制方法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。

一种对现场设备逻辑控制的测试方法，其原理如图1所示。测试输入(包括两种类型，一种是由操作者给出指令，控制设备的运行，如想测试电机是否启动，应该给电机一个启动信号，看它是否能启动了；另一种是对设备逻辑信号的模拟，具体包括模拟现场的设备的远程/就地、连锁投入/解除、设备运行停止、设备故障等状态，如：如果要对电机故障信号进行测试的话，先模拟电机是故障的，测试在电机己处于故障的情况下，被测试的逻辑控制方法是否还能继续给出启动或其他的逻辑控制信号)通过人机接口被同时加载到标准控制逻辑方法(是一种标准的对电机进行逻辑控制的方法，该方法已经被测试证明可行，并己应用于实际的工程实践当中，如，该标准制逻辑方法能够准确控制电机的启动或停止)和被测控制逻辑方法上(与标准制逻辑控制方法相对的一种方法，该方法尚未被应用于实际的工程实践当中，需要进行验证，如验证该方法是否能够实现与标准制逻辑方法相同的功能，如，该方法是否能够控制电机的启动或停止，有待验证)，其产生的输出作用于同一个虚拟对象模型(如，对于不带变频器的普通电机而言，该模型用于描述电机运行期间的状态信号的变化，如可以描述当电机刚上电时，就地信号有效，运行信号、故障信号无效；还可以描述电机远程运行时，就地信号无效，运行信号有效、故障信号无效；还可以描述在电机故障的时候，运行信号无效，故障信号有效；对于变频器驱动的电机而言，该模型可以描述当电机刚上电时，就地信号有效，变频器运行信号无效、变频器故障信号无效、电机风扇运行信号有效、电机风扇故障信号无效；还可以描述电机远程运行时，就地信号无效，变频器运行信号有效、变频器故障信号无效、电机风扇运行信号有效、电机风扇故障信号无效；还可以描述在电机故障的时候，就地信号无效，变频器运行信号由有效变为无效、变频器故障信号有效、电机风扇运行信号有效、电机风扇故障信号无效；还可以描述电机风扇的故障状态，就地信号无效，变频器运行信号由有效变为无效、变频器故障信号无效、电机风扇运行信号有效变为无效、电机风扇故障信号有效；对于阀门而言，该模型可以描述当阀门刚上电时，就地信号有效，正在打开信号无效、正在关闭信号无效、过扭矩信号无效、开到位信号无效、关到位信号有效，以描述阀门当前处于关闭的位置，且不动作；还可以描述阀门远程打开过程，就地信号无效，正在打开信号有效、正在关闭信号无效、过扭矩信号无效、开到位信号无效、关到位信号无效，说明阀门当前处于打开过程中，且没有故障发生；还可以描述阀门远程打开过程中发生故障的状态，就地信号无效，正在打开信号从有效变为无效、正在关闭信号无效、过扭矩信号有效、开到位信号无效、关到位信号无效；还可以描述阀门远程开到位的状态，就地信号无效，正在打开信号无效、正在关闭信号无效、过扭矩信号无效、开到位信号有效、关到位信号无效，用户根据设备的运行状态自行设计虚拟对象)上，对获得的两个输出进行比较，若二者完全相同，则被测试的逻辑控制方法可用，直接用该方法对现场设备进行逻辑控制即可。

基于上述原理，采用基于现场设备的电气控制回路和虚拟对象模型相结合的实施方式，建立如图2所示的现场设备逻辑控制测试系统。该系统主要有标准逻辑控制运行系统、被测逻辑控制运行系统、虚拟对象模型库、电气验证系统、数据管理中心共五部分组成。当开关K1闭合，K2断开时，虚拟对象模型引入到系统中，该系统可以实现图1所示原理的设备逻辑控制方法的测试，其实现过程为：测试输入通过标准逻辑控制运行系统和被测逻辑控制运行系统同时加载到标准控制逻辑方法和被测逻辑控制方法上，其产生的输出通过数据管理中心作用于同一个虚拟对象模型上，对获得的两个输出进行比较，若二者完全相同，则被测试的逻辑控制方法可用，直接用该方法对现场设备进行逻辑控制即可；当开关K1断开，K2闭合时，电气验证系统引入到系统中，此时可以实现对标准逻辑控制方法的验证，即将测试输入加载到标准逻辑控制运行系统上，其输出作用于电气验证系统上，观察并记录电气验证系统(按照工业现场设备的二次控制回路设计的系统，用于模拟现场设备的低压控制回路)的输出，与期望的输出(如启动电机时，启动指令发出后，在电机启动条件具备的条件下，标准逻辑控制方法应该给出电机启动的命令；如打开阀门时，打开指令发出后，在阀门具备打开条件的情况下，标准逻辑控制方法应该给出阀门打开的命令)进行比较，若二者完全相同，则标准试的逻辑控制方法可用，可以采用该方法作为标准对被测逻辑控制方法进行测试，否则，需要对其进行修正，然后重复上述的步骤重新进行测试验证；当开关K1和K2均闭合时，虚拟对象模型和电器验证系统均引入到系统中，此时，系统可以实现对虚拟对象模型的验证，将测试输入加载到标准逻辑控制运行系统上，其输出同时作用于虚拟对象模型和电气验证系统上，对获得的两个输出进行比较，若二者完全相同，则建立的虚拟对象模型可用，否则，需要对建立的虚拟对象模型进行修正，然后重复上述的步骤重新进行测试验证。

标准逻辑控制运行系统：用于运行标准逻辑控制方法。

标准逻辑控制运行系统的硬件平台采用西门子的S7-315CPU，人机接口采用西门子触摸屏MP277，系统内部采用Profibus通信协议进行数据通讯，对外支持工业以太网数据通信协议，软件平台采用西门子工业软件-Step7V5.5和WinCC V7.0作为应用软件组态、编程开发平台。

被测逻辑控制运行系统用于运行被测控制逻辑方法。其硬件平台采用个人计算机，软件平台采用PLC仿真软件。

虚拟对象模型库中存放系统建立的虚拟对象模型，其硬件平台采用个人计算机，软件平台采用法国TNI公司的ControlBuild软件，利用C语言作为后台脚本语言，实现人机交互界面与模型算法之间的数据交换。

电气验证系统用于对虚拟对象模型和标准逻辑控制方法进行验证，本实施方式中通过开关K2来实现，其硬件平台采用ABB公司抽屉式的MNS低压开关柜来实现常用电气设备的一次供电回路和二次控制回路，通过多功能组合开关和智能化的人机交互界面相结合，该系统可以实现流程工业中二十类常用电气设备的电气回路。

数据管理中心对测试过程中产生的数据(如测试输入的操作指令、测试输入的状态信号模拟，设备运行、故障、报警等状态数据)进行统一处理，并在测试结束时，产生测试报表；数据管理中心还作为OPC服务器使用，实现在不同PLC厂家的工控产品之间建立数据通信。其硬件平台采用采用个人计算机，软件平台采用SQL数据库和Kepware公司的OPC Server软件。

下面以一个具体的案例来说明上述系统的具体建立过程：

以国内某大型选矿厂集散控制系统工程项目为例。该项目覆盖了选矿全流程，共有被控电气设备798台，详见表1所示。

表1为现场设备分类表

表1中的每行代表一类设备，如第一行代表具有数字量输入信号：远方/就地、运行、故障和数字量输出信号：启动/停止，且二次控制原理图图号同为418E102D-05F-03的设备共有186台，如：设备编号为E150-03-1PP045A/B的渣浆输送泵、设备编号为E150-03-1PP091的次氯酸钠输送泵、设备编号为E150-03-1PP102的废水输送泵等，按照设备分类的原则：

●具有相同二次控制原理和相同逻辑信号的设备视为同类设备；

●具有不同二次控制原理或者不同逻辑信号的设备视为非同类设备；

对该项目中涉及的798台设备进行分类，得到12类设备，这样，就把针对每台设备的控制逻辑测试问题转化成了针对12类设备控制逻辑的测试问题。

表1中的类别号是为了区别不同设备类别而定义的，无具体的定义规则，主要是容易区别设备类型，同时比较容易理解，本实例中的LGC代表逻辑控制的意思(Logic Contro1)，后面的数字代表类别序号，1代表第一类，2代表第二类。以此类推。二次控制原理图一般由主回路图和控制回路图两部分组成，与现场设备一一对应，实现现场设备的监测、控制、调节和保护，由具有设计资质的单位(如设计院)在进行工艺流程设计和设备选型后产生并提供给自动化系统集成商，其图号根据设计单位的不同而存在较大差异。逻辑信号是描述设备状态的信号(如远程/就地、运行、故障等逻辑信号)，其取值一般为1或0，一般情况下，1定义为有效，0定义为无效，但也存在特殊定义的情况。设备数量是指根据设备分类规则确定的同类设备的数量。本实施方式中以三输入一输出的电机(表1中的第一行，即第一类设备)为例进行说明，其对应的二次控制原理图如图3所示。图3(a)为该类设备的主回路图，(b)为该类设备的低压控制回路，其中-71端子与-49端子之间为故障信号，-71端子与-51端子之间为远程/就地信号，-71端子与-53端子之间为运行信号，以上三个信号为DI(数字量输入)信号-11端子与-13端子之间为启动指令信号，该信号为D0(数字量输出)信号。从图3可以看出，当转换开关-SA的接点处于端子①和②之间时，该设备处于就地工作状态，继电器-KA1的线圈失电，常开触点断开，此时来自PLC的输出信号无法作用于接触器-KM的线圈上，此时，PLC无法实现对设备的逻辑操作，只能通过按钮-SS和-SF来实现对设备的逻辑操作，指示灯-HG1、-HG2、-HW1的状态随着相应的逻辑操作的变化而变化；当转换开关-SA的接点处于端子③和④之间时，该设备处于远程工作状态，继电器-KA1的线圈得电，常开触点闭合，此时来自PLC的输出信号可以作用于接触器-KM的线圈上，PLC可以对设备进行逻辑操作，指示灯-HG1、-HG2、-HW1的状态随着相应的逻辑操作的变化而变化，同时，按钮-SS和-SF的线圈失电，常开触点断开，失去对设备进行逻辑操作的控制权；当运行中的设备的出现故障时，故障信号继电器线圈得电，常开触点闭合，此时指示灯-HR亮，指示设备出现故障，常闭触点断开，将PLC输出信号回路断开，设备停止运行，从而起到保护设备的作用。

在对设备进行分类后，根据每类设备所对应的二次控制原理图和逻辑信号分别建立虚拟对象模型和标准逻辑控制程序，组成虚拟对象模型库和标准逻辑控制程序库。

建立虚拟对象模型时，以二次控制原理图的DI信号(如远程/就地、运行、故障等)作为输出，DO信号(如启动/停止等)作为输入，输入与输出之间的逻辑遵循二次控制原理中的逻辑，采用人机交互画面与脚本程序相结合的方式，在ControlBuild的开发环境里进行开发。同时，为了保证建立的虚拟对象模型的准确性和有效性，需要基于本发明中的电气验证系统进行验证，即将相同的测试输入同时加载到电气验证系统和已经建立的虚拟对象模型上，对二者的输出进行比较，若二者相同，则建立的虚拟对象模型可用，否则，需要对建立的虚拟对象模型进行修正，且修正后重新进行验证。

建立标准逻辑控制程序时，由于本实施方式中的标准逻辑控制程序运行系统采用的是西门子S7-300系列产品，因此，基于西门子S7-300系列产品的编程方法，以二次控制原理图的DI信号(如远程/就地、运行、故障等)作为输入，DO信号(如启动/停止等)作为输出，二者之间的逻辑遵循二次控制原理中的逻辑，针对每类设备建立标准逻辑控制程序。同时，为了保证建立的每类设备的标准逻辑控制程序的正确性，采用本发明中的电气验证系统进行验证，将标准逻辑控制程序的输出加载到电气验证系统上，观察并记录电气验证系统的输出，并对其依照二次控制原理图进行分析以确定标准逻辑控制程序的正确性。若输出正确，则标准逻辑控制程序可用，否则，需要对其进行修正，且修正后重新进行验证。第一类设备的标准逻辑控制方法如图4所示。在图4中，左侧为DI信号(即数字量输入信号，如远程/就地、运行、故障等)和操作指令(如：启动按钮发出的指令，故障复位发出的指令等)，右侧为DO信号(即输出信号，如启动/停止)，中间部分为逻辑控制功能，有基本的逻辑运算单元(如与、或、非、异或等)组成，其中，RS表示基本RS触发器，分为置位优先和复位优先两种，对于置位优先RS触发器，其输入为S0和R，其输出状态随着两个输入端的变化而变化，当输入端S0为0，输入端R为0时，其输出为保持状态，直到S0或R的输入发生变化；当输入端S0为1，输入端R为0时，其输出为置位状态；当输入端S0为0，输入端R为1时，其输出为复位状态；当输入端S0为1，输入端R为1时，其输出为置位状态。对于复位优先RS触发器，其输入为S和R0，其输出状态随着两个输入端的变化而变化，当输入端S为0，输入端R0为0时，其输出为保持状态，直到S或R0的输入发生变化；当输入端S为1，输入端R0为0时，其输出为置位状态；当输入端S为0，输入端R0为1时，其输出为复位状态；当输入端S为1，输入端R0为1时，其输出为复位状态。

当项目中涉及的设备超出虚拟对象模型库和标准逻辑控制程序库的覆盖范围时，可以采用上述方法，基于电气验证系统，对虚拟对象模型库和标准逻辑控制程序库进行扩充。对新增加的虚拟对象模型和标准逻辑控制程序进行检验，采用相同的控制信号作为输入，记录虚拟对象模型和现场设备的输出，并进行比对，若二者相同，将虚拟对象模型或标准逻辑控制程序封装打包，存入库中；若二者不同，则需要进行修改，并重新进行检验。

在使用上述实施方式建立的现场设备逻辑控制测试系统时，将控制现场设备的测试输入信号同时施加到标准逻辑控制模块和被测试的逻辑控制方法上，并将二者的输出作为输入施加到虚拟对象模型上，记录虚拟对象模型的输出，对输出进行比较，若二者完全相同，则被测试的逻辑控制方法可用，直接用该方法对现场设备进行逻辑控制即可，否则，被测试的逻辑控制方法不能直接用于对现场设备的控制，需要重新进行修正，且修正后按照上述方法重新进行测试。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种对现场设备逻辑控制的测试方法，该方法基于现场设备的电气控制回路和虚拟对象模型相结合，其特征如下：

按照设备的逻辑信号和二次原理图对现场设备进行分类；分别针对不同分类建立虚拟对象模型，用该模型来描述现场设备的实际运行状态；建立工业设备的标准逻辑控制模块，用于对所建立的虚拟对象模型进行控制；将控制现场设备的己知标准信号同时施加到标准逻辑控制模块和待测试的逻辑控制方法上，获得虚拟对象模型的两个输出，对该两个输出进行比较，若二者完全相同，则待测试的逻辑控制方法可用，直接用该方法对现场设备进行逻辑控制即可。

2.根据权利要求1所述的对现场设备逻辑控制的测试方法，其特征在于：所述的对现场设备进行分类，规则为：将具有相同二次控制原理和相同逻辑信号的设备视为同类设备；将具有不同二次控制原理或者不同逻辑信号的设备设为非同类设备。

3.根据权利要求1所述的对现场设备逻辑控制的测试方法，其特征在于：所述虚拟对象模型建立的依据是根据现场设备的二次控制原理图，此外还进一步包括设备的启停逻辑操作、故障信号保护、设备之间的连锁保护逻辑控制。

4.根据权利要求1所述的对现场设备逻辑控制的测试方法，其特征在于：所述的虚拟对象模型，其更新方法为：

对新增加的虚拟对象模型进行检验，采用相同的控制信号作为输入，记录虚拟对象模型和现场设备的输出，并进行比对，若二者相同，将虚拟对象模型封装打包，存入虚拟对象模型库中；若二者不同，则修改虚拟对象模型，并重新进行检验。

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