CN108181890A - 基于虚拟仪器的dcs自动化测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于核电自动化测试技术领域，涉及一种基于虚拟仪器的DCS自动化测试装置。包括计算机模块作为控制设备，以及虚拟仪器模块作为测试的执行设备，虚拟仪器模块包括数据采集/输出模块和通信模块；数据采集/输出模块处理三类信号：DCS输出到测试装置的信号，测试装置输出到DCS的信号，以及DCS二层显示画面灰度采集/屏幕触摸信号；通信模块包括网络通信单元和工业现场总线通信单元。本发明可以对DCS系统的一层逻辑功能、二层显示功能，以及DCS设备间的通信功能进行测试，克服传统核电站DCS控制系统的测试工具资源不足，功能单一等缺陷。
Description
技术领域
本发明属于核电自动化测试技术领域，涉及一种基于虚拟仪器的DCS自动化测试装置。
背景技术
随着国家对完全自主化核电产品的需求日益迫切，我国自主第三代核电DCS控制系统应运而生，产品线不断丰富。因此对核电DCS系统的相关试验、系统的集成、功能测试需求也持续增多。由于第三代核电DCS系统具有规模大，处理信号类型丰富，处理精度高等特点，对于其相关的测试设备提出了更高的要求。传统测试计算机控制系统的方式如中国专利CN200610122360公开了一种功能测试系统，其特征在于：包括一信号采集电路，一信号处理电路，一单片机系统，一多路信号选择开关，一I2C总线，还有一存有自动测试程序的存储装置；该自动测试系统通过信号采集电路采集被测试主板上的有用信号，经过信号处理电路处理后的部分输送给单片机系统，单片机通过多路信号选择开关和I2C总线，与被测试主板和该主板上连接的存储装置进行沟通。此方法解决了功能测试的基本需求，但是由于DCS系统规模大，测试类目多，此种需要人工参与步骤较多的方法效率较低，且容易因人为疏忽而出现漏测、漏记等失误现象。而且，对于DCS平台中二层画面显示功能的测试，传统显示测试采用的高速摄像机摄像记录分析方法成本较高，结果分析方法较复杂，且高速摄像机设备也需经历严酷的测试条件，给此类设备的选型和测试的实施带来很大困难。一个测试核电站DCS控制系统的测试系统需要能够完成各种信号的注入和监视，可测试点的数量和类型满足常用DCS系统需求，同时满足DCS系统测试中显示功能和通信功能的测试和验证，并在不影响测试效果的前提下能够快速，有序的执行测试，降低测试时间成本，是需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于虚拟仪器的DCS自动化测试装置，可以对DCS系统的一层逻辑功能、二层显示功能，以及DCS设备间的通信功能进行测试，以克服传统核电站DCS控制系统的测试工具资源不足，功能单一等缺陷。
本发明的另一目的在于提供测试装置的高效的自动测试方法，通过自由选取和定制不同测试功能有序自动执行，以及报表全自动输出，满足核电站数字控制系统测试高速及准确的要求。
为达到上述目的，本发明所采用的技术手段是：
一种基于虚拟仪器的DCS自动化测试装置，包括计算机模块作为控制设备，以及虚拟仪器模块作为测试的执行设备，虚拟仪器模块包括数据采集/输出模块和通信模块；数据采集/输出模块处理三类信号：DCS输出到测试装置的信号，测试装置输出到DCS的信号，以及DCS二层显示画面灰度采集/屏幕触摸信号；通信模块包括网络通信单元和工业现场总线通信单元。
DCS输出到测试装置的信号分为模拟信号和数字信号，其测试分别由模拟量采集功能和数字量采集功能实现；
模拟量采集功能由控制计算机与模拟量采集单元实现，模拟量采集单元具备64个以上模拟通道，每个通道具备优于16位的分辨率，可采集0-10V电压信号和0-20mA电流信号；测试装置发送命令使被测DCS系统的模拟量输出接口按需求输出特定值的模拟量，由测试装置接收并通过模拟量采集单元进行采集；测试装置发送控制被测DCS输出模拟量的指令，在DCS相关通道输出后对输出值进行测量并与标准值比对，当误差优于设定误差值时，测试通过，否则为不通过；测试装置将采集信息、误差值、测试结论自动输出于结果报表中；DCS响应/定时时长测试过程为：测试装置发送激励信号到被测DCS系统，该激励信号同时被模拟量采集单元接收并记录波形，同时模拟量采集单元连续捕捉DCS接收激励后反馈的响应信号，并在捕获后结合激励信号的波形计算响应、定时时长并判断测试是否通过；
数字量采集功能由控制计算机与数字信号采集单元实现，数字信号采集单元可对24V电压型、48V电压型以及继电器触点型数字信号进行采集；测试装置控制被测DCS的数字量输出通道不断翻转输出信号，测试装置对信号进行采集并与期望值进行比对，测试装置将采集到的数字量及测试结论自动输出于结果报表中。
测试装置输出到DCS的信号分为模拟信号和数字信号，其测试分别由模拟量输出功能和数字量输出功能实现；
模拟量输出功能由控制计算机与模拟量信号输出单元实现，可输出量程0-10V的电压信号以及0-20mA的电流信号，模拟量信号通过模拟量信号输出单元输出到被测DCS系统；在执行过程中，测试装置发送模拟量信号到DCS模拟量采集通道，并读取DCS对通道的测量值，计算该测量值与理想值的误差，当误差优于设定精度误差时，测试通过，否则为不通过；测试装置将DCS采集信息、误差值、测试结论自动输出于结果报表中；
数字量输出功能由控制计算机与数字量信号输出单元实现，可实现24V电压型、48V电压型以及继电器触点型数字信号的输出；测试装置向DCS的数字采集通道输出不断翻转的信号，并读取DCS的采集值，与标准值进行比对判断结果；测试装置将DCS采集信息以及测试结论自动输出于结果报表中。
DCS二层显示画面灰度采集/屏幕触摸信号通过屏幕触摸捕捉单元和灰度感应单元实现，屏幕触摸捕捉单元用于捕获操作人员对触摸屏的操作，灰度感应单元用于对屏幕中随显示内容变化的光线和颜色的灰度进行感应，屏幕触摸捕捉单元和灰度感应单元的信号传输到测试装置中，由控制计算机进行处理和分析；
测试过程中可以通过显示屏幕对不同阈值模拟量的颜色输出，测试DCS显示单元对DCS一层逻辑信号的响应速度：令测试装置输出从低阈值到高阈值的跳变信号到DCS采集通道，通过灰度感应单元对颜色对应灰度变化的传感信号进行感应，由控制计算机对显示单元对输入信号的响应时长进行分析；
通过屏幕触摸捕捉单元操作DCS触摸屏幕进行DCS触屏的响应测试：屏幕触摸捕捉单元接触到屏幕会改变其输出信号的状态，该信号由数据采集/输出模块捕捉，而屏幕因触摸操作引起的画面变化会由灰度感应单元采集并输出到数据采集/输出模块，最终由控制计算机计算从屏幕触摸捕捉单元值翻转到灰度感应单元感应到屏幕变化的间隔。
网络通信单元由控制计算机操作与被测DCS进行数据交互，读取测试信息，包括DCS采集的模拟数字量信号、DCS工程转换变量、DCS系统及各个模块状态故障码；网络通信单元与被测DCS可通过网线互相连接，也可通过网络交换机拓展连接多个被测DCS设备。
工业现场总线通信单元包括Profibus-DP通信单元和Modbus-TCP/IP通信单元；测试装置驱动Profibus-DP通信单元作为Profibus-DP主站，与被测DCS设备内部的Profibus-DP从站设备进行通信，由测试装置对比输入及输出的报文并判定通信有效性，最终由控制计算机输出结果至报表；Modbus-TCP/IP通信单元模拟Modbus-TCP/IP通信协议，与被测DCS内部的Modbus-TCP/IP模块通信，由测试装置对比输入及输出的报文并判定通信有效性，最终由控制计算机输出结果至报表。
操作人员在执行测试前勾选所需要执行的测试项目，在确定开始运行后，测试将自动运行、记录数据并判断，最终自动输出测试报表；报表中包含测试项名称、执行时间信息，执行测试人员在报表上签字即可完成报表。
本发明所取得的有益效果为：
基于当前科技水平高且稳定可靠虚拟仪器技术，设备集成度高，配置灵活，并可依照被测DCS测试需求定制；且此类虚拟仪器硬件的精度、实时性优异，通过可编程的测试方法在同时刻对多个通道进行测试，效率高。本装置可支持对DCS设备的采集、输出精度测试，通道响应时间测试，通信功能测试，乃至DCS显示功能测试等等，可以通过本装置对DCS进行全面且可靠的测试。另外，操作人员可通过装置本装置使用方法，轻松选取和定制多种测试功能顺序执行，方法运行快速，可靠度高。最后，应用本方法进行测试可实现报表全自动输出，在整个测试方法在保证准确度的前提下，大大降低操作难度，节约测试时间的同时保证测试的可靠性。
本装置基于虚拟仪器技术——即利用高性能模块化计算机硬件，结合高效灵活的计算机测试方法完成测试。装置中集成的模拟量采集/输出、开关量采集/输出等模块化硬件板卡，每种类型硬件的测试通道数量达64个以上。本装置还集成了工业现场总线通信单元和以太网通信单元，通过通信单元与DCS控制系统进行通信测试。另外，装置集成的灰度传感器单元可对DCS二层显示设备所显示的灰度进行识别，通过感应设备屏幕内容的变化，测试对应显示功能。
本装置使用方法为一套自主开发的测试管理软件。其操作简单。软件通过计算机驱动程序控制虚拟仪器设备，并汇总虚拟仪器设备的测试数据并与理想值进行比对，判断测量值是否通过测试，同时，通过通信模块采集DCS系统运行情况、现场设备通信质量等。最终汇总数据并自动生成报表文件。
附图说明
图1为装置组成结构图；
图2为DCS输入测试方法流程图；
图3为DCS响应/定时时长测试原理框图；
图4为DCS输出测试方法流程图；
图5为DCS显示画面及触摸信号捕获模块框图；
图6为DCS通信测试方法流程图；
图7为装置自动化运行测试项目流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示为本发明的基于虚拟仪器的DCS自动测试装置与待测DCS系统的连接框图，其中待测DCS系统是用于核电站控制系统的DCS数字化控制系统。从图1中右侧部分可知，基于虚拟仪器的DCS自动测试装置包括一个计算机模块作为控制设备，以及一组虚拟仪器模块作为测试的执行设备，虚拟仪器模块中主要包括两组子模块:一组数据采集/输出模块和一组通信模块。装置在针对不同测试项目开发了测试方法同时，还开发了管理各项测试，并使其有序执行的测试流程管理方法。
数据采集/输出模块主要处理三类信号：DCS输出到测试装置的信号，测试装置输出到DCS的信号，以及DCS二层显示画面灰度采集/屏幕触摸信号。
DCS输出到测试装置的信号：分为两类，一类为模拟信号，一类为数字信号，其测试分别由模块的模拟量采集功能和数字量采集功能实现。
装置的模拟量采集功能及应用方法：本自动测试装置的模拟量采集功能由控制计算机与模拟量采集单元构成，信号通过模拟量采集设备输入到装置内部进行处理。可采集0-10V电压信号和0-20mA电流信号。其测试过程为测试装置通过网络通信发送命令使被测DCS系统的模拟量输出接口按需求输出特定值的模拟量，由测试装置接收并通过模拟量采集模块进行采集。一个采集单元具备64个以上模拟通道，每个通道具备优于16位的分辨率。模拟量采集功能可应用在DCS通道精度测试中，装置的软件可依照需求和类型选取并配置被测通道。执行过程可参考图2，装置软件发送控制被测DCS输出模拟量的指令，在DCS相关通道输出后对输出值进行测量并与标准值比对，当误差优于设定误差值时，测试通过，否则为不通过。装置软件会将装置采集信息，误差值，测试结论自动输出于结果报表中。另外，利用装置模拟量采集单元的连续采集性能，可每秒可连续采集20,0000以上次数的模拟量信号，非常适用于分析单位时间内连续信号的变化，如进行DCS定时功能和DCS通道响应时间的测试，分析精度可达微秒级别。参考图3DCS响应/定时时长测试原理框图，定时和响应时间测试软件执行过程为本装置发送激励信号到被测DCS系统，该激励信号同时被装置的模拟量采集单元接收并记录波形；同时模拟量采集单元连续捕捉DCS接收激励后反馈的响应信号，并在捕获后结合激励信号的波形计算响应、定时时长并判断测试是否通过。
装置数字量采集功能及应用方法：装置的数字量采集功能由控制计算机与数字信号采集单元实现，通过装置内部的调理电路，数字信号采集单元可对24V电压型，48V电压型以及继电器触点型数字信号进行采集。数字量采集功能主要用于对DCS系统的数字量输出信号进行测试，测试执行过程中装置控制被测DCS的数字量输出通道不断翻转输出信号，装置对信号进行采集并与期望值进行比对。装置将采集到的数字量，及测试结论自动输出于结果报表中。
测试装置输出到被测DCS的信号：分为模拟信号和数字信号两类，其测试分别由装置的模拟量输出功能和数字量输出功能实现。
装置的模拟量输出功能及应用方法：装置的模拟量输出功能由控制计算机与模拟量信号输出单元构成，模拟量信号通过模拟量输出模块输出到被测DCS系统。装置可输出量程0-10V的电压信号，以及0-20mA的电流信号。输出过程应用多通道模拟量输出模块实现高精度输出，检测方式为本装置通过网络通信读取DCS系统的采集值。
模拟量输出功能主要应用于DCS测试中的模拟量采集精度测试，在执行过程中，选取DCS模拟量输出精度测试项并执行，参考图4，装置按程序发送模拟量信号到DCS中模拟量采集通道，并通过网络通信读取DCS对通道的测量值，计算该测量值与理想值的误差，当误差优于设定精度误差时，测试通过，否则为不通过。装置软件会将DCS采集信息，误差值，测试结论自动输出于结果报表中。
装置的数字量输出功能由控制计算机与数字量信号输出单元实现，信号通过数字量输出设备接口输出到被测DCS设备，再通过网络通信读取DCS的采集值，与标准值进行比对并判断结果。装置可实现24V电压型，48V电压型以及继电器触点型数字信号的输出。数字量输出功能主要应用于对DCS系统的数字量采集功能进行测试，测试执行过程中装置向DCS的数字采集通道输出不断翻转的信号，并通过装置与DCS相连的网络读取DCS的采集值与当前值进行比对。装置软件会将DCS采集信息，以及测试结论自动输出于结果报表中。
DCS二层显示画面灰度采集/屏幕触摸信号：使用装置显示画面及触摸信号捕获功能进行采集，如图5所示，模块包括一个屏幕触摸捕捉单元，用于捕获操作人员对触摸屏的操作；一个灰度感应单元，用于对屏幕中随显示内容变化的光线和颜色的灰度进行感应。此两组模块的信号将传输到测试装置采集模块中，由控制计算机进行处理和分析。
测试过程中可以通过显示屏幕对不同阈值模拟量的颜色输出，测试DCS显示单元对DCS一层逻辑信号的响应速度：令本装置输出从低阈值到高阈值的跳变信号到DCS采集通道，通过灰度采集单元对颜色对应灰度变化的传感信号由控制计算机对显示单元对输入信号的响应时长进行分析。
通过屏幕触摸捕捉单元来操作DCS触摸屏幕可以进行DCS触屏的响应测试。方法为：屏幕触摸捕捉单元接触到屏幕会改变其输出信号的状态，该信号将由本装置的数据采集/输出模块捕捉，而屏幕因触摸操作引起的画面变化会由灰度采集单元采集并输出到装置的数据采集/输出模块，最终，由装置的控制计算机计算从屏幕捕捉单元值翻转到灰度采集单元感应到屏幕变化的间隔。
装置的通信模块包括一个网络通信单元，和一个工业现场总线通信单元。
网络通信单元：通过控制计算机操作网络通信单元与被测DCS进行数据交互，读取测试信息，如DCS采集的模拟、数字量信号，DCS工程转换变量，DCS系统及各个模块状态及故障码等等。网络通信单元与被测DCS的联接方式可直接通过网线互相连接，也可采用网络交换机方式使本装置拓展连接多个被测DCS设备，达到多个DCS设备同时与本装置通信的需求。网络通信单元是自动测试装置读取DCS采集信号的主要路径。
工业现场总线信号通信单元：分为一个Profibus-DP通信单元和一个Modbus-TCP/IP通信单元。利用控制计算机将平台组成为工业现场总线通信主站同被测DCS设备进行数据通信，记录数据并分析结果，其测试执行过程流程图可参考图6。
Profibus-DP信号：装置驱动其内部Profibus-DP通信单元作为Profibus-DP主站，与被测DCS设备内部的Profibus-DP从站设备进行通信，由装置软件对比输入及输出的报文并判定通信有效性，最终由控制计算机输出结果至报表。
Modbus-TCP/IP信号：由装置模拟Modbus-TCP/IP通信协议，与被测DCS内部的Modbus-TCP/IP模块通信，由装置软件对比输入及输出的报文并判定通信有效性，最终由控制计算机输出结果至报表。
装置的测试流程管理方法：
为了能够串联单项测试，达到分步，多任务，有序地执行测试并输出报表的目的，装置的软件设计了复选功能，其功能如流程图图7所示。操作人员在执行测试前只需勾选所需要执行测试项目，在确定开始运行后，测试将自动运行、记录数据并判断，最终自动输出测试报表。报表中将包含测试项名称、执行时间等等信息，执行测试人员只需在报表上签字即可完成报表。
Claims (7)
1.一种基于虚拟仪器的DCS自动化测试装置，其特征在于：包括计算机模块作为控制设备，以及虚拟仪器模块作为测试的执行设备，虚拟仪器模块包括数据采集/输出模块和通信模块；数据采集/输出模块处理三类信号：DCS输出到测试装置的信号，测试装置输出到DCS的信号，以及DCS二层显示画面灰度采集/屏幕触摸信号；通信模块包括网络通信单元和工业现场总线通信单元。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的DCS自动化测试装置，其特征在于：DCS输出到测试装置的信号分为模拟信号和数字信号，其测试分别由模拟量采集功能和数字量采集功能实现；
模拟量采集功能由控制计算机与模拟量采集单元实现，模拟量采集单元具备64个以上模拟通道，每个通道具备优于16位的分辨率，可采集0-10V电压信号和0-20mA电流信号；测试装置发送命令使被测DCS系统的模拟量输出接口按需求输出特定值的模拟量，由测试装置接收并通过模拟量采集单元进行采集；测试装置发送控制被测DCS输出模拟量的指令，在DCS相关通道输出后对输出值进行测量并与标准值比对，当误差优于设定误差值时，测试通过，否则为不通过；测试装置将采集信息、误差值、测试结论自动输出于结果报表中；DCS响应/定时时长测试过程为：测试装置发送激励信号到被测DCS系统，该激励信号同时被模拟量采集单元接收并记录波形，同时模拟量采集单元连续捕捉DCS接收激励后反馈的响应信号，并在捕获后结合激励信号的波形计算响应、定时时长并判断测试是否通过；
数字量采集功能由控制计算机与数字信号采集单元实现，数字信号采集单元可对24V电压型、48V电压型以及继电器触点型数字信号进行采集；测试装置控制被测DCS的数字量输出通道不断翻转输出信号，测试装置对信号进行采集并与期望值进行比对，测试装置将采集到的数字量及测试结论自动输出于结果报表中。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的DCS自动化测试装置，其特征在于：测试装置输出到DCS的信号分为模拟信号和数字信号，其测试分别由模拟量输出功能和数字量输出功能实现；
模拟量输出功能由控制计算机与模拟量信号输出单元实现，可输出量程0-10V的电压信号以及0-20mA的电流信号，模拟量信号通过模拟量信号输出单元输出到被测DCS系统；在执行过程中，测试装置发送模拟量信号到DCS模拟量采集通道，并读取DCS对通道的测量值，计算该测量值与理想值的误差，当误差优于设定精度误差时，测试通过，否则为不通过；测试装置将DCS采集信息、误差值、测试结论自动输出于结果报表中；
数字量输出功能由控制计算机与数字量信号输出单元实现，可实现24V电压型、48V电压型以及继电器触点型数字信号的输出；测试装置向DCS的数字采集通道输出不断翻转的信号，并读取DCS的采集值，与标准值进行比对判断结果；测试装置将DCS采集信息以及测试结论自动输出于结果报表中。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的DCS自动化测试装置，其特征在于：DCS二层显示画面灰度采集/屏幕触摸信号通过屏幕触摸捕捉单元和灰度感应单元实现，屏幕触摸捕捉单元用于捕获操作人员对触摸屏的操作，灰度感应单元用于对屏幕中随显示内容变化的光线和颜色的灰度进行感应，屏幕触摸捕捉单元和灰度感应单元的信号传输到测试装置中，由控制计算机进行处理和分析；
测试过程中可以通过显示屏幕对不同阈值模拟量的颜色输出，测试DCS显示单元对DCS一层逻辑信号的响应速度：令测试装置输出从低阈值到高阈值的跳变信号到DCS采集通道，通过灰度感应单元对颜色对应灰度变化的传感信号进行感应，由控制计算机对显示单元对输入信号的响应时长进行分析；
通过屏幕触摸捕捉单元操作DCS触摸屏幕进行DCS触屏的响应测试：屏幕触摸捕捉单元接触到屏幕会改变其输出信号的状态，该信号由数据采集/输出模块捕捉，而屏幕因触摸操作引起的画面变化会由灰度感应单元采集并输出到数据采集/输出模块，最终由控制计算机计算从屏幕触摸捕捉单元值翻转到灰度感应单元感应到屏幕变化的间隔。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的DCS自动化测试装置，其特征在于：网络通信单元由控制计算机操作与被测DCS进行数据交互，读取测试信息，包括DCS采集的模拟数字量信号、DCS工程转换变量、DCS系统及各个模块状态故障码；网络通信单元与被测DCS可通过网线互相连接，也可通过网络交换机拓展连接多个被测DCS设备。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的DCS自动化测试装置，其特征在于：工业现场总线通信单元包括Profibus-DP通信单元和Modbus-TCP/IP通信单元；测试装置驱动Profibus-DP通信单元作为Profibus-DP主站，与被测DCS设备内部的Profibus-DP从站设备进行通信，由测试装置对比输入及输出的报文并判定通信有效性，最终由控制计算机输出结果至报表；Modbus-TCP/IP通信单元模拟Modbus-TCP/IP通信协议，与被测DCS内部的Modbus-TCP/IP模块通信，由测试装置对比输入及输出的报文并判定通信有效性，最终由控制计算机输出结果至报表。
7.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的DCS自动化测试装置，其特征在于：操作人员在执行测试前勾选所需要执行的测试项目，在确定开始运行后，测试将自动运行、记录数据并判断，最终自动输出测试报表；报表中包含测试项名称、执行时间信息，执行测试人员在报表上签字即可完成报表。
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