基于PLC的工业控制系统特点及测试方法介绍

PLC自问世以来，发展异常迅猛，其综合了计算机和自动化技术，不仅可以很容易地完成逻辑、顺序、定时、计数、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。随着PLC控制系统在工业生产过程中得到了越来越广泛的应用，系统的安全可靠越来越受人们关注，基于PLC的工业控制系统测试成为亟待解决的问题。

1.基于PLC的工业控制系统特点

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），作为离散控制的首选产品，在自动化领域占据着十分重要的位置。基于PLC的工业控制系统由模仿原继电器控制原理发展起来，利用存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令，并通过输入/输出（I/O）发出控制信号和接受输入信号，来控制各类机械或生产过程。基于PLC的工业控制系统与其他工业控制系统相比较，具有不可忽视的优点：与继电·接触器控制系统的比较，PLC系统在灵活性和扩展性、可靠性和可维护性、控制速度和稳定性、延时的可调性与精度、设计与施工、系统价格方面具有巨大优势，并代替继电·接触器控制广泛应用于工业自动控制中；与计算机控制系统的比较：PLC系统的功能模块结构、顺序扫描方式工作、恶劣工业应用环境适应性方面都是工业用微机无法和PLC相比，但是，计算机在信息处理方面还是优于PLC，所以，在一些工业控制系统中，常常将两者结合起来，PLC作为下位机进行现场控制，计算机作为上位机进行信息处理；与集散控制系统（Distributed Coiitrol System，DCS）的比较：PLC在开关量控制和顺序控制方面有一定的优势；而DCS在连续量的模拟控制和回路调节等方面有一定的优势；DCS具有控制（工程师站）、操作（操作员站）、现场仪表（现场测控站）三级结构，组态成相对固定的功能，而PLC则大多需要编程，但更灵活，可以实现大规模的控制系统网络。

2.基于PLC的工业控制系统测试方法

为做好PLC系统的质量控制工作，软件测试是工程实施阶段质量控制的一种有效手段。基于PLC软件的特殊性（非CPU指令代码）和深嵌入式特点，其软件测试环境很难搭建，对测试用例特别是异常测试用例的注入带来了困难。目前主流的测试方法主要有三种：全数字仿真测试环境下的PLC软件测试、硬件在回路环境下的PLC软件测试、形式化验证。

硬件在回路（HiL）测试技术包括实时处理器、I/O接口和操作界面，可以精确的仿真测试系统中物理上并不存在的部分。实时处理器提供硬件I/O通信、数据记录、激励生成和模型执行等。I/O接口提供被测电子控制单元（ECU）与模型仿真的虚拟环境之间的传感器和PLC控制器的交互。操作界面与实时处理器通信，提供测试命令、可视化、配置管理、分析和报告任务。HiL技术采用硬件故障插入在ECU和被测试系统之间产生信号故障，达到测试和验证故障条件下设备性能的目的。

硬件在回路技术与PLC相结合，将PLC的电机信号、开关量信号等各种控制信号转化成数学模型，与I/O接口模拟成为一个受控对象模型，将电压、电流、电磁、浪涌脉冲等硬件激励以及越界值、非法指令、桩程序段、靶子程序段等软件故障作为测试序列加载到受控对象模型，实际输出平均故障前时间MTBF、故障次数、故障率、可靠度等指标，通过类比系统实际输出与期望输出来验证PLC控制器。PLC硬件在回路测试系统结构如图所示。

图1 硬件在回路测试系统结构

3.总结

硬件在回路环境下的PLC软件测试可以实现对被测软件非侵入式的、最真实的测试，通过硬件在回路仿真测试环境的构建，可以实现用户关心的各种测试需求，如：功能、性能、接口等，特别是能实现真实的性能测试。不过，由于这种仿真环境多是针对特定被测目标开发，专用性很强，很难移植到其他同类被测软件的测试环境搭建中，在一定程度上降低了测试资源的利用效率。