面向中控系统的卡件级通道自动化测试装置及方法与流程

本发明属于工业自动化测试技术中的中控系统通道功能完整性自动化测试，具体涉及一种面向中控系统的卡件级通道自动化测试装置及方法。

背景技术：

1、中控系统（central control system，ccs）由过程控制系统（process controlsystem，pcs）和安全仪表系统（safety instrumentation system，sis）两部分组成。作为海上油气田开发工程仪表系统的核心，其测试质量直接决定了整个生产系统的运行稳定性与操作可靠性。工厂验收测试（factory acceptance test，fat）是中控系统交付前的关键环节，其中通道测试是验证系统输入输出（input/output，io）模块及通道功能完整性的核心内容。

2、在通道测试环节，人工测试模式存在明显局限性，通常采用双人配合方式开展：一人在机柜侧对各通道逐路施加对应激励信号，另一人在中控操作站核对通道数据回显并记录测试结果，同一时间仅能完成单个io模块中单条通道的测试作业。以典型的16通道io模块为例，完成单块卡件全通道测试，需测试人员重复执行16次“接线-加信号-读数-记录”的操作流程，测试效率极为低下。根据项目实地调研数据，井口平台项目需2名工程师耗时6人天完成全部通道测试，中心平台项目则需2名工程师耗时14人天方可完成，测试工时与系统规模呈线性正相关。同时，超过80%的测试工作为点对点信号校验、冗余模块切换等重复性操作，严重挤占了控制程序优化、监控画面迭代等核心增值工作的实施空间。

3、针对上述问题，国内外学者和工程技术人员进行了大量研究。juurinen l.在"test automation for control applications on distributed control system"（简译：分布式控制系统控制应用测试自动化，坦佩雷大学硕士学位论文，2020）中研究了dcs控制应用的自动化测试方法，但其方案主要针对软件层面的功能验证，缺乏对io通道硬件层面的闭环测试能力。时建纲等人在"dcs自动测试方法、装置及系统"（中国发明专利，公开号cn114742089a，2022-07-12）中公开了一种dcs自动测试系统，该系统通过示波器采集波形数据并计算响应时间，但依赖示波器等精密仪器，现场部署复杂度高。田翌晨等人在"集成化io通道测试装置"（中国实用新型专利，公开号cn223107854u，2025-07-15）中公开了一种集成化io通道测试装置，该装置通过线缆收卷机构实现接线的便捷性，但本质上仍属于单通道测试工具。

4、现有技术中，部分测试工具虽然能够实现信号的自动下发和数据记录，但普遍存在以下问题：一是测试粒度停留在单通道层面，未能实现卡件级的批量测试；二是缺乏与中控系统的深度集成，无法形成激励-响应的闭环验证；三是现场操作依赖人工引导，缺乏人机协同的智能化测试机制；四是测试硬件与中控端子排的对接方式繁琐，测试效率提升有限。

5、为此，亟需研发一种可实现中控系统通道卡件级批量自动化测试的装置及方法，以显著提升测试效率、节约人力投入、保障测试结果可靠性，满足中控系统工厂验收测试的工程应用需求。

技术实现思路

1、本发明是为了解决现有技术中存在的测试效率低、人工依赖度高、人力消耗大、缺乏闭环验证、错误率高等技术问题而提出的，其目的是提供一种面向中控系统的卡件级通道自动化测试装置及方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种面向中控系统的卡件级通道自动化测试装置，包括：

4、测试操作站，其用于搭载通道自动化测试软件，通过opc通讯协议与待测中控系统建立数据通信，下发标准化测试指令，并实时读取待测中控系统的反馈数据；

5、通道数据采集器，其包含三组io模块，通过modbus rtu通讯协议与测试操作站建立双向通信连接，生成标准化测试激励信号，或精准采集待测中控系统的输出反馈信号；

6、手动测试终端，其通过db37连接器连接通道数据采集器，通过弹性探针组与待测中控系统的中控机柜的端子排建立电气连接。

7、在上述技术方案中，所述测试操作站为工业级工控机，搭载windows操作系统、待测中控系统的工程师站软件、opc通信软件及通道自动化测试模块。

8、在上述技术方案中，所述测试操作站通过其自身集成的api接口与opc网关交互，opc网关通过工业以太网接口与待测中控系统的工程师站建立opc通信连接；所述测试操作站通过rs485串口与通道数据采集器建立modbus rtu通信连接。

9、在上述技术方案中，所述通道数据采集器的三组io模块具体为两组数字量输入/输出复合模块以及一组模拟量输入/输出复合模块；

10、所述数字量输入/输出复合模块包括：

11、数字量输入模块，其用于检测待测中控系统输出的数字量输出实际信号；

12、数字量输出模块，其配置为输出干接点开关量触发信号，其用于验证待测中控系统的数字量输入通道性能；

13、所述模拟量输入/输出复合模块包括：

14、模拟量输入模块，其配置为检测待测中控系统输出的0~20ma模拟电流信号，用于验证待测中控系统的模拟量输出通道性能；

15、模拟量输出模块，其配置为输出4ma、12ma、20ma的模拟量信号，用于验证待测中控系统的模拟量输入通道性能；

16、数字量输入模块和数字量输出模块以及模拟量输入模块和模拟量输出模块之间均通过rs485总线实现数据交互；

17、数字量输入模块的下方布置数字量输入接口，数字量输出模块的下方布置数字量输出接口，模拟量输入模块的下方布置模拟量输入接口，模拟量输出模块的下方布置模拟量输出接口，各个接口均通过db37连接器与手动测试终端连接。

18、在上述技术方案中，所述通道数据采集器接收来自测试操作站的modbus rtu指令，控制相应io模块生成激励信号或采集反馈信号，并将采集结果通过modbus rtu协议回传至测试操作站。

19、在上述技术方案中，所述手动测试终端为手持式操作装置，其包括壳体、设置于壳体一侧端面的手柄和就地操作按键以及设置于壳体另一侧端面的弹性探针组。

20、在上述技术方案中，所述壳体采用绝缘工程塑料；

21、所述就地操作按键包括确认按键和重测按键，确认按键和重测按键设置于手柄的同侧；

22、所述就地操作按键采用防水防尘密封设计；

23、所述就地操作按键通过内部排线与db37连接器连接，将就地操作按键信号传输至通道数据采集器，再由通道数据采集器通过modbus rtu协议上传至测试操作站；

24、所述弹性探针组由32根弹性探针组成；32根所述弹性探针按两两配对设置形成16组弹性探针单元，每组弹性探针单元的两根弹性探针的间距与被测端子排上单个i/o通道现场侧两接线端子的间距相匹配；16组弹性探针单元沿壳体端面的长度方向等间距排布，相邻两组弹性探针单元的中心距与被测端子排上相邻i/o通道的间距相一致；32根弹性探针呈同平面梯形排布，梯形两腰的倾角与被测端子排接线螺钉的倾斜角度相匹配。

25、所述弹性探针采用镀金铜合金材质，弹性探针的有效弹性伸缩行程为10mm，直径为4mm，弹性探针头端为单锥型结构。

26、在上述技术方案中，所述测试操作站搭载的通道自动化测试模块采用分层模块化架构，自上而下分为表现层、业务层、适配层与数据层；

27、所述表现层被配置为提供图形化人机交互界面，支持测试参数配置、机柜拓扑可视化及测试状态监控；

28、所述业务层被配置为接收来自通道数据采集器的原始测试数据，执行数据滤波、校准及单位转换预处理操作，并基于预设合格判定标准进行通道合格性判定；

29、所述适配层被配置为部署opc通信中间件及modbus rtu总线协议栈，实现与待测中控系统的协议级握手、授权认证及拓扑自动解析；

30、所述数据层被配置为记录测试全过程数据，并可一键生成包含项目前缀信息的标准化测试报告。

31、一种基于前述测试装置的面向中控系统的通道自动化测试方法，包括以下步骤：

32、s1、测试环境初始化：

33、将测试操作站的ip地址配置为与待测中控系统匹配的工程师站地址，完成被测中控系统的组态备份与数据恢复，配置opc通信服务，并导入待测中控系统的io点表及标签文件，建立测试操作站与待测中控系统、通道数据采集器之间的数据双向通信；

34、s2、测试系统配置：

35、在测试操作站的通道自动化测试模块中创建测试项目，导入项目元数据与组态文件，加载被测中控系统的柜体拓扑与io模块配置信息；

36、s3、测试执行：

37、选择测试模式，以卡件为测试单元，测试人员将手动测试终端连接至通道数据采集器与被测端子排，建立电气连接，执行对应类型io通道的闭环测试，实时比对激励信号与反馈数据，判定各通道测试结果；

38、s4、结果判断：

39、若比对结果一致，则记录该通道测试通过，进入下一组测试；

40、若比对结果不一致，则触发声光报警并记录异常信息，等待测试人员通过就地操作按键输入重测或跳过指令；

41、s5、测试结果归档：

42、测试完成后，整合全部测试记录与异常日志，自动生成符合规范的标准化测试报告。

43、在上述技术方案中，所述步骤s3中的测试模式包括自动测试模式、手动测试模式和单点测试模式；

44、所述步骤s3测试执行中，不同类型io通道的测试逻辑分别为：

45、di通道的测试逻辑为：先校验被测通道初始状态为0，随后通过通道数据采集器下发干接点闭合信号，监测被测通道是否发生0→1→0状态跳变，完成通道状态验证；

46、do通道的测试逻辑为：向被测中控系统下发开关指令，通过通道数据采集器回读通道实际状态，比对指令与反馈状态的一致性，完成通道性能验证；

47、ai通道的测试逻辑为：先校验被测通道初始值为0，随后通过通道数据采集器依次输出0%、50%、100%量程的标准电流信号，比对被测中控系统采集值与标准电流信号值的线性映射关系，验证ai通道的线性度；

48、ao通道的测试逻辑为：向被测中控系统依次下发0%、50%、100%量程模拟量输出指令，通过通道数据采集器回读通道实际输出电流值，校验ao通道的输出精度。

49、本发明的有益效果在于：

50、测试效率大幅提升：将传统的单通道测试单元升级为卡件级批量测试，实现16通道的同步自动化验证，将测试单元由单通道提升至卡件级，fat 通道测试效率提升70%以上，彻底解决了人工测试的效率瓶颈，适配业务量快速增长的需求；

51、测试质量稳定可靠：形成激励-响应的闭环验证回路，通过标准化的硬件信号激励与软件自动判定算法，避免了人工操作的误差与主观波动，测试结果可全程追溯，异常自动声光报警，大幅提升了测试的准确性与可靠性；

52、人机协同操作便捷：集成语音交互引导与就地操作按键，测试人员无需往返操作站与机柜侧，即可完成全部操作，同时支持自动、手动、单点多模式测试，适配不同的测试场景，还支持断点续测，保障测试的连续性；

53、文档自动化生成：自动整合全流程测试数据，一键生成符合规范的标准化测试报告，替代了人工记录与整理文档的工作，大幅减少了文档工作量，同时满足了质量追溯与项目验收的文档需求。