一种用于控制系统电气柜自动测试的系统及方法与流程

1.本发明涉及电气柜自动测试技术领域，具体涉及一种用于控制系统电气柜自动测试的系统及方法。


背景技术：

2.控制系统是各类设备、设施、装置等的重要组成部分，起着控制指挥的重要作用。电气柜普遍存在于各类大型控制系统中，其内部按控制系统的电气原理安装了各种各样的电器元器件，如空气开关、接触器、继电器、控制器(plc)、驱动器等。电气柜内部各器件的接线以及逻辑关系正确与否对控制系统的功能实现以及安全运行都起着至关重要的作用。因此在电气柜现场安装调试前，需要对它的接线关系、逻辑功能等进行检测，以减少安装后调试带来的返工。以往主要靠人工方法对其接线关系、逻辑功能等进行检测，费时而且容易带来人为的漏检、错检，对于复杂时序出错的概率就更大。这些都将给生产和调试带来麻烦，也会造成经济损失，并且可能为后期的实际运行带来隐患。这就必须提出一套高效的、可靠的自动测试方法，以确保电气柜在投入运行前得到全面检测，排除可能存在的问题。
3.论文“虞君彪，苏晓，闫莉，等.地铁电气柜通用测试仪的硬件设计[j].计算机测量与控制，2015，23(5)：1838-1840.”提供了一种地铁控制系统电气柜测试方法。此方法配置5个测试箱和1台工控机。每个测试箱由10块逻辑采集输出板卡和1块通讯控制板卡组成，可提供200个测试点。逻辑采集输出板卡主要任务就是对测试点注入电压(相当于do)和采集电压(相当于di)，通讯控制板卡主要进行通信控制和转发，管理每个采集箱内的10块逻辑采集输出板卡可靠有序地和上位机进行信息交互。针对电气柜接线的导通测试，从一个测试点注入电压，从另一个对应的测试点能采集到电压，从而判断该支路的正确性。
[0004]
论文“王昕，沈行良，李鹏鹏，等.基于机器识别的电气接线自动检测技术研究[j].制造业自动化，2020，42(11)：47-50.”提供了一种电气柜接线自动检测方法。此方法采用工业相机对电气柜内接线进行拍照，通过图像处理的方法提取接线端导线位置和线号特征，并与对应线库中数据作对比，判断接线是否正确。
[0005]
此外，还有工程师采用dspace、rt-lab等半实物仿真平台搭建测试系统对控制系统电气柜进行测试。
[0006]
然而，以上针对控制系统电气柜的测试方法存在以下缺陷：
[0007]
论文“虞君彪，苏晓，闫莉，等.地铁电气柜通用测试仪的硬件设计[j].计算机测量与控制，2015，23(5)：1838-1840.”所述的方法需采用大量的硬件板卡构建测试系统，软件、硬件集成开发工作量大，而且这种测试系统只针对特定种类的被测对象，一旦测试对象种类发生改变就需要重新调整硬件和软件，扩展性差、效率不高。
[0008]
论文“王昕，沈行良，李鹏鹏，等.基于机器识别的电气接线自动检测技术研究[j].制造业自动化，2020，42(11)：47-50.”所述的方法需要用到机器视觉，只能对有序的接线部位进行检测，一旦接线混乱就难以判别。此外，这种方式只能对比较简单的接线关系进行检测，不能对电气柜的逻辑关系进行检测。
di板卡模块；
[0023]
所述3块pci-1758u do板卡模块，用于各产生128路5-40vdc(0v)高低电平信号，仿真模拟电气柜外围的限位开关、光电开关的信号；
[0024]
所述1块pci-1758u di板卡模块，用于接收电气柜内部数字输出模块发出的24vdc(0v)信号，及仿真模拟电气柜外围的气缸等外部逻辑动作机构。
[0025]
进一步地，所述测试主机采用集成度高、扩展性强、开放性好的研华工控机。
[0026]
进一步地，所述接口转接箱能够匹配多种类型电气柜。
[0027]
进一步地，所述步进电机架为安装有150个步进电机的电机架；本发明考虑使用安装有150步进电机的电机架代替电气柜外围镜架用的步进电机。
[0028]
进一步地，该自动测试的系统实现对镜架控制系统300多套电气柜在离线状态下快速、准确地的自动测试；
[0029]
所述镜架控制系统是实现对光学镜架控制的镜架控制系统；所述对光学镜架由步进电机驱动，所述对光学镜架包括一维平移镜架、二维调整镜架、一维回转镜架等；所述步进电机驱动采用e-bus背板总线型驱动模块。
[0030]
进一步地，所述镜架控制系统采用ethercat总线运动控制系统。
[0031]
第二方面，本发明还提供了一种用于控制系统电气柜自动测试的方法，该方法应用于所述的一种用于控制系统电气柜自动测试的系统，该方法包括：
[0032]
将所述的一种用于控制系统电气柜自动测试的系统各模块连接好；
[0033]
在etest测试软件上建立测试系统中各对象的仿真模型及连接关系，并将各对象模型与实物进行关联，配置通讯参数、物理参数等；
[0034]
采用python语言编写测试脚本，执行自动测试流程，etest测试软件控制测试主机给电气柜发出do信号，控制器plc接收到信号，通过通讯服务软件反馈给etest测试软件；
[0035]
自动记录和保存测试结果。
[0036]
测试软件控制测试主机给电气柜发出do信号，plc接收到信号，通过通讯服务软件反馈给测试软件，形成测试闭环。
[0037]
进一步地，针对电气柜外围的150个步进电机和300个数字io(即正、负限位开关)对象，以1个步进电机和2个io(正负、限位开关)为一组，共分为150组，即n＝150。所述自动测试流程的步骤为：
[0038]
s1、测试开始时，设变量i＝0，即第一组测试；
[0039]
s2、正限位测试：etest测试软件发送“正限位检测”命令，控制测试主机给电气柜的控制器plc发出do信号；等待100ms，etest测试软件给中间通讯服务软件发送“读正限位信号状态”命令，通讯服务软件读取电气柜的控制器plc中的正限位信号并转发给etest测试软件；etest测试软件比较输出值与返回值，并记录状态信息，完成正限位测试；
[0040]
s3、负限位测试：测试过程与正限位测试过程相同；etest测试软件发送“负限位检测”命令，控制测试主机给电气柜的控制器plc发出do信号；等待100ms，etest测试软件给中间通讯服务软件发送“读负限位信号状态”命令，通讯服务软件读取电气柜的控制器plc中的负限位信号并转发给etest测试软件；etest测试软件比较输出值与返回值，并记录状态信息，完成负限位测试；
[0041]
s4、电机测试：etest测试软件给中间通讯服务软件发送“读电机当前位置信息”命
令，通讯服务软件读取电气柜的控制器plc中电机位置信息，并转发给etest测试软件；etest测试软件给中间通讯服务软件发送“电机运动100步”命令，通讯服务软件接到命令并转发给控制器plc，由控制器plc控制电机运动；等待5000ms，etest测试软件给中间通讯服务软件发送“读电机当前位置信息”命令，通讯服务软件读取电气柜的控制器plc中电机位置信息，并转发给etest测试软件；etest测试软件比较电机期望运动值与实际运动值，并记录状态信息；
[0042]
s5、变量i自增1，如果i＜n，则开始第i组测试；测试过程与第1组测试相同；直至n组测试完成。
[0043]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0044]
1、与现有的技术相比，本发明采用工控机、etest软件作为测试工具，极大减小了构建测试系统的难度和成本。在硬件上，借助研华工控机扩展性强的特点，可以根据测试需求扩展不同类型和数量的板卡，增强了系统的柔性；同时由于采用市场上通用的板卡替代复杂的电路板，不需要再对电路板进行设计，节省了开发的人力、物力成本。在软件上，将专用于嵌入式测试的etest软件用于电气柜测试，可以借助其建模功能、脚本功能等快速构建测试系统，执行自动测试，减少了软件开发的时间和难度。
[0045]
2、本发明通过采用增加外置软硬件转换接口的方式，实现测试主机与电气柜等的连接，增强了系统的柔性，降低了开发及维护的难度和成本。在硬件上，采用接口转接箱将测试主机与电气柜等进行硬件连接，通过简单调整接口转接箱的接线可以匹配多种类型的电气柜，不需要改变测试主机的硬件接口，从而节约硬件成本。在软件上，采用通讯服务软件将etest测试软件与plc进行连接，当测试功能需求变化时，只需简单地修改中间层的通讯服务软件即可，避免了依赖厂家对测试软件功能升级所带来的费用成本，同时也减小了功能扩展的难度。
[0046]
3、分别采用人工检测方法和本发明所述方法对具有100多个步进驱动、300多个数字io点的电气柜进行对比测试，测试结果如图9所示。本发明所述方法15分钟内可完成电气柜接线、逻辑功能测试，并出具检测报告，而人工检测需要30分钟以上才完成接线检测。测试结果表明，本发明所述方法可以极大提高检测效率和准确性，满足了离线状态下对电气柜快速、准确地自动测试的需求。
附图说明
[0047]
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0048]
图1为本发明控制系统拓扑结构图。
[0049]
图2为本发明控制系统电气柜。
[0050]
图3为本发明一种用于控制系统电气柜自动测试的系统结构图。
[0051]
图4为本发明通讯服务软件示意图。
[0052]
图5为本发明通讯服务软件数据处理流程图。
[0053]
图6为本发明测试系统软件组成图。
[0054]
图7为本发明各对象连接示意图。
[0055]
图8为本发明自动测试流程图。
[0056]
图9为本发明实施例测试结果图。
具体实施方式
[0057]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0058]
实施例1
[0059]
本发明是针对以下场景，某大型实验装置含有大量由步进电机驱动的光学镜架，包括一维平移镜架、二维调整镜架、一维回转镜架等。每个镜架包含步进电机、若干个限位开关、光电开关、气缸等电器器件。由于镜架数量众多，且区域分散，如图1所示，镜架控制系统采用ethercat总线运动控制系统，电机驱动采用e-bus背板总线型驱动模块。如图2所示，控制系统元器件安装于电气柜内，通过柜体上的若干个接线定义各不同的重载连接器与外部器件(步进电机、限位开关、光电开关、气缸等)连接，可实现100多个步进电机的驱动控制，300多个数字io点的信息采集。为了实现全部镜架的驱动控制，需要配置300多套电气柜。在现场安装调试前，需要对每个电气柜的接线、逻辑关系等进行测试，以排除电气柜存在的问题。在离线情况下依靠人工方法对电气柜进行检测，费时且容易错检、漏检，而配置与实际应用场景相同的完整外围器件组建测试平台则需要耗费大量人力、物力。
[0060]
本发明能够针对以上场景，提供一种扩展性强、性价比高的可实现300多套电气柜在离线状态下快速、准确地自动测试的系统及方法。
[0061]
如图1至图9所示，本发明一种用于控制系统电气柜自动测试的系统，如图3所示，该自动测试的系统包括：测试主机和电气柜，还包括接口转接箱、步进电机架和通讯服务主机；所述测试主机通过电缆双向连接所述接口转接箱，所述接口转接箱通过电缆双向连接所述电气柜，所述接口转接箱通过电缆双向连接步进电机架；所述测试主机、电气柜通过交换机连接所述通讯服务主机；
[0062]
所述测试主机，其内部动态扩展、集成各类板卡模块，并通过各类航插与外部系统连接；及测试主机上安装专用于嵌入式测试的etest软件，管理各类板卡模块，并提供测试用的软件平台；
[0063]
所述接口转接箱，用于将电气柜电信号分别转接至测试主机和步进电机架中；
[0064]
所述电气柜，其内集成有控制器plc及步进电机驱动模块；
[0065]
所述步进电机架上安装有多个步进电机，用于接收电气柜的电机驱动信号；
[0066]
所述通讯服务主机，通过rj45网络接口用于在所述测试主机和电气柜内的控制器plc之间进行通信服务，处理、转发二者间的通信信息。
[0067]
本发明自动测试的系统设计过程如下：
[0068]
1、选择测试主机。采用集成度高、扩展性强、开放性好的研华工控机作为测试主机，根据测试需求其内部可动态扩展、集成do、di、da、ad等板卡模块，并通过各类航插与外部系统连接。测试主机上安装专用于嵌入式测试的etest软件，管理各类板卡模块，并提供测试用的软件平台，包含测试设计、测试执行、测试记录等功能。
[0069]
2、仿真电气柜外围器件。测试主机内部配置3块pci-1758u do板卡模块和1块pci-1758udi板卡模块；其中，
[0070]
所述3块pci-1758u do板卡模块，用于各产生128路5-40vdc(0v)高低电平信号，仿真模拟电气柜外围的限位开关、光电开关的信号；
[0071]
所述1块pci-1758u di板卡模块，用于接收电气柜内部数字输出模块发出的24vdc(0v)信号，及仿真模拟电气柜外围的气缸等外部逻辑动作机构。
[0072]
另外，本发明考虑使用安装有150步进电机的电机架代替电气柜外围镜架用的步进电机。
[0073]
3、设计通用接口转接箱。通过设计可匹配多种类型电气柜的接口转接箱将电气柜电信号分别转接至测试主机和步进电机架中。
[0074]
4、配置通讯服务主机。测试主机上的etest软件主要用于嵌入式测试，其与电气柜控制系统控制器plc之间不具备通讯软件接口。因此，增加通讯服务主机，通过rj45网络接口用于在测试主机和电气柜内的控制器plc之间进行通信服务，处理、转发二者间的通信信息。按图3所示组建电气柜自动测试系统(硬件部分)。
[0075]
5、设计通讯服务软件。通讯服务软件采用基于c/s(客户端/服务器)模式的socket tcp/ip通信和倍福ads通信进行设计，用于解决etest测试软件与控制器plc通讯问题，处理两者间的通讯数据。通讯服务软件如图4所示，运行于通讯服务主机上，内部数据处理流程如图5所示。整个测试系统软件组成如所示，包括测试软件、通讯服务软件、plc程序。测试过程中，测试软件控制测试主机给电气柜发出do信号，控制器plc接收到信号，通过通讯服务软件反馈给测试软件，形成测试闭环。此外，通讯服务软件读取控制器plc中电机实时角度数据，并反馈给测试软件。
[0076]
具体地，如图5所示，通信服务软件数据处理流程为：
[0077]
打开socket服务，等待socket客户端连接，判断是否建立连接，若否，直接返回等待socket客户端连接；
[0078]
若是，接收客户端数据，并进行数据解码，把解码后的数据发送给控制器plc；同时，读取、接收控制器plc数据，并进行数据编码，把解码后的数据发送给客户端；判断是否断开连接，若是结束，若否重新返回接收客户端数据，并进行数据解码，把解码后的数据发送给控制器plc；同时，读取、接收控制器plc数据，并进行数据编码，把解码后的数据发送给客户端。
[0079]
具体地，测试系统的软件组成如图6所示，测试软件与通信服务软件之间通过tcp/ip进行通信，通信服务软件与被测控制器plc之间通过ads实现。其中，测试软件包括etest集成开发环境软件平台和tcp客户端。通信服务软件包括tcp服务端、数据处理和ads客户端。被测控制器plc包括ads服务端和plc程序。
[0080]
6、测试过程设计与执行。将本发明自动测试的系统(硬件系统)连接好后，在etest测试软件上建立测试系统中各对象的仿真模型及连接关系(如图7所示)，并将各对象模型与实物进行关联，配置通讯参数、物理参数等。采用python语言编写测试脚本，执行如图8所示自动测试流程。自动记录和保存测试结果，如图9所示。
[0081]
具体地，如图6和图8所示，针对电气柜外围的150个步进电机和300个数字io(即正、负限位开关)对象，以1个步进电机和2个io(正负、限位开关)为一组，共分为150组，即n＝150。自动测试流程步骤为：
[0082]
s1、测试开始时，设变量i＝0，即第一组测试；
[0083]
s2、正限位测试：etest测试软件发送“正限位检测”命令，控制测试主机给电气柜的控制器plc发出do信号；等待100ms，etest测试软件给中间通讯服务软件发送“读正限位信号状态”命令，通讯服务软件读取电气柜的控制器plc中的正限位信号并转发给etest测试软件；etest测试软件比较输出值与返回值，并记录状态信息，完成正限位测试；
[0084]
s3、负限位测试：测试过程与正限位测试过程相同；etest测试软件发送“负限位检测”命令，控制测试主机给电气柜的控制器plc发出do信号；等待100ms，etest测试软件给中间通讯服务软件发送“读负限位信号状态”命令，通讯服务软件读取电气柜的控制器plc中的负限位信号并转发给etest测试软件；etest测试软件比较输出值与返回值，并记录状态信息，完成负限位测试；
[0085]
s4、电机测试：etest测试软件给中间通讯服务软件发送“读电机当前位置信息”命令，通讯服务软件读取电气柜的控制器plc中电机位置信息，并转发给etest测试软件；etest测试软件给中间通讯服务软件发送“电机运动100步”命令，通讯服务软件接到命令并转发给控制器plc，由控制器plc控制电机运动；等待5000ms，etest测试软件给中间通讯服务软件发送“读电机当前位置信息”命令，通讯服务软件读取电气柜的控制器plc中电机位置信息，并转发给etest测试软件；etest测试软件比较电机期望运动值与实际运动值，并记录状态信息；
[0086]
s5、变量i自增1，如果i＜n，则开始第i组测试；测试过程与第1组测试相同；直至n组测试完成。
[0087]
本发明采用研华工控机作为测试主机、etest软件作为软件平台，通过设计接口转接箱、开发通讯服务软件建立测试系统与电气柜之间的软硬件关系，实现对镜架控制系统电气柜的自动测试，极大提高了电气柜的检测效率。该自动测试的系统实现对镜架控制系统300多套电气柜在离线状态下快速、准确地的自动测试。
[0088]
本发明具有如下有益效果：
[0089]
1、与现有的技术相比，本发明采用工控机、etest软件作为测试工具，极大减小了构建测试系统的难度和成本。在硬件上，借助研华工控机扩展性强的特点，可以根据测试需求扩展不同类型和数量的板卡，增强了系统的柔性；同时由于采用市场上通用的板卡替代复杂的电路板，不需要再对电路板进行设计，节省了开发的人力、物力成本。在软件上，将专用于嵌入式测试的etest软件用于电气柜测试，可以借助其建模功能、脚本功能等快速构建测试系统，执行自动测试，减少了软件开发的时间和难度。
[0090]
2、本发明通过采用增加外置软硬件转换接口的方式，实现测试主机与电气柜等的连接，增强了系统的柔性，降低了开发及维护的难度和成本。在硬件上，采用接口转接箱将测试主机与电气柜等进行硬件连接，通过简单调整接口转接箱的接线可以匹配多种类型的电气柜，不需要改变测试主机的硬件接口，从而节约硬件成本。在软件上，采用通讯服务软件将etest测试软件与plc进行连接，当测试功能需求变化时，只需简单地修改中间层的通讯服务软件即可，避免了依赖厂家对测试软件功能升级所带来的费用成本，同时也减小了功能扩展的难度。
[0091]
3、分别采用人工检测方法和本发明所述方法对具有100多个步进驱动、300多个数字io点的电气柜进行对比测试，测试结果如图9所示。本发明所述方法15分钟内可完成电气柜接线、逻辑功能测试，并出具检测报告，而人工检测需要30分钟以上才完成接线检测。测
试结果表明，本发明所述方法可以极大提高检测效率和准确性，满足了离线状态下对电气柜快速、准确地自动测试的需求。
[0092]
实施例2
[0093]
如图1至图9所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了一种用于控制系统电气柜自动测试的方法，该方法应用于实施例1所述的一种用于控制系统电气柜自动测试的系统，该方法包括：
[0094]
将所述的一种用于控制系统电气柜自动测试的系统各模块连接好；
[0095]
在etest测试软件上建立测试系统中各对象的仿真模型及连接关系，并将各对象模型与实物进行关联，配置通讯参数、物理参数等；
[0096]
采用python语言编写测试脚本，执行自动测试流程，etest测试软件控制测试主机给电气柜发出do信号，控制器plc接收到信号，通过通讯服务软件反馈给etest测试软件；
[0097]
自动记录和保存测试结果。
[0098]
具体地，如图8所示，针对电气柜外围的150个步进电机和300个数字io(即正、负限位开关)对象，以1个步进电机和2个io(正负、限位开关)为一组，共分为150组，即n＝150。自动测试流程的步骤为：
[0099]
s1、测试开始时，设变量i＝0，即第一组测试；
[0100]
s2、正限位测试：etest测试软件发送“正限位检测”命令，控制测试主机给电气柜的控制器plc发出do信号；等待100ms，etest测试软件给中间通讯服务软件发送“读正限位信号状态”命令，通讯服务软件读取电气柜的控制器plc中的正限位信号并转发给etest测试软件；etest测试软件比较输出值与返回值，并记录状态信息，完成正限位测试；
[0101]
s3、负限位测试：测试过程与正限位测试过程相同；etest测试软件发送“负限位检测”命令，控制测试主机给电气柜的控制器plc发出do信号；等待100ms，etest测试软件给中间通讯服务软件发送“读负限位信号状态”命令，通讯服务软件读取电气柜的控制器plc中的负限位信号并转发给etest测试软件；etest测试软件比较输出值与返回值，并记录状态信息，完成负限位测试；
[0102]
s4、电机测试：etest测试软件给中间通讯服务软件发送“读电机当前位置信息”命令，通讯服务软件读取电气柜的控制器plc中电机位置信息，并转发给etest测试软件；etest测试软件给中间通讯服务软件发送“电机运动100步”命令，通讯服务软件接到命令并转发给控制器plc，由控制器plc控制电机运动；等待5000ms，etest测试软件给中间通讯服务软件发送“读电机当前位置信息”命令，通讯服务软件读取电气柜的控制器plc中电机位置信息，并转发给etest测试软件；etest测试软件比较电机期望运动值与实际运动值，并记录状态信息；
[0103]
s5、变量i自增1，如果i＜n，则开始第i组测试；测试过程与第1组测试相同；直至n组测试完成。
[0104]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0105]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0106]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0107]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0108]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。