國產化HMI軟件及PLC系統的測試評估方法、應用效果分析與產品優化方向

管文涌 王曉光 禹 浩

（1.國家管網集團西氣東輸公司；2.中國石油天然氣銷售河南分公司）

2019年12月中俄東線北段投產運行，2020年1月閩粵支干線投產運行。 國產化自控設備成體系地應用于上述新建天然氣管道，實現了自控設備全系統國產化應用。

基于國產化自控設備開始成體系地應用于油氣管網干線、支干線的現狀，為了規范行業應用， 對于國產化自控系統中的核心設備HMI軟件和PLC系統， 從原則要求和具體指標參數上提出評價標準， 判斷其性能和功能是否滿足現場需要，并依據現場測試應用情況，總結用戶應用意見， 從整體上將國產化產品與進口產品進行比較，分析其優缺點。 分析范圍不限于上述兩條管線的國產化自控設備，綜合考慮了油氣儲運行業已應用的眾多廠商設備，實現從用戶需求端為國產化自控產品優化改良提供方向的目標。

1 HMI軟件測試

1.1 產品現狀

國產化HMI軟件的發展較為成熟， 行業內外不同廠家各類產品豐富多樣， 系統功能完善，組態軟件較為智能化， 人機交互界面較為人性化。產品的軟硬件指標已經完全不遜于甚至在某些環節明顯超過國外同類產品［1］。

但是，產品可用性的研究往往受到設計者主觀設定和目標行業目標對象性質的影響，不能很好地將各種行業各種性質用戶在實際使用過程中對產品的期望和功能要求規劃進去。 很多產品在進行設計時都會因為缺少廣泛的調研而未對產品可用性進行必要的分析和研究，導致基于站場開發的小型HMI軟件應用于控制中心時功能不足， 而基于控制中心開發的大型HMI軟件應用于站場時又復雜不便。

1.2 依據與方法

1.2.1 產品設計標準與測評依據

產品設計標準需遵循的原則包括：層次簡潔原則，界面一致原則，用戶為本原則，面向對象原則，功能完備原則［2］。

產品測評依據包括硬件和軟件依據標準。

硬件依據標準具體如下：

a. GB/Z 19582—2004《基于Modbus協議的工業自動化網絡規范》；

b. DL/T 634.5104—2002 《遠動設備及系統第5-104部分傳輸規約》，IEC 60870-5-104：2000《采用標準的傳輸層文件集的IEC 60870-5-101的網絡訪問》；

c. 《Communicating with RA Products Using EtherNet/IP Explicit Messaging》（Rev.1.2）；

d. 《Data Access Custom Interface Standard Version 3.00 Released March 4，2003》。

軟件依據標準［3］具體如下：

a. GB/T 25000.51—2010 《軟件工程 軟件產品質量要求和評價（SQuaRE）商業現貨（COTS）軟件產品的質量要求和測試細則》；

b. 《CMMI for Development》Version 1.3；

c. GB/T 8566—2007 《信息技術軟件生存周期過程》；

d. GB/T 8567—2006 《計算機軟件文檔編制規范》；

e. GB/T 9385—2008 《計算機軟件需求規格說明規范》；

f. GB/T 25062—2010 《信息安全技術鑒別與授權 基于角色的訪問控制模型與管理規范》。

1.2.2 測評方法

采用基于BP神經網絡的人機交互性能指標評估方法進行評估［4］。

首先，經過對影響人機交互性能各元素的分析，確定評估指標體系如圖1所示。

圖1 評估指標體系示意圖

然后，根據評估指標體系建立三層前向型神經網絡，如圖2所示。

圖2 三層前向型神經網絡示意圖

最后， 根據用戶意見調整各項指標權重，進行計算，完成評估。 計算式如下：

其中，x1，x2，…，x9是各項元素指標的完成度，各項元素的完成度數值根據主觀評估從0～1自行賦值；w11，w21，…，w91是元素指標功能的權重；w12，w22，…，w92是元素指標性能的權重。 經計算，初步得到隱藏層的輸入a1和a2， 經過S函數的調節，將隱藏層功能和性能的輸出調節為更平滑、更具代表性的φ1和φ2，根據功能和性能的權重w1和w2，擬合得到最終評估值y，y值的大小表征人機交互性能的優劣。

1.3 要求與指標

功能要求如下：

a. 支持多種協議；

b. 可實現雙機雙網冗余；

c. 可實現歷史庫管理、實時庫管理、點表管理、采集管理、免停機在線系統維護功能；

d. 可實現工程管理（工程組態、畫面創建）、圖形文件管理及圖元模型管理等功能；

e. 可實現組態工程的畫面展示、 多屏展示、報警、趨勢、數據下置、監視和控制功能；

f. 可實現實時報警、歷史報警、報警分區及報警分級功能［5］；

g. 可實現實時趨勢和歷史趨勢功能；

h. 可實現實時報表和歷史報表功能；

i. 支持第三方歷史庫存儲數據；

j. 可以實現將組態工程發布至Web功能；

k. 可實現統一用戶管理、權限驗證和事件統一管理功能。

性能要求［6］如下：

a. 可移植性強，一鍵安裝、一鍵卸載；

b. 版本向下兼容，直接用現有客戶端打開低版本界面；

c. 具有簡單直觀的界面顯示已用點數和授權點數功能，具有可擴容功能，能進行加密鎖授權信息擴容；

d. 穩定性強，對軟件界面和實時庫配置修改時，至少符合兩個要求中的一條（第1條，具有將保存前所有操作撤銷的功能；第2條，對配置修改操作進行二次確認）；

e. 支持系統的故障預警功能，已經預見的異常情況能夠輸出錯誤碼提示，針對錯誤有相應的處理策略；

f. 易用性強， 具有全面的日志信息記錄和分類保存功能，日志信息精確到毫秒，信息內容易于理解；

g. 可靠性高，服務器、采集器、采集設備和網絡冗余遭破壞后，均可正常運行，突發斷電不會導致服務器受損，服務器硬件受損修復后可通過ghost還原系統。

HMI軟件參數指標見表1。

表1 HMI軟件參數指標

1.4 結論與意見

優點如下：

a. 國產化HMI軟件發展迅猛、 應用廣泛，多款設備各項功能和性能指標均已達到國際主流產品的水平；

b. 價格低于同類進口產品；

c. 進口HMI軟件系統在硬件升級時往往需要重復購買授權點， 國產化HMI軟件授權點多采用一次購買、終生受用、包產品迭代、包軟件升級的方式，節省大量硬件升級時的額外費用。

缺點如下：

a. 部分國產化HMI軟件針對存在BUG的版本迭代太慢，導致用戶黏性不足。

b. 部分國產化HMI軟件設計時對目標行業目標對象定位過于死板，導致在其他環境的適用性不足。

功能方面的缺點如下：

a. 國產化HMI軟件工程軟件的界面友好度較同類進口產品仍略有不足。

b. 國產化HMI軟件的用戶手冊的易用性、全面性和精細化程度遠低于同類進口產品，無故障代碼、診斷信息解釋等信息。

c. 部分國產化HMI軟件工程軟件的數據庫配置工具、實時數據庫、歷史數據庫之間缺乏系統的連接和直觀的展示，部分軟件三者中同一個數據點有不同的數據標簽，查閱不便。

2 PLC系統測試

2.1 產品現狀

國內企業在中低端市場憑借著對目標行業的深刻理解、 靈活的業務模式和產品的高性價比，業績增長顯著，并且經過積淀已經達成了相當強的資金、人力和技術累積，向中高端市場的沖擊也卓有成效［7］。

但是，目前國內廠家做產品調研時只考慮用戶需求，沒有單獨的用戶使用習慣調查，因此在對產品進行設計開發的過程中，缺少足夠的用戶使用習慣和喜好數據作為參考，難免使設計出來的產品的功能和外形都與用戶心目中使用趁手的產品存在偏差。

2.2 依據與方法

產品設計標準包括數據處理實時性原則、過程控制可靠性原則、信息交互安全性原則和系統操作易用性原則［8］。

測評時的硬件依據標準為GB/T 15969《可編程序控制器》， 軟件依據標準為GB/T 25000.51—2016《系統與軟件工程系統與軟件質量要求和評價（SQuaRE）第51 部分：就緒可用軟件產品（RUSP）的質量要求和測試細則》。

測評方法采用基于BP神經網絡的性能指標評估方法或標準符合性核對法。 標準符合性核對法是依據相關標準編制測試表，逐條進行功能和性能符合性核對，并與SCADA軟件進行聯調測試的方法。

2.3 要求與指標

功能和性能的要求具體如下：

a. 控制器的處理器、I/O網絡、 電源及LAN模塊等應按冗余配置設計；

b. PLC選用的模塊應是帶電可插拔型， 且每個模塊都應有自診斷功能， 并提供故障報警輸出；

c. PLC應支持多個數據訪問端同時訪問；

d. PLC系統對硬件的地址分配設置、I/O的量化等應采用組態方式完成；

e. 配套的PLC程序編程軟件， 應支持GB/T 15969.3—2017中的全部5種編程語言；

f. PLC具備遠程診斷功能（模塊級），配套遠程診斷軟件，可遠程下載或上傳程序；

g. PLC擴展模塊應盡量采用以太網通信模式進行擴展，同時應盡量實現在線模塊擴展功能；

h. 兼容性（版本兼容性），程序可兼容各軟件版本；

i. 易用性（可理解性），相對完善、易于理解的程序注釋；

j. 可靠性（容錯性），其他原因引起的超出預設范圍的輸入值不會影響程序的正確執行；

k. 可移植性（適應性），可以將程序移植至其他同款設備；

l. 維護性（易測試性），程序被修改后易于通過測試結果發現并確認修改。PLC系統參數指標列于表2。

表2 PLC系統參數指標

PLC冗余切換時間的記錄中，示波器通道1監視主機系統電源， 示波器通道2監視備機冗余狀態指示燈，斷開主機電源，抓取原主機系統電源掉電到新主機冗余狀態指示燈滅，指示燈電平變化時間即為冗余切換時間。

2.4 結論與意見

優點如下：

a. PLC元件國產化程度高， 部分廠家CPU芯片現已完成國產化并實現現場應用，AD轉換模塊也在國產化研制攻關中；

b. PLC的國產化內存等硬件配置遠高于同類進口產品；

c. 價格低于同類進口產品；

d. 備件充足。

缺點如下：

a. 行業內缺乏對用戶操作習慣的調研，設計中缺乏對用戶操作習慣的考慮，用戶體驗欠佳；

b. 國產化PLC控制器外殼色彩更多考慮與進口產品的區分，盡量避免采用和進口產品相同的色彩，導致國產化PLC外殼色彩過于斑斕龐雜，缺乏基本色彩醒目、警示等功能，而國外廠商多以簡單醒目的黃色或藍白色制作安全系統控制器外殼 （遵循的標準為GB/T 21109.1—2007和IEC 61511—1：2003）。

功能方面的缺點如下：

a. 國產化PLC的操作系統運行效率低于同類進口產品；

b. 工程軟件的易用性（可理解性）不足；

c. 部分廠家的工控軟件尚無法支持GB/T 15969.3—2017標準中的全部5種編程語言（GB/T 21109.2—2007，IEC 61511—2：2003）；

d. 部分廠家控制器模塊無編程接口；

e. 部分廠家控制器無故障整體復位軟/硬件開關；

f. 部分廠家模擬量模塊無狀態顯示燈；

g. 部分廠家擴展模塊僅支持總線通信，尚不支持以太網通信；

h. 部分廠家I/O模件接線不方便；

i. 部分廠家PLC擴展模塊、 總線連接端口制作工藝較粗糙；

j. 部分廠家功能安全儀表控制器不支持數據具備精確時間標簽的SOE功能 （GB/T 21109.3—2007，IEC 61511—3：2003）。

3 結束語

基于新建長輸天然氣管道干線、 支干線投用的國產化自控產品的測試評價和應用實踐， 大體上看， 國產化自控產品豐富且全面， 整體指標優秀，軟硬件性能參數全面超越進口產品。國產化自控設備在油氣儲運行業內的成體系應用獲得了成功。但是對比進口設備，由于國產化設備過去往往試點多，推廣少。特別是由于缺乏大量用戶應用的反饋，國產化HMI軟件和PLC系統或多或少存在非顯性和非指標性的欠缺之處。 國產化自控設備在這些體現廠家內功的環節落后于國外同類產品，因此需要國產化廠家和用戶通力協作， 在更多的用戶意見反饋基礎上優化產品，不斷進步。