工控系統多通道信號實時響應自動測試方法

張立然 李春雅 許文競 谷雙平

（浙江中控技術股份有限公司）

傳統的DCS 信號實時響應測試方法是使用示波器余輝功能，單次測試一個通道。 如果要保證測試覆蓋率，遍歷工控系統的不同配置，則測試效率不高。 為此，提出一種基于NI-PXI 板卡和LabVIEW 的工控系統8 通道信號實時響應自動測試方法，以實現同時進行不同組態配置的多通道測試，節省測試時間，提高測試覆蓋率，并實現操作便利、直觀、自動生成測試報告的功能。

1 實時響應常規測試方法

工控系統的實時響應性能是整個系統性能的重要指標，直接影響系統的控制品質，因此研究和測試工控系統的實時響應性能就顯得尤為重要。

測試量變化一個步進值后，傳感器達到最終數值90%所需要的時間，通常采用響應時間定量描述。

常規的實時響應測試方法使用Fluke 作為信號源產生方波信號，接入AI 模塊通道，使用雙蹤示波器測量Fluke 輸入和AO 輸出。 方波信號在每次產生階躍時，Fluke、AO 通道波形時間差即為響應時間。 使用示波器的余輝功能即可找到測試時間內相應時間的最大值、最小值和平均值。 工控系統實時響應常規測試方法如圖1 所示，即系統響應時間為兩個測量值之差。

圖1 工控系統實時響應常規測試方法

工控系統實時響應常規測試平臺每次操作只能記錄一個通道、一組數據，遍歷工控系統不同的時間配置耗時久，工作重復。 而且，在測試過程中，工控系統一般是按照用戶設定的控制周期運行的，一個控制周期被分成不同的時間段執行不同的任務，在工控系統的不同時間段觸發實時響應測試會導致不同的測試結果。 人工測試無法覆蓋到控制周期中任意時刻觸發實時響應測試的情況，因此無法確保測試的覆蓋率。

2 實時響應自動測試工具

2.1 整體架構

實時響應自動測試工具整體結構如圖2 所示。 由LabVIEW 程序控制NI-PXI 板卡輸出生成方波，同時輸入到NI-PXI 板卡和工控系統AI 卡。工控系統端信號從AI 輸入， 經過工控系統內部運算，從工控系統AO 卡輸出，再送至NI-PXI 板卡。程序控制NI-PXI 板卡對這兩路信號同時進行采集，經過對比和分析后，將結果顯示到程序界面，并自動生成測試報告。

圖2 實時響應自動測試工具整體結構示意圖

本測試方法用了兩塊NI-PXI 板卡， 分別為PXI-6733 和PXI-6251，PXI-6733 信號輸出卡作為被測工控系統的信號源提供8 通道信號；DCS 內部將AI 通道采集值賦值給AO 通道；PXI-6251作為信號板卡，采集16 通道信號，包括8 通道原始信號（由PXI-6733 輸出）和8 通道DCS AO 輸出信號。 信號流向如圖3 所示。

圖3 信號流向示意圖

開關量信號DI 到DO 的實時響應測試方法同理，此處不再贅述。

2.2 軟件界面

實時響應自動測試界面如圖4 所示，界面配置較簡潔，可指定測試時間，實時查看最多8 個通道的測試進度和測試結果。 當設置的時間到時測試進度條走滿， 程序自動生成測試報告。 圖4中階躍響應時間1 為階躍響應曲線與數據源在下降沿波形的時間差，階躍響應時間2 為階躍響應曲線與數據源在上升沿波形的時間差。

圖4 實時響應自動測試界面

2.3 軟件設計

本方法的程序實現有4 個重要部分：生成波形、 采集波形、 實時響應計算和自動生成報告。

2.3.1 生成波形

方波信號生成程序如圖5 所示，左側配置NI PXI-6733 板卡中生成該波形的8 通道、采樣方式和采樣頻率；右側程序為循環，使得程序在測試完成前持續輸出波形。 方波周期5 s，每執行一次循環改變一次方波相位，時間相差10 ms，目的是使產生階躍的時刻能覆蓋AI 采樣、 控制器處理和AO 輸出的時間， 使測試結果符合系統真實運行情況，圖6 為階躍信號覆蓋控制器周期每一個時刻的示意圖。

圖5 方波信號生成程序

圖6 階躍信號覆蓋控制周期各時刻

2.3.2 采集波形

信號采集程序如圖7 所示，圖形化編程控制NI PXI-6251 板卡以200 Hz 頻率的連續采樣方式每5 s 記錄一次過去5 s 的波形。

圖7 信號采集程序

2.3.3 實時響應計算

如2.1 節所述，使用PXI-6251 板卡采集的16通道數據，0～7 通道為直接采集的PXI-6733 數據源，8～15 通道為經工控系統AI、AO 卡件的響應波形（下稱測試波形），且第i 個信號和第i+8 個信號一一對應， 因此第i 個信號與第i+8 個信號的波形時間差即為信號實時響應時間。

圖8 為按照響應時間的定義繪制的響應時間計算方式示意圖，其中H 為產生階躍時信號的變化量。

圖8 響應時間計算方式

圖9 為階躍判斷程序。 圖10 為信號實時響應時間的計算程序。

圖9 階躍判斷程序

2.3.4 自動生成報告

程序（圖11）記錄了每次階躍時的響應時間，存入數組并計算最值和平均值，并對所有的響應時間進行統計，顯示在測試報告中。

圖11 自動生成報告程序

3 實際應用

3.1 測試過程

本測試方法遍歷ECS-700 的配置，測試結果和常規測試方法一致。 本測試方法在ECS-700、ECS-700SE、TCS-900 系統測試的實際使用中，測試人員只需要做以下簡便操作：

a. 在DCS 中配置好不同的時間參數， 如AI采樣周期、控制器周期、位號處理周期及程序周期等。

b. 進行硬件接線，連接NI 模塊和DCS。

c. 打開本工具， 設置物理通道和測試時間，點擊“開始測試”。

d. 設定的測試時間到，測試結束，自動生成測試報告，報告中有測試時間和階躍次數的記錄，還有各通道實時響應時間最值和平均值表格，另外還有8 個通道實時響應時間統計圖（圖12）。

圖12 自動生成的8 通道信號實時響應測試報告

3.2 誤差分析

誤差主要來自于NI-PXI 板卡的采集時間，而采集時間目前實際應用推薦的最小值遠小于被測對象的采集卡采集時間、 控制周期和AO 卡輸出刷新時間， 并且NI-PXI 板卡同時去采集NIPXI 輸出卡和AO 的輸出，抵消了NI-PXI 板卡的采集時間，完全滿足測試要求。

3.3 方法優點

NI-PXI 作為模塊化硬件，有著多通道、高采樣率和高精度的特點，其不同板卡可以作為信號發生器或采集儀器使用。 NI-LabVIEW 作為虛擬儀器，相比于示波器、Fluke 等真實儀器，有著靈活、可編程和多通道的特點，能自動且大批量地進行測試任務；其高精度的特點也可以使觸發實時響應測試的時間達到毫秒級精度。 另外，LabVIEW 可以憑借其界面編程特點，同時完成自動化程序界面，提高效率的同時增加測試工具的易用性［1］。

該方法實現了多通道并行實時響應測試的完全自動化， 相比于常規使用示波器的方法，有如下優點：

a. 操作簡單且易用性強， 只需設置時間，點擊“開始測試”則程序運行并自動生成報告；

b. 8 通道并行測試，不同配置的通道可同時測試，測試效率可提升至少8 倍；

c. 產生階躍的時刻能覆蓋AI 與AO 上送周期和控制器控制周期中的不同時刻，明顯提高了測試覆蓋率；

d. 可長期測試，獲得更多數據，可作為評價工控系統長期穩定性的一項測試指標。

4 結束語

實時響應自動測試工具解決了常規的DCS信號實時響應測試不能保證測試覆蓋率且測試效率低的問題，能夠并行進行多通道實時響應測試，并自動生成測試報告，在DCS、SIS、GCS 系統測試中的應用，有效提升了信號實時響應的測試效率和測試覆蓋率，降低了測試難度，解放了測試人力。