一種工業控制系統中點檢工具的設計和應用

程建立，朱燕萍，吳小文，朱 挺，平志明

（浙江中控技術股份有限公司，杭州 310053）

控制系統的全生命周期涵蓋從規劃、可行性研究、初步設計、施工圖設計、工程施工，到投產、竣工驗收、允許、維護、變更直至報廢的全過程[1]。控制系統的使用過程中涉及前期的選型、采購、維保等方面[2]，隨著新的控制系統的發展，不同行業、不同企業都向著自動化控制發展。而多數企業的控制系統隨著使用年限的增長，有必要對控制系統進行點檢分析，確保安全生產。目前，點檢方式可分為人工點檢和點檢儀點檢。人工點檢采用人員在現場駐守檢測、觀察，該方法存在人員素質參差不齊、標準不一、數據記錄繁瑣且易丟失等問題，將逐漸被淘汰[3]。因此，有必要對點檢工具進行深化和研究。

1 現場檢驗現狀

根據安監總管三【2014】116 號文《國家安全監管總局關于加強化工安全儀表系統管理的指導意見》，分別在項目設計階段要求、操作維護階段要求中提出，為保證安全儀表系統的安裝完整性等級，需要確定檢驗測試周期、計劃與規程。《安全生產法》第三十三條規定，安全設備的設計、制造、安裝、使用、檢測、維護、改造和報廢，應當符合國家標準或者行業標準。生產經營單位必須對安全設備進行經常性維護、保養，并定期檢測，保證正常運轉。維護、保養、檢測應當做好記錄，并由有關人員簽字。

目前的實施操作中存在如下問題：①檢驗問題記錄易出現漏寫。多數檢驗人員采用心記方式，難免忘記填寫部分問題；②檢驗問題匯總復雜、費時[4]。點擊需要記錄的數據比較多，卡件類型、設備類型錯綜復雜，難免算錯或者記錯測量值；③在點檢項目實施過程中，面臨著工期短、限制條件多、實施風險大等諸多不利因素[5]。

2 點檢工具概述

點檢工具依托SPT 硬件平臺對控制系統進行點檢測試。它定義了點檢的過程；收集點檢過中的資料；檢測系統運行狀態；簡化打點測試操作，實現打點測試結果自動收集；手動、自動系統響應時間測試；端子板配電輸出、保險絲通斷、采樣電阻值檢測等。最終，根據實際現場配置，按順序整合各個步驟中的資料文件圖片表格，生成點檢報告。點檢工具按項目維度區分不同控制系統，完整覆蓋項目管理、權限管理、工程信息配置、軟件授權管理等現場應用需求。點檢工具安裝環境，支持win7 系統，分辨率1920×1080。整體架構圖如圖1。

圖1 整體架構圖Fig.1 Overall architecture diagram

3 點檢工具軟件設計

本工具采用面向對象的方法對系統進行分析，系統使用單機系統架構，基于MFC 框架，采用純C++語言開發，配置采用INI 文件存儲。主要功能模塊有：工程管理模塊、系統診斷模塊、文檔處理模塊、IO 點檢測試模塊、響應時間測試模塊、端板檢測模塊、UCP 驅動模塊等。組件架構圖[6]如圖2。

圖2 組件架構圖Fig.2 Component architecture diagram

3.1 工程管理模塊設計

本點檢軟件中，所有的規程操作都是基于檢驗測試工程：必須先創建或者打開點檢工程，然后才能在點檢軟件中執行其他的操作步驟。工程管理是指對點檢工程本身的編輯管理功能，包括新建工程、打開工程、工程配置、保存工程、關閉工程、導出報告，以及權限管理設置等。這些功能組成了主界面的工具欄，方便使用者操作這些信息。

設計約束：

新建工程，點擊后彈出新建工程的對話框，創建一個新的點檢工程。

打開工程，點擊后彈出打開工程的對話框，對話框中有下拉菜單可以選擇需要打開的工程。

工程配置，點擊后彈出工程配置的對話框，里面是工程的基本屬性配置，包括用戶名稱、項目名稱、裝置工段、控制室、控制站、機籠數量、操作站等項目信息和參與項目的點檢工程師基本信息。

保存工程，將當前打開的點檢工程保存。

關閉工程，注銷并關閉點檢平臺。

導出報告，合并工程文件，導出點檢報告。

權限管理設置，使用用戶權限登陸時，只能查看工程，不能編輯或者操作工程；使用工程師權限登陸時，可對整個工程進行任意操作。工程師站的登陸密碼需設置并保存，登陸時使用密碼登陸。

3.2 系統診斷模塊設計

系統診斷包括兩部分：一部分是被測系統的診斷，還有一部分是本測試系統的診斷。作業時，需要保證被測系統和測試系統都是正常的。因本系統和被測系統都是同一套硬件設計原理，所以軟件獲取診斷信息設計時考慮將兩個系統合并到一個類中，使用不同類型區分不同系統。被測系統需要提供組態，通過組態獲取系統的域地址、站地址，實現本軟件與控制器的通訊，以獲取下位機實時診斷數據。本系統的硬件設備因只有控制器和通訊卡的空組態，所以提供手動輸入域地址和站地址的編輯框，然后根據輸入的域地址、站地址實現通信，需要實現控制器信息上載顯示的功能。上載信息包括組態一致性、控制器運行狀態、系統故障信息、模塊故障信息、強制信息、線路故障等。

3.3 文檔處理模塊設計

文檔處理是比較核心的模板，其主要功能包括數據記錄的保存和各個檢測模塊數據記錄的整合成一個可輸出word 文檔。本設計中文檔處理模塊強依賴Office/WPS，即使用本軟件的時候需要系統預裝Office 或者WPS 增強版。實現的功能包括：創建word 文件，將檢測數據通過Office/WPS 后臺進程，輸入word 文檔，形成文字塊或者表格，插入圖片等。整合報告是將分散的各個word/excel 文件合并成一個最終報告。

3.4 授權管理模塊設計

授權管理是通過軟件狗實現的。在該模塊中集成了軟件狗的DLL，通過定時調用軟件狗開放的接口，檢測是否有軟件狗。如果沒有軟件狗，則只允許使用10min。無軟件狗時，不允許與控制系統通信。

3.5 IO點檢測試模塊設計

IO 點檢測試是個順序過程，點檢過程為：先用DB37線連接工業控制系統被檢測IO 卡件跟SPT 硬件平臺的檢測卡件，用點檢工具生成打點值（電壓值），將打點值轉成ACD 碼值寫入被檢測卡，被檢測卡輸出對應打點值到檢測卡，點檢工具讀取檢測卡中被檢測卡輸出值，轉成實際電壓與發送的電壓值比較，測量量程的5%，25%，50%，75%，95%等，分別按H/L 比值下載。最后，根據算法判斷被檢測卡輸出精度是否達標，將結果寫入excel 表格。軟件設計流程圖如圖3、圖4。

圖3 IO點檢整體流程圖Fig.3 Overall flow chart of IO spot check

圖4 點檢流程圖Fig.4 Check flow chart

開始時，根據診斷模塊讀取的組態信息，獲取工業控制系統的硬件設備信息，然后通過系統管理命令獲取控制器上實際設備信息，將兩者信息比較，如果一致，才允許進入檢測程序，否則就報設備信息不一致的錯誤，退出該模塊的檢測程序。檢測程序根據不同的卡件類型（輸入模擬量、輸入開關量、輸出模擬量、輸出開關量），自動選擇匹配的測試卡件，輸入卡對應PADI，輸出卡對應PDO。輸入卡的檢測：檢測卡輸出信號給輸入卡，然后讀取輸入卡上的采樣值。輸出卡的檢測：強制輸出卡輸出信號給檢測卡，然后讀取檢測卡中獲取到的采樣值。

功能拆分：

1）測試卡、檢測卡信息讀取：從控制站信息配置模塊獲取數據。

① 接入界面時，從控制站信息配置模塊獲取數據填充對應的下拉框。

② 測試卡顯示需要帶卡信息、機架信息、槽位信息以及左右控制器信息。

③ 檢測看顯示需要帶卡信息、槽位信息。

2）實現聲光報警控制，默認不需要報警。

3）檢測測試值下發和測試結果讀取：分兩種情況，對應PADI 和PDO 卡。

① 聯機讀取組態，比較組態狀態（檢測卡、測試卡）。

② 選擇測試通道。

③ 批量填充測試值。

④ 聯機下發測試值。

⑤ 聯機讀取實測值。

⑥ 計算偏差。

3.6 響應時間測試模塊設計

響應時間測試是邏輯程序回路的響應時間測試，具體操作為先用DB37 線分別連接被檢測卡件與檢測卡，選擇被檢測卡卡件中的輸出引腳和被檢測卡件中的輸出引腳，用被測控制系統的邏輯程序連接。測試時，點檢工具向SPT 系統發檢測命名，SPT 收到信號后給被測卡件輸入引腳供電，直到檢測到被測卡件輸出引腳發生跳變，記錄下這段跳變時間，點檢工具訪問SPT 硬件讀取響應時間顯示在界面上，同一回路最大允許測試100 次。根據測試結果判斷響應時間是否符合標準。軟件設計流程圖如圖5、時序圖如圖6。

圖5 響應時間流程圖Fig.5 Response time flow chart

圖6 響應時間時序圖Fig.6 Response time sequence diagram

3.7 端子板點檢測模塊設計

端子板檢測主要檢測控制系統外圍供電板特性，點檢的項目包括外配電檢測、保險絲通斷檢測、采用電阻值檢測等，生成報告時需要考慮保險絲拔出和保險絲恢復。具體操作為先用DB37 線連接端子板和SPT 硬件平臺，點檢工具下發端子板類型給SPT 硬件平臺，開始檢測外配電，保險絲通斷需要手動檢測和錄入。軟件設計流程圖如圖7。

圖7 端子板點檢流程Fig.7 Terminal board inspection process

1）支持半自動化點檢測試端子板，并提供可視化的點檢報告和點檢步驟。

2）支持不同端子板的點檢檢測功能，本機實現的端子板具體的型號包括：

TAI9010：電流輸入（非配電）。

TAI9012：電流輸入（配電/混合）。

TAI9020：電流輸入（配電/混合）。

TDI9010：無源輸入（24V）。

TDO9010：有源輸出（24V）。

對應的端子板檢驗測試為：PTU9010。

3）支持與被測卡和檢驗測試的數據通信交互，支持與被測卡和檢驗測試的數據通信交互，實現了對工業控制系統端子板模塊與SPT 檢驗平臺硬件配置的匹配性，觸發向輸出點檢測試數據，從檢驗測試回讀檢驗數據。

PTT 軟件根據對應測試端子板與檢驗測試的匹配性連接，該信息保存。

PTT 軟件選擇觸發點檢測試命令，根據模塊測試數據，發送至PTU 模塊。

PTT 軟件選擇回讀點檢輸出數據，并根據模塊進行點檢判斷。

4）主要數據說明

選擇檢測卡的數據來自SPT-900 系統上載的設備信息過濾后PTU 卡填充。

溫度及濕度根據選擇PTU 卡獲取。溫度和濕度存在一個正常測試區間，如果超出正常區間，需要手動選擇正常區間的值下發下去（不是正常區間內的值不讓下發）。

選擇模塊型號的值目前是硬編碼固定的值，初始顯示為空，選擇后初始化PTU 對應型號信息。

外配電需要選擇好檢測卡和測試模塊之后獲取。進入測試需要完成的前提：溫濕度下載，外配電檢查。查看按檢測卡和測試模塊信號組成文件名查詢，打開對應文件。

檢測界面按自上而下的步驟測試，如果上面步驟未確認完成，后續步驟不予執行。

配電輸出檢測判斷，本程序提供結果選擇，實際由操作人員自行操作，程序提供展示窗口。

保險絲通斷檢測：阻值提供大于10 或小于等于10 的選擇，判斷值提供PASS 或者FAIL 選擇。

本程序值提供檢測值的定時讀取顯示，結果判斷和操作都由操作人員自行操作。采樣值采用定時開始，定時結束，一次性采集結果展示。保險絲恢復也由操作人員自行完成，本界面只提供結果選擇。

3.8 響應時間測試模塊設計

支持對工業控制系統邏輯程序回路的響應時間的測試，具體為：

1）檢驗測試平臺提供對響應時間測試的輸入信號，回讀輸出信號計算響應時間。

2）測試回路包含端子板。

3）響應時間測試結果用圖狀直觀表示。

4）每次測試一條回路，支持執行多組測試（默認100組），以及最大值、最小值、平均值的顯示。

5）所有被測卡件位于原平臺上進行測試。

本機支持單個回路的響應時間，即單個輸入變量與輸出變量的響應時間測試。

軟件設計流程圖如圖8、時序圖如圖9。

圖8 響應時間測試流程圖Fig.8 Response time test flow chart

圖9 響應時間測試時序圖Fig.9 Response time test sequence diagram

3.9 異常處理模塊設計

當卡件檢測發現異常時，軟件發出聲光報警：界面顯示對應的異常信息，紅色顯示，同時通過揚聲器發出聲音報警。此功能默認狀態為關閉狀態，可由工程師設置是否開閉。

端子板點檢檢驗、模塊點檢檢驗、回路響應時間檢測：檢測結果存在故障/FAIL 時，光點紅色，并觸發聲光報警。檢測結果通過時，光燈亮綠燈，不觸發聲音報警；不能使用時，光燈亮灰色，不觸發聲光報警。

4 結束語

點檢工具通過IO 點檢模塊的快速打點，響應時間測試的自動化測試，端子板點檢的自動數據采集，以及保存功能將采集數據轉化成excel 表格，極大提高了點檢工作的效率，減輕了點檢人員的工作壓力，減少了人工操作記錄的出錯率，有效地保障控制系統的可靠性、穩定性、準確性，可實現對設備點檢數據的自動采集和點檢數據分析，切實掌握設備狀態以及劣化發展的趨勢，進而保證設備安全穩定運行，是現代設備維護中一個應用方向，具有良好的經濟效益和廣闊的發展前景[7]。目前，該點檢工具已在中控SIS 產品線進行推廣和使用，比如2021年12月在淮安市某項目中實施點檢。