測試過程控制管理系統設計與實現

牛穎蓓

摘 要：針對不同數據接口進行數據采集實現統一控制問題，設計與實現一套測試過程控制系統。硬件采用計算機網絡技術，異構數據集成技術，通過OPC接口、通過現場總線、通過RS485接口、通過文件接口、通過ODBC接口和其他標準接口或非標準協議接口采集多個測點信息。軟件采用主流的C/S架構和面向對象技術設計，通過多客戶端、分布式運行模式，實現數據采集進行集成處理顯示，并可以實現軟件平臺控制各個測點進行遠程管理。該設計已在某工程上得到應用，實驗結果表明，該系統能完成多個測點信息采集和處理的測試過程控制。

關鍵詞：測試過程;異構數據集成;C/S架構;數據采集

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）22-0046-03

1 概述

為了實現多個參量的動態聯合診斷，要求測量手段具有一定的全面性和完整性。能包含多個方面，能夠同時完成響應過程的測量。這就需要在各個測量點的基礎上，構建測試過程控制系統，通過對同一時基下測量數據的匯總和分析，給出測量的綜合信息，為系統性能測試評價提供依據。測試過程控制系統用于對測試過程的監視和控制，并能夠進行采集、顯示、存儲、分析等。系統能完成各個測量點的參數設置、控制、狀態監測、數據采集和記錄，將各個測量點的功能和信息等集成到相互關聯的、統一和協調的系統之中，通過對該信息的綜合分析，獲得測試過程性能評估[1]?？焖贉蚀_地獲取和記錄完整的數據，實現各測試點集中、高效、便利的管理，并有助于幫助快速診斷出故障狀態。

2 硬件實現

測試過程控制系統通過計算機網絡技術，異構數據集成技術[2]，實現信息、信號（數據）的接入及整合，消除各設備的信息壁壘，實現基于數據和設備參數的統一數據中心，實現關鍵設備的遠程集中監測和控制和過程自動化管理，輔助更加有效、準確地完成測試過程控制的集中監測、管理及數據分析工作。

2.1 系統組成

系統由服務器、客戶端構成SCADA C/S結構，該系統的分布式體系結構由主、備兩臺SCADA實時數據服務器、1臺關系庫服務器、1臺報表服務器和若干臺HMI客戶端構成，彼此分工協同，形成一個整體。如圖1所示。

SCADA服務器是功能完備的計算機控制與數據采集系統[3]，它綜合利用了計算機技術、通信與網絡技術和控制技術，完成對監測設備分散的各種過程或設備的實時數據采集，本地或遠程的自動控制，SCADA服務器直接連接到物理I/O點，通過數據集成服務將實時數據傳至關系數據庫，形成過程的歷史數據，以提供數據的分析、報表等功能，完成數據采集并維護過程實時數據庫（PDB），HMI客戶端實現各裝備的監測監控功能，提供全局概貌、報警、數據分析、報表和各監測裝備的監測監控等功能。

SCADA數據采集服務器和數據庫服務器配置為：2路4核處理器，16G，300G*8（RAID 5），4端口千兆Flex-LOM以太網，DVD光驅，WINDOWS 2012標準版操作系統。報表服務器配置為：2路4核處理器，16G，300G*2，4端口千兆Flex-LOM以太網，DVD光驅，WINDOWS 2012標準版操作系統。

為了增強系統的可靠性，SCADA服務器采用雙機熱備系統。一臺作主站，另一臺機器作副站，主站完成服務器的正常工作，另一臺與它同步。當主站故障時，副站接管主站的工作，雙機熱備包括I/O通道熱備，多個客戶端共同訪問一個服務器端。

網絡要承載測試過程控制系統和其他信息化業務，對網絡傳輸帶寬占用較多。為保證測試過程控制系統信息傳輸的及時性，本文網絡定義為信息網[4]。信息網主要負責測試過程控制系統、信息化的數據傳輸，有效保證各類數據上傳互不影響，提高網絡的整體性能。選用H3C S3100V2-16TP-EI網絡設備作為以太網交換機主機，網絡主體采用千兆主干、百兆接入的架構，可以實現各控制統一數據交換和數據實時共享，為測試過程信息化打好基礎。

由于特殊環境，對系統的通訊可能造成干擾，因此各系統之間的通訊連接采用光纖連接。多模光纖通訊可以應用于2公里內的情況，同時比單模具有更大的經濟型。系統采用了兩個信息傳輸系統：（1）因為要盡量減少信號傳輸延時，同步觸發信號傳輸系統采用信號直接傳輸;（2）主控系統具有多個控制終端，同時與各分系統進行通訊，保證了一定的實時性及安全性，單獨組建一個網絡。

2.2 客戶端接口

客戶端數據采集接口主要由OPC接口、現場總線、RS485接口、文件接口、ODBC接口和其他標準接口或非標準協議接口幾種。

2.2.1 通過OPC接口采集數據

對于具有OPC Server功能的自動監控模塊，有監測監控系統的提供OPC Server功能的機器安裝SCADA DA For OPC/DDE，作為OPC Client與集控系統的OPC Server連接，進行實時數據采集，同步將采集到的數據傳輸到實時數據庫進行存儲，由實時數據庫實現到監控端的數據下發。

2.2.2 通過現場總線采集數據

對于采用現場總線又不能提供OPC Server功能的自動化系統，在數據采集工作站安裝RTDB DA For CAN/Modbus，可直接進行實時的數據采集，將采集到的數據傳輸到實時數據庫中進行保存，由實時數據庫實現到監控端的數據下發。實時數據庫支持以下總線數據的直接采集：CAN、BACnet、Profibus、LonWorks、Modbus、FF、ControlNET。

2.2.3 通過RS485接口采集數據

對于不能提供OPC Server功能的采用RS485傳輸的自動化系統，將RS485轉換為以太網協議，在數采工作站安裝RS485驅動和RTDB DA For RS485/232，根據與子系統廠商共同約定的數據協議進行實時的數據采集，同步將采集的數據直接傳輸到實時數據庫進行存儲，由實時數據庫完成到監控端的數據下發。

2.2.4 通過文件接口采集數據

對于提供交換文件的監控子系統，在數據采集工作站安裝FTP Server和SCADA DA For File，通過與分系統約定文件格式和訪問控制機制，便可通過文件進行數據采集，同時將采集到的數據直接傳輸到實時數據庫進行存儲，由實時數據庫完成到監控端的數據下發。

2.2.5 通過ODBC接口采集數據

對于只提供數據庫支持的系統，在數采工作站安裝SCADA DA For ODBC，通過數據庫訪問進行數據采集，同時將采集的數據直接傳輸到實時數據庫進行保存，由實時數據庫實現到監控端的數據下發。

對于提供其他標準接口或非標準協議接口的子系統采集數據，定制開發數據采集程序完成實時數據的采集和保存。

3 軟件實現

3.1 軟件構成

系統軟件采用C/S架構和面向對象技術設計[5]，實現多客戶端、分布式運行模式。主要包含數據庫服務器、主控服務器程序、主控控制端、主控配置程序、實驗數據處理終端?？刂葡到y和各子系統的本地控制系統建立基于TCP/IP網絡通信機制?；谠撏ㄐ艡C制，制定一套控制系統和子系統間的通信協議，實現主控制系統和子系統的實時連接和互動，用于整個測試過程的狀態監測、過程控制、數據管理和決策支持。系統軟件組成框圖如圖2所示。

主控制系統具備對整個實驗測試過程的控制和對各子系統的遠程控制。主要體現在以下兩個方面：

（1）系統的總體控制：包括實驗前的視頻、語音管理，實驗中各子系統間的邏輯控制和時序配合控制，實驗后的數據匯集與存儲，緊急情況下的急停和故障處理等。（2）子系統的遠程過程控制：包括各子系統的參數設置、啟動、過程監控、停止以及異常退出處理等。

組態開發平臺ProficyiFIX是HMI/SCADA自動化監控組態軟件[6]，iFIX客戶端應用包括實時動態畫面、趨勢、報表、批次控制、MES等。過程實時數據庫中有多種功能塊可供選擇，包括模擬量、數字量輸入輸出塊、計算塊、報警塊、累計塊、計時器塊、連續控制塊、統計塊及SQL功能塊等。各設備運行參數、工作狀態的統一監測，集中管理和部分設備集中遠程控制，建立實時數據中心及歷史數據庫，并進行數據整合、分析和處理。

主控控制端是直接進行控制操作的平臺，也是各子系統實時狀態顯示的平臺。通過主控控制端發送控制命令，并監視操作結果及各狀態量，主要對控制系統進行控制和監視。作為人性化的人機交互界面，主控控制端采用先進的圖形界面軟件編寫[7]，能對設備狀態進行圖形化、儀表化顯示。主控軟件框架如圖3所示。

主控服務器是處理和各子系統的通訊，接受控制端的控制命令并轉發到響應的子系統;接受子系統的狀態，轉發到主控控制端呈獻給用戶;處理各子系統之間的控制聯鎖邏輯，實現實驗過程的有效控制，防止人工誤操作。

主控服務器程序是整個主控程序的核心，通過服務器處理，可以實現多臺客戶端登錄程序，實現主控和分控同時監視系統狀態，通過內部互鎖，可以分別進行控制。

配置程序負責用戶管理、裝置地址配置、系統結構配置等配置工作，配置的信息保存在數據庫服務器中。

數據庫及文件服務器保存系統配置信息、運行信息、實驗記錄等;實驗數據曲線（如溫度、速度、壓力）、x光照片、3維圖像等實驗數據以文件方式存放在文件服務器，以合理的方式進行組織，方便查詢顯示。

實驗數據處理終端用于在試驗結束后將實驗數據呈現在界面上，查詢檢索歷史實驗數據，分析評估實驗結果。

3.2 數據分析和管理

該系統具有完備的數據管理功能，實現對測試信息的采集、存儲和分析管理。

（1）數據采集包括測試信息，諸如測試時間、測試數據、測試內容等。測試過程信息，諸如各子系統參數信息、測試過程情況等;（2）數據存儲通過主控制軟件獲取各子系統的測試數據，在主控制系統的數據庫服務器上進行集中存儲，具備雙機熱備份功能，保證數據的安全性和可靠性。在數據量達到一定限度后，將進行數據備份，實現測試歷史數據的海量存儲和動態恢復;（3）分析與管理在主控制軟件具有完善的數據分析和管理功能，為后期的評估提供數據依據和決策支持。建立系統運行模型，基于該系統的分析功能，可對各種情況、子系統運行情況進行查詢統計，分析系統運行情況和效果，為子系統的狀態維護提供決策依據。

3.3 主控制程序人機交互界面

人機交互界面模塊主要實現程序的整體架構運行[8]，包括項目創建、打開、保存和關閉，項目視圖導航，配置參數、控制用例的編輯窗口顯示和操作維護，控制執行過程的運行、暫停、停止控制等。

主控制程序人機交互界面布局由菜單欄、狀態欄、工具欄、項目視圖、編輯視圖和控制視圖組成。人機交互界面的組成和功能定義如下，菜單欄給出包括項目管理、運行控制、配置參數和文件設置、窗口維護和幫助索引在內軟件功能按鈕。工具欄給出對應菜單欄的一些按鈕，包括工程建立、打開和保存，以及運行啟動和停止控制等[9]。項目視圖以樹狀拓撲顯示當前打開工程的各功能項，包括各檢測終端的IP地址、用戶建立的控制用例索引等[10]。編輯視圖以多文檔窗口形式提供控制用例的編輯或導入窗口，實驗數據顯示窗口，控制用例執行控制和操作窗口等?？刂婆_視圖打印軟件的運行信息，包括后臺每個控制用例操作的執行過程信息，返回控制的狀態信息，以及運行錯誤時的報告信息。狀態欄顯示當前軟件的運行狀態，運行時間及提示信息。

4 實驗驗證

針對本文設計與實現的測試過程控制系統，設置通過現場總線和RS485接口采集數據，在主控控制軟件配置基礎上進行實驗驗證。通過主控制程序設置指令StopCollect停止數據采集，可以快速完成測試過程控制功能。

5 結語

本文設計與實現一套針對不同數據接口進行數據采集且實現統一控制的系統，已完成全部軟硬件開發、測試，并成功應用于某工程項目中。該系統經過實驗驗證，運行穩定。該系統具有良好的通用性、實時性、豐富的接口及可擴展性。

參考文獻

[1] 宿斯.軟件項目管理[M].機械工業出版社，2010.

[2] 李永平.數據處理方法與技術[M].國防工業出版社，2009.

[3] 李念強.數據采集技術與系統設計[M].機械工業出版社，2009.

[4] 毛吉魁，等.計算機網絡技術[M].北京理工大學出版社，2017.

[5] JING Guan，JEFF O，PAUL A. An industrial case study of structural testing applied to safety-critical embedded software[C]//Proceedings of ACM/IEEE International Symposium on Empirical Software Engineering. New York，USA：ACM Press，2006：273-276.

[6] 伊拉希.網絡通信技術[M].科學出版社出版，2007.

[7] Paul C.Jorgensen Software Testing[C]//A Craftsman，s Approach China Machine Press，2009：166-167.

[8] Sodani，A.，and G.Sohi .Dynamic instruction reuse[S].Proc.24th Annual Int，l.Symposium on Computer Architecture（ISCA），June2-4，1997，Denver，Colo.

[9] 年福忠，等.面向對象技術（c++）[M].清華大學出版社，2015.

[10] 新語，譯.有限軟件測試[M].清華大學出版社，2003.