國(guó)產(chǎn)化HMI軟件及PLC系統(tǒng)的測(cè)試評(píng)估方法、應(yīng)用效果分析與產(chǎn)品優(yōu)化方向

管文涌 王曉光 禹 浩

（1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸公司；2.中國(guó)石油天然氣銷(xiāo)售河南分公司）

2019年12月中俄東線北段投產(chǎn)運(yùn)行，2020年1月閩粵支干線投產(chǎn)運(yùn)行。 國(guó)產(chǎn)化自控設(shè)備成體系地應(yīng)用于上述新建天然氣管道，實(shí)現(xiàn)了自控設(shè)備全系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用。

基于國(guó)產(chǎn)化自控設(shè)備開(kāi)始成體系地應(yīng)用于油氣管網(wǎng)干線、支干線的現(xiàn)狀，為了規(guī)范行業(yè)應(yīng)用， 對(duì)于國(guó)產(chǎn)化自控系統(tǒng)中的核心設(shè)備HMI軟件和PLC系統(tǒng)， 從原則要求和具體指標(biāo)參數(shù)上提出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)， 判斷其性能和功能是否滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需要，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用情況，總結(jié)用戶(hù)應(yīng)用意見(jiàn)， 從整體上將國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品與進(jìn)口產(chǎn)品進(jìn)行比較，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。 分析范圍不限于上述兩條管線的國(guó)產(chǎn)化自控設(shè)備，綜合考慮了油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)已應(yīng)用的眾多廠商設(shè)備，實(shí)現(xiàn)從用戶(hù)需求端為國(guó)產(chǎn)化自控產(chǎn)品優(yōu)化改良提供方向的目標(biāo)。

1 HMI軟件測(cè)試

1.1 產(chǎn)品現(xiàn)狀

國(guó)產(chǎn)化HMI軟件的發(fā)展較為成熟， 行業(yè)內(nèi)外不同廠家各類(lèi)產(chǎn)品豐富多樣， 系統(tǒng)功能完善，組態(tài)軟件較為智能化， 人機(jī)交互界面較為人性化。產(chǎn)品的軟硬件指標(biāo)已經(jīng)完全不遜于甚至在某些環(huán)節(jié)明顯超過(guò)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品［1］。

但是，產(chǎn)品可用性的研究往往受到設(shè)計(jì)者主觀設(shè)定和目標(biāo)行業(yè)目標(biāo)對(duì)象性質(zhì)的影響，不能很好地將各種行業(yè)各種性質(zhì)用戶(hù)在實(shí)際使用過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品的期望和功能要求規(guī)劃進(jìn)去。 很多產(chǎn)品在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)因?yàn)槿鄙購(gòu)V泛的調(diào)研而未對(duì)產(chǎn)品可用性進(jìn)行必要的分析和研究，導(dǎo)致基于站場(chǎng)開(kāi)發(fā)的小型HMI軟件應(yīng)用于控制中心時(shí)功能不足， 而基于控制中心開(kāi)發(fā)的大型HMI軟件應(yīng)用于站場(chǎng)時(shí)又復(fù)雜不便。

1.2 依據(jù)與方法

1.2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)評(píng)依據(jù)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)需遵循的原則包括：層次簡(jiǎn)潔原則，界面一致原則，用戶(hù)為本原則，面向?qū)ο笤瓌t，功能完備原則［2］。

產(chǎn)品測(cè)評(píng)依據(jù)包括硬件和軟件依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

硬件依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)具體如下：

a. GB/Z 19582—2004《基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范》；

b. DL/T 634.5104—2002 《遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)第5-104部分傳輸規(guī)約》，IEC 60870-5-104：2000《采用標(biāo)準(zhǔn)的傳輸層文件集的IEC 60870-5-101的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)》；

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(jù)標(biāo)準(zhǔn)［3］具體如下：

a. GB/T 25000.51—2010 《軟件工程 軟件產(chǎn)品質(zhì)量要求和評(píng)價(jià)（SQuaRE）商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）軟件產(chǎn)品的質(zhì)量要求和測(cè)試細(xì)則》；

b. 《CMMI for Development》Version 1.3；

c. GB/T 8566—2007 《信息技術(shù)軟件生存周期過(guò)程》；

d. GB/T 8567—2006 《計(jì)算機(jī)軟件文檔編制規(guī)范》；

e. GB/T 9385—2008 《計(jì)算機(jī)軟件需求規(guī)格說(shuō)明規(guī)范》；

f. GB/T 25062—2010 《信息安全技術(shù)鑒別與授權(quán) 基于角色的訪問(wèn)控制模型與管理規(guī)范》。

1.2.2 測(cè)評(píng)方法

采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人機(jī)交互性能指標(biāo)評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)估［4］。

首先，經(jīng)過(guò)對(duì)影響人機(jī)交互性能各元素的分析，確定評(píng)估指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 評(píng)估指標(biāo)體系示意圖

然后，根據(jù)評(píng)估指標(biāo)體系建立三層前向型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2 三層前向型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

最后， 根據(jù)用戶(hù)意見(jiàn)調(diào)整各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，進(jìn)行計(jì)算，完成評(píng)估。 計(jì)算式如下：

其中，x1，x2，…，x9是各項(xiàng)元素指標(biāo)的完成度，各項(xiàng)元素的完成度數(shù)值根據(jù)主觀評(píng)估從0～1自行賦值；w11，w21，…，w91是元素指標(biāo)功能的權(quán)重；w12，w22，…，w92是元素指標(biāo)性能的權(quán)重。 經(jīng)計(jì)算，初步得到隱藏層的輸入a1和a2， 經(jīng)過(guò)S函數(shù)的調(diào)節(jié)，將隱藏層功能和性能的輸出調(diào)節(jié)為更平滑、更具代表性的φ1和φ2，根據(jù)功能和性能的權(quán)重w1和w2，擬合得到最終評(píng)估值y，y值的大小表征人機(jī)交互性能的優(yōu)劣。

1.3 要求與指標(biāo)

功能要求如下：

a. 支持多種協(xié)議；

b. 可實(shí)現(xiàn)雙機(jī)雙網(wǎng)冗余；

c. 可實(shí)現(xiàn)歷史庫(kù)管理、實(shí)時(shí)庫(kù)管理、點(diǎn)表管理、采集管理、免停機(jī)在線系統(tǒng)維護(hù)功能；

d. 可實(shí)現(xiàn)工程管理（工程組態(tài)、畫(huà)面創(chuàng)建）、圖形文件管理及圖元模型管理等功能；

e. 可實(shí)現(xiàn)組態(tài)工程的畫(huà)面展示、 多屏展示、報(bào)警、趨勢(shì)、數(shù)據(jù)下置、監(jiān)視和控制功能；

f. 可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史報(bào)警、報(bào)警分區(qū)及報(bào)警分級(jí)功能［5］；

g. 可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)功能；

h. 可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)表和歷史報(bào)表功能；

i. 支持第三方歷史庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；

j. 可以實(shí)現(xiàn)將組態(tài)工程發(fā)布至Web功能；

k. 可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一用戶(hù)管理、權(quán)限驗(yàn)證和事件統(tǒng)一管理功能。

性能要求［6］如下：

a. 可移植性強(qiáng)，一鍵安裝、一鍵卸載；

b. 版本向下兼容，直接用現(xiàn)有客戶(hù)端打開(kāi)低版本界面；

c. 具有簡(jiǎn)單直觀的界面顯示已用點(diǎn)數(shù)和授權(quán)點(diǎn)數(shù)功能，具有可擴(kuò)容功能，能進(jìn)行加密鎖授權(quán)信息擴(kuò)容；

d. 穩(wěn)定性強(qiáng)，對(duì)軟件界面和實(shí)時(shí)庫(kù)配置修改時(shí)，至少符合兩個(gè)要求中的一條（第1條，具有將保存前所有操作撤銷(xiāo)的功能；第2條，對(duì)配置修改操作進(jìn)行二次確認(rèn)）；

e. 支持系統(tǒng)的故障預(yù)警功能，已經(jīng)預(yù)見(jiàn)的異常情況能夠輸出錯(cuò)誤碼提示，針對(duì)錯(cuò)誤有相應(yīng)的處理策略；

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

g. 可靠性高，服務(wù)器、采集器、采集設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)冗余遭破壞后，均可正常運(yùn)行，突發(fā)斷電不會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器受損，服務(wù)器硬件受損修復(fù)后可通過(guò)ghost還原系統(tǒng)。

HMI軟件參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 HMI軟件參數(shù)指標(biāo)

1.4 結(jié)論與意見(jiàn)

優(yōu)點(diǎn)如下：

a. 國(guó)產(chǎn)化HMI軟件發(fā)展迅猛、 應(yīng)用廣泛，多款設(shè)備各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)均已達(dá)到國(guó)際主流產(chǎn)品的水平；

b. 價(jià)格低于同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品；

c. 進(jìn)口HMI軟件系統(tǒng)在硬件升級(jí)時(shí)往往需要重復(fù)購(gòu)買(mǎi)授權(quán)點(diǎn)， 國(guó)產(chǎn)化HMI軟件授權(quán)點(diǎn)多采用一次購(gòu)買(mǎi)、終生受用、包產(chǎn)品迭代、包軟件升級(jí)的方式，節(jié)省大量硬件升級(jí)時(shí)的額外費(fèi)用。

缺點(diǎn)如下：

a. 部分國(guó)產(chǎn)化HMI軟件針對(duì)存在BUG的版本迭代太慢，導(dǎo)致用戶(hù)黏性不足。

b. 部分國(guó)產(chǎn)化HMI軟件設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)目標(biāo)行業(yè)目標(biāo)對(duì)象定位過(guò)于死板，導(dǎo)致在其他環(huán)境的適用性不足。

功能方面的缺點(diǎn)如下：

a. 國(guó)產(chǎn)化HMI軟件工程軟件的界面友好度較同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品仍略有不足。

b. 國(guó)產(chǎn)化HMI軟件的用戶(hù)手冊(cè)的易用性、全面性和精細(xì)化程度遠(yuǎn)低于同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品，無(wú)故障代碼、診斷信息解釋等信息。

c. 部分國(guó)產(chǎn)化HMI軟件工程軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)配置工具、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)之間缺乏系統(tǒng)的連接和直觀的展示，部分軟件三者中同一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)有不同的數(shù)據(jù)標(biāo)簽，查閱不便。

2 PLC系統(tǒng)測(cè)試

2.1 產(chǎn)品現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)企業(yè)在中低端市場(chǎng)憑借著對(duì)目標(biāo)行業(yè)的深刻理解、 靈活的業(yè)務(wù)模式和產(chǎn)品的高性?xún)r(jià)比，業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)顯著，并且經(jīng)過(guò)積淀已經(jīng)達(dá)成了相當(dāng)強(qiáng)的資金、人力和技術(shù)累積，向中高端市場(chǎng)的沖擊也卓有成效［7］。

但是，目前國(guó)內(nèi)廠家做產(chǎn)品調(diào)研時(shí)只考慮用戶(hù)需求，沒(méi)有單獨(dú)的用戶(hù)使用習(xí)慣調(diào)查，因此在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，缺少足夠的用戶(hù)使用習(xí)慣和喜好數(shù)據(jù)作為參考，難免使設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品的功能和外形都與用戶(hù)心目中使用趁手的產(chǎn)品存在偏差。

2.2 依據(jù)與方法

產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性原則、過(guò)程控制可靠性原則、信息交互安全性原則和系統(tǒng)操作易用性原則［8］。

測(cè)評(píng)時(shí)的硬件依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 15969《可編程序控制器》， 軟件依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 25000.51—2016《系統(tǒng)與軟件工程系統(tǒng)與軟件質(zhì)量要求和評(píng)價(jià)（SQuaRE）第51 部分：就緒可用軟件產(chǎn)品（RUSP）的質(zhì)量要求和測(cè)試細(xì)則》。

測(cè)評(píng)方法采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)評(píng)估方法或標(biāo)準(zhǔn)符合性核對(duì)法。 標(biāo)準(zhǔn)符合性核對(duì)法是依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制測(cè)試表，逐條進(jìn)行功能和性能符合性核對(duì)，并與SCADA軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)測(cè)試的方法。

2.3 要求與指標(biāo)

功能和性能的要求具體如下：

a. 控制器的處理器、I/O網(wǎng)絡(luò)、 電源及LAN模塊等應(yīng)按冗余配置設(shè)計(jì)；

b. PLC選用的模塊應(yīng)是帶電可插拔型， 且每個(gè)模塊都應(yīng)有自診斷功能， 并提供故障報(bào)警輸出；

c. PLC應(yīng)支持多個(gè)數(shù)據(jù)訪問(wèn)端同時(shí)訪問(wèn)；

d. PLC系統(tǒng)對(duì)硬件的地址分配設(shè)置、I/O的量化等應(yīng)采用組態(tài)方式完成；

e. 配套的PLC程序編程軟件， 應(yīng)支持GB/T 15969.3—2017中的全部5種編程語(yǔ)言；

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

g. PLC擴(kuò)展模塊應(yīng)盡量采用以太網(wǎng)通信模式進(jìn)行擴(kuò)展，同時(shí)應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)在線模塊擴(kuò)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(duì)完善、易于理解的程序注釋?zhuān)?/p>

j. 可靠性（容錯(cuò)性），其他原因引起的超出預(yù)設(shè)范圍的輸入值不會(huì)影響程序的正確執(zhí)行；

k. 可移植性（適應(yīng)性），可以將程序移植至其他同款設(shè)備；

l. 維護(hù)性（易測(cè)試性），程序被修改后易于通過(guò)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)修改。PLC系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)列于表2。

表2 PLC系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)

PLC冗余切換時(shí)間的記錄中，示波器通道1監(jiān)視主機(jī)系統(tǒng)電源， 示波器通道2監(jiān)視備機(jī)冗余狀態(tài)指示燈，斷開(kāi)主機(jī)電源，抓取原主機(jī)系統(tǒng)電源掉電到新主機(jī)冗余狀態(tài)指示燈滅，指示燈電平變化時(shí)間即為冗余切換時(shí)間。

2.4 結(jié)論與意見(jiàn)

優(yōu)點(diǎn)如下：

a. PLC元件國(guó)產(chǎn)化程度高， 部分廠家CPU芯片現(xiàn)已完成國(guó)產(chǎn)化并實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，AD轉(zhuǎn)換模塊也在國(guó)產(chǎn)化研制攻關(guān)中；

b. PLC的國(guó)產(chǎn)化內(nèi)存等硬件配置遠(yuǎn)高于同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品；

c. 價(jià)格低于同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品；

d. 備件充足。

缺點(diǎn)如下：

a. 行業(yè)內(nèi)缺乏對(duì)用戶(hù)操作習(xí)慣的調(diào)研，設(shè)計(jì)中缺乏對(duì)用戶(hù)操作習(xí)慣的考慮，用戶(hù)體驗(yàn)欠佳；

b. 國(guó)產(chǎn)化PLC控制器外殼色彩更多考慮與進(jìn)口產(chǎn)品的區(qū)分，盡量避免采用和進(jìn)口產(chǎn)品相同的色彩，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)化PLC外殼色彩過(guò)于斑斕龐雜，缺乏基本色彩醒目、警示等功能，而國(guó)外廠商多以簡(jiǎn)單醒目的黃色或藍(lán)白色制作安全系統(tǒng)控制器外殼 （遵循的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 21109.1—2007和IEC 61511—1：2003）。

功能方面的缺點(diǎn)如下：

a. 國(guó)產(chǎn)化PLC的操作系統(tǒng)運(yùn)行效率低于同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)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(wú)法支持GB/T 15969.3—2017標(biāo)準(zhǔn)中的全部5種編程語(yǔ)言（GB/T 21109.2—2007，IEC 61511—2：2003）；

d. 部分廠家控制器模塊無(wú)編程接口；

e. 部分廠家控制器無(wú)故障整體復(fù)位軟/硬件開(kāi)關(guān)；

f. 部分廠家模擬量模塊無(wú)狀態(tài)顯示燈；

g. 部分廠家擴(kuò)展模塊僅支持總線通信，尚不支持以太網(wǎng)通信；

h. 部分廠家I/O模件接線不方便；

i. 部分廠家PLC擴(kuò)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?jǐn)?shù)據(jù)具備精確時(shí)間標(biāo)簽的SOE功能 （GB/T 21109.3—2007，IEC 61511—3：2003）。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于新建長(zhǎng)輸天然氣管道干線、 支干線投用的國(guó)產(chǎn)化自控產(chǎn)品的測(cè)試評(píng)價(jià)和應(yīng)用實(shí)踐， 大體上看， 國(guó)產(chǎn)化自控產(chǎn)品豐富且全面， 整體指標(biāo)優(yōu)秀，軟硬件性能參數(shù)全面超越進(jìn)口產(chǎn)品。國(guó)產(chǎn)化自控設(shè)備在油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)內(nèi)的成體系應(yīng)用獲得了成功。但是對(duì)比進(jìn)口設(shè)備，由于國(guó)產(chǎn)化設(shè)備過(guò)去往往試點(diǎn)多，推廣少。特別是由于缺乏大量用戶(hù)應(yīng)用的反饋，國(guó)產(chǎn)化HMI軟件和PLC系統(tǒng)或多或少存在非顯性和非指標(biāo)性的欠缺之處。 國(guó)產(chǎn)化自控設(shè)備在這些體現(xiàn)廠家內(nèi)功的環(huán)節(jié)落后于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，因此需要國(guó)產(chǎn)化廠家和用戶(hù)通力協(xié)作， 在更多的用戶(hù)意見(jiàn)反饋基礎(chǔ)上優(yōu)化產(chǎn)品，不斷進(jìn)步。