基于python的SCADA與西門子PLC數(shù)據(jù)讀寫自動(dòng)化測試實(shí)現(xiàn)

王新月 王奚 李航 張秀明

摘?要：在SCADA系統(tǒng)中，HMI與PLC的數(shù)據(jù)通訊測試，各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)不同類型數(shù)據(jù)讀寫的測試占用70%的測試時(shí)間。介紹了一種基于python的SCADA與西門子PLC數(shù)據(jù)通訊測試自動(dòng)化測試方法，該測試方法不僅實(shí)現(xiàn)簡單，而且大大提高了測試效率，節(jié)省了測試時(shí)間。

關(guān)鍵詞：SCADA;數(shù)據(jù)通訊;自動(dòng)化測試

中圖分類號：TP273??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Data?Reading?and?Writing?Between?SCADA?and?Siemens

PLC?Based?on?Python?Realization?of?Automatic?Test

WANG?Xinyue1，?WANG?Xi2，LI?Hang3，ZHANG?Xiuming3

（1.?Ningbo?Hollysys?Information?Security?Institute?Co.，Ltd.，Xian，Shaanxi?710075，China;

2.Beijing?Hollysys?Intelligent?Technology?Co.，Ltd.，?Xian，Shaanxi?710075，China;

3.China?Mobile?Group?Heilongjiang?Company?limited，Harbin，Heilongjiang?150028，China）

Abstract：In?SCADA?system，?the?test?of?data?communication?between?HMI?and?PLC?takes?up?70%?of?the?test?time.?This?paper?introduces?an?automatic?test?method?of?data?communication?between?SCADA?and?Siemens?PLC?based?on?python.?The?test?method?is?not?only?simple，?but?also?greatly?improves?the?test?efficiency?and?saves?the?test?time.

Key?words：SCADA;?data?communication;automatic?test

SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，和利時(shí)SCADA產(chǎn)品是國內(nèi)最早的SCADA產(chǎn)品之一，有20年的發(fā)展歷程，最初與北京地鐵13號線合作，定制開發(fā)了組態(tài)型SCADA軟件，與神華和利時(shí)合作開發(fā)了煤礦SCADA系統(tǒng)，與中石化合作定制開發(fā)了石化SCADA產(chǎn)品，通過這些項(xiàng)目產(chǎn)品的建設(shè)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，伴隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日漸成熟以及工業(yè)4.0概念的提出，和用戶對SCADA產(chǎn)品開放性的強(qiáng)烈需求，和利時(shí)集團(tuán)開發(fā)了面向未來的新一代產(chǎn)品SCADAV4.0，第四代SCADA平臺繼承了上一代平臺的大規(guī)模、高實(shí)時(shí)以及可靠、穩(wěn)定等核心特性，又融入了OPCUA的開放性、可互操作性、自描述性、安全性及集成能力，同時(shí)保持現(xiàn)有產(chǎn)品的兼容性，主要應(yīng)用在煤礦、食藥、能源等領(lǐng)域。

SCADA系統(tǒng)為上、下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，下位機(jī)完成設(shè)備的直接控制，而上位機(jī)側(cè)重于信息集中管理，上、下位機(jī)通過通信網(wǎng)絡(luò)連接。下位機(jī)配置的各種輸入設(shè)備（DI、AI等）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，下位機(jī)配置的各種輸出設(shè)備（DO、AO等）對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，下位機(jī)接收上位機(jī)的監(jiān)控，并且向上位機(jī)傳輸各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)，下位機(jī)提供多種數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)，支持與各主流PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

其中，HMI與西門子PLC通訊測試所涉及的PLC型號包括S7200smart、S7300、S7400、S71200、S71500，可訪問PLC的I、Q、M、DB數(shù)據(jù)區(qū)，支持?jǐn)?shù)據(jù)雙向通信，讀數(shù)據(jù)為周期方式，寫數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)方式，支持多種數(shù)據(jù)類型，包括開關(guān)量數(shù)據(jù)（BIT）、1字節(jié)無符號整型BYTE、1字節(jié)有符號整型CHAR、2字節(jié)有符號整型SHORT、2字節(jié)無符號整型UNSIGNEDSHORT、4字節(jié)有符號整型INT、4字節(jié)無符號整型UNSIGNEDINT、8字節(jié)有符號整型LONGLONG、8字節(jié)無符號整型UNSIGNEDLONGLONG、4字節(jié)浮點(diǎn)型FLOAT、8字節(jié)浮點(diǎn)型DOUBLE、字符串類型（STRING）、時(shí)間類型DTL[1]。

在測試HMI與西門子PLC通訊過程中，不但要測試不同型號PLC的數(shù)據(jù)讀寫，而且需要測試的數(shù)據(jù)類型多達(dá)13種，在某種類型數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，還需驗(yàn)證有效最小左邊界、無效最大左邊界、有效最大右邊界、無效最大右邊界、中間值等，可以看出除個(gè)別數(shù)據(jù)類型差異外，不同型號PLC的數(shù)據(jù)通訊測試基本屬于重復(fù)測試，測試方法與輸入?yún)?shù)驗(yàn)證均有重疊，但總的測試工作量較大，因此有必要實(shí)現(xiàn)HMI與PLC數(shù)據(jù)讀寫的自動(dòng)化測試。

1?數(shù)據(jù)讀寫測試流程介紹

1.1?測試方法

SCADA系統(tǒng)中，S7協(xié)議驅(qū)動(dòng)測試主要驗(yàn)證HMI與西門子PLC可尋址區(qū)域的數(shù)據(jù)通訊功能，測試步驟為：（1）組態(tài)SCADA工程與PLC工程并下裝。（2）在SCADA頁面中組態(tài)待測試測點(diǎn)并在HMI上展示，上下層測點(diǎn)地址一一對應(yīng)。（3）將PLC側(cè)的測點(diǎn)放入監(jiān)視列表。（4）在SCADA側(cè)寫值，在PLC側(cè)判斷同一地址讀值是否寫入成功。（5）在PLC側(cè)寫值，在SCADA側(cè)判斷同一地址數(shù)據(jù)讀值是否成功。詳細(xì)測試流程見圖1。

基于以上測試過程，通過多個(gè)版本測試經(jīng)驗(yàn)積累和對比，發(fā)現(xiàn)人工測試存在一些問題，如：

（1）由于數(shù)據(jù)區(qū)和測點(diǎn)類型較多，SCADA與PLC相同地址、相同類型的測點(diǎn)查找較困難

如測試I區(qū)第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的讀寫，那么首先需在SCADA的HMI頁面上找到這個(gè)地址對應(yīng)的測點(diǎn)，其次在PLC上位機(jī)軟件監(jiān)視區(qū)找到I區(qū)的第一個(gè)字節(jié)，最后開始數(shù)據(jù)讀寫結(jié)果的對比，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大或更換測試人員時(shí)，查找起來就更加困難。

（2）SCADA與PLC各自寫值時(shí)需要點(diǎn)擊寫值按鈕，輸入數(shù)值并確定，步驟煩瑣

寫值測試時(shí)，每寫一個(gè)值都需點(diǎn)擊SCADA中HMI頁面相應(yīng)測點(diǎn)，打開寫值對話框，輸入數(shù)值，并確定。讀值測試時(shí)，在PLC中每寫一個(gè)值也需要相同的操作步驟。

（3）SCADA系統(tǒng)中HMI頁面組態(tài)測點(diǎn)較多，花費(fèi)時(shí)間較多，環(huán)境維護(hù)需要時(shí)間成本。

若要在HMI界面中寫值，首先需組態(tài)測點(diǎn)寫值頁面，測試多少點(diǎn)就組態(tài)多少個(gè)寫值特性，組態(tài)成本較高，延長了測試周期。

（4）存在人為誤差

在人工測試過程中，出于測試人員知識面和工作狀態(tài)等原因，測試結(jié)果存在誤差，如邊界值的選取有誤、測試地址覆蓋不全等。

（5）對測試人員要求較高，需同時(shí)了解上位機(jī)軟件及PLC硬件相關(guān)知識

SCADA系統(tǒng)S7協(xié)議驅(qū)動(dòng)的測試，需要測試人員有豐富的測試經(jīng)驗(yàn)，對軟硬件知識貫通，才能勝任此項(xiàng)測試。

2?自動(dòng)測試實(shí)現(xiàn)

2.1?自動(dòng)化測試難點(diǎn)

HMI界面不是標(biāo)準(zhǔn)Windows控件，使用python的pywinauto[2]方法定位不到，這樣就無法使HMI界面的各個(gè)窗口完成讀、寫值等操作。同樣，西門子PLC上位機(jī)軟件的各個(gè)窗口，也不是完全的標(biāo)準(zhǔn)控件，自動(dòng)化操作較難，尤其是監(jiān)視列表，無法分辨出每一行的數(shù)據(jù)位置，無法完成按數(shù)據(jù)逐一寫值操作，且即使HMI和西門子PLC上位機(jī)軟件的各個(gè)窗口均是標(biāo)準(zhǔn)控件，如果使用傳統(tǒng)測試方法，由于是只能按點(diǎn)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)起來效率也并不是很高。因此需要采用批量讀寫值方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫測試，批量讀寫值可以利用SCADA系統(tǒng)中的VBA腳本和PLC上位機(jī)編程語言來完成。

2.2?自動(dòng)化測試方法

SCADA提供的編程環(huán)境有的是內(nèi)嵌VBA編譯器，有的是自定義的類似BASIC或類似C語言的編譯器。無論是哪種編程環(huán)境SCADA都要提供很多訪問自身數(shù)據(jù)的屬性、方法，以便在編程環(huán)境中與SCADA系統(tǒng)交互。這種內(nèi)置的編程語言經(jīng)常稱作“動(dòng)作”，現(xiàn)在更多的稱呼是“腳本”。這里的腳本與Excel中的“宏”類似。通過腳本用戶可以自由擴(kuò)展系統(tǒng)功能。腳本與一般編程語言類似，在腳本中提供多種運(yùn)算操作（如賦值、數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算），控制語句（如條件判斷，循環(huán)，分支），以及內(nèi)置函數(shù)等，有的SCADA還支持自定義函數(shù)。本文中所提的SCADA項(xiàng)目提供測點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)讀寫函數(shù)DB_read和DB_Write，因此SCADA測數(shù)據(jù)的批量讀寫就可通過在VBA腳本中調(diào)用DB_read和DB_Write來完成。

PLC側(cè)批量數(shù)據(jù)讀寫比較容易實(shí)現(xiàn)，使用PLC上位機(jī)軟件自帶編程語言即可。

SCADA與PLC側(cè)批量數(shù)據(jù)讀寫功能完成后，python只是起到了一個(gè)連接的作用，點(diǎn)擊HMI界面上的1個(gè)按鈕就可觸發(fā)上位機(jī)的批量寫操作，python讀取PLC上位機(jī)軟件監(jiān)視列表的所有值，與預(yù)期值作對比。接著利用python置PLC寫值標(biāo)志位為真，完成PLC側(cè)批量寫值操作，再在HMI界面點(diǎn)擊批量讀值按鈕完成批量讀操作，并把讀到的數(shù)據(jù)與預(yù)期作對比。數(shù)據(jù)讀寫自動(dòng)動(dòng)測試流程見圖2。

2.3?自動(dòng)化測試實(shí)現(xiàn)

2.3.1?HMI自動(dòng)化寫值

SCADA上層HMI界面，窗口層級較多，在查找窗口時(shí)，只能獲得最外層的窗口標(biāo)題，因此需借助python中win32Gui模塊的FindWindow和FindWindowEx函數(shù)先找到父窗口句柄[2]，再通過父窗口句柄按確定的層級關(guān)系查找到寫值按鈕，python中部分代碼如下。

app?=?Application（）.connect（path='D：HiaSCADAbinMacsVinci.exe'）?#?app關(guān)聯(lián)上HMI程序

handlex1?=?win32gui.FindWindow（None，?"HMI監(jiān)視"）?#?"HMI監(jiān)視"為最外層窗口標(biāo)題

handlex2?=?win32gui.FindWindowEx（handlex1，?0，?None，?None）

handlex3?=?win32gui.FindWindowEx（handlex2，?0，?None，?None）

handlex4?=?win32gui.FindWindowEx（handlex3，?0，?None，?None）

handlex5?=?win32gui.FindWindowEx（handlex4，?0，?None，?None）?#?查找到寫值按鈕句柄

app.window（title_re=u'HMI監(jiān)視'）.window（handle=handlex5，?class_name='Button'）.click_input（）?#點(diǎn)擊寫值按鈕

寫值按鈕被點(diǎn)擊后就會觸發(fā)SCADA內(nèi)置的VBA批量寫值腳本，python等待寫值完成彈框，依據(jù)彈框中寫值完成標(biāo)志，置PLC讀值標(biāo)志位為真，PLC接收到讀值指令，自動(dòng)讀取所有寫值地址數(shù)據(jù)，并返回結(jié)果給python，python對比HMI寫值數(shù)據(jù)與PLC讀值數(shù)據(jù)，輸出相應(yīng)的測試報(bào)告。

2.3.2?HMI自動(dòng)化讀值

通過python置PLC寫值標(biāo)志位為真，PLC程序接收到寫值指令，自動(dòng)完成批量寫值操作，待寫值完成后，使用與3.3.1中同樣的方法點(diǎn)擊HMI界面上的讀值按鈕，觸發(fā)SCADA內(nèi)置的VBA批量讀值腳本，用VBA腳本自動(dòng)判定讀取到的值是否與PLC寫下的值一致，通過彈框輸出測試結(jié)果，python獲取彈框內(nèi)容生成相應(yīng)的測試報(bào)告。VBA中讀值處理流程精簡代碼如下。

Private?Sub?Button_LButtonDown（）

Dim?var?As?Variant

Dim?iAs?Integer

Dim?j?As?Integer

Dim?X_data_up（2）?As?String

Dim?X_compare_up（）?As?Variant'變量值對比數(shù)組

Dim?X_datatype_up（）?As?Variant'變量名稱

Dim?X_errlist_up（）?As?String‘存儲錯(cuò)誤變量名

Dim?X_errdata_up（）?As?String‘存儲錯(cuò)誤變量值

Dim?S?As?String

Dim?K?As?String

j?=?0

flag?=?0

X_compare_up?=?Array（"0"，?"-32768"）?'變量值對比數(shù)組

X_datatype_up?=?Array（"變量1"，?"變量2"）?'變量名稱

Library.DB_Read?"變量1"，?var?'調(diào)用讀值接口

X_data_up（0）?=?var

Library.DB_Read?"變量2”，?var

X_data_up（1）?=?var

For?i?=?0?To?1‘判斷讀到的值是否正確

If?X_data_up（i）?=?X_compare_up（i）?Then

Else

flag?=?1

ReDim?Preserve?X_errlist_up（j?+?1）

ReDim?Preserve?X_errdata_up（j?+?1）

X_errlist_up（j）?=?X_datatype_up（i）

X_errdata_up（j）?=?X_data_up（i）

j?=?j?+?1

End?If

Next

If?flag>?0?Then

S?=?Join（X_errlist_up，?"，"）

K?=?Join（X_errdata_up，?"，"）

MsgBox?（"讀上限錯(cuò)誤類型："?&?S?&Chr（10）?&?"讀上限錯(cuò)誤數(shù)據(jù)："?&?K）‘不一致時(shí)輸出錯(cuò)誤的變量名和變量值

End?If

If?flag?=?0?Then

MsgBox?（"pass"）‘一致時(shí)輸出pass

End?If

End?Sub

3?結(jié)?論

介紹了一種SCADA上層HMI與西門子PLC數(shù)據(jù)讀寫自動(dòng)化測試方法，運(yùn)用SCADA內(nèi)置VBA和PLC編程語言實(shí)現(xiàn)上下層批量讀、寫值操作，簡化了操作步驟，方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

與傳統(tǒng)手工測試相比，以200條用例為例，手工測試時(shí)間考慮各操作因素及判斷因素至少需要6.6?h左右，而自動(dòng)化測試僅需10?min左右，由此可以看出SCADA上層HMI與西門子PLC數(shù)據(jù)讀寫自動(dòng)化測試的實(shí)現(xiàn)大大提高了測試效率，更便于版本間升級測試。

參考文獻(xiàn)

[1]?廖常初.S71200?PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]?Doug?Hellmann.python?3?標(biāo)準(zhǔn)庫[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.