一種工業(yè)控制系統(tǒng)中點檢工具的設(shè)計和應(yīng)用

程建立，朱燕萍，吳小文，朱 挺，平志明

（浙江中控技術(shù)股份有限公司，杭州 310053）

控制系統(tǒng)的全生命周期涵蓋從規(guī)劃、可行性研究、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計、工程施工，到投產(chǎn)、竣工驗收、允許、維護、變更直至報廢的全過程[1]。控制系統(tǒng)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(tǒng)的發(fā)展，不同行業(yè)、不同企業(yè)都向著自動化控制發(fā)展。而多數(shù)企業(yè)的控制系統(tǒng)隨著使用年限的增長，有必要對控制系統(tǒng)進行點檢分析，確保安全生產(chǎn)。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(xiàn)場駐守檢測、觀察，該方法存在人員素質(zhì)參差不齊、標準不一、數(shù)據(jù)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(xiàn)場檢驗現(xiàn)狀

根據(jù)安監(jiān)總管三【2014】116 號文《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導意見》，分別在項目設(shè)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(tǒng)的安裝完整性等級，需要確定檢驗測試周期、計劃與規(guī)程?！栋踩a(chǎn)法》第三十三條規(guī)定，安全設(shè)備的設(shè)計、制造、安裝、使用、檢測、維護、改造和報廢，應(yīng)當符合國家標準或者行業(yè)標準。生產(chǎn)經(jīng)營單位必須對安全設(shè)備進行經(jīng)常性維護、保養(yǎng)，并定期檢測，保證正常運轉(zhuǎn)。維護、保養(yǎng)、檢測應(yīng)當做好記錄，并由有關(guān)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(xiàn)漏寫。多數(shù)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(shù)據(jù)比較多，卡件類型、設(shè)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(tǒng)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(tǒng)運行狀態(tài)；簡化打點測試操作，實現(xiàn)打點測試結(jié)果自動收集；手動、自動系統(tǒng)響應(yīng)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(jù)實際現(xiàn)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(qū)分不同控制系統(tǒng)，完整覆蓋項目管理、權(quán)限管理、工程信息配置、軟件授權(quán)管理等現(xiàn)場應(yīng)用需求。點檢工具安裝環(huán)境，支持win7 系統(tǒng)，分辨率1920×1080。整體架構(gòu)圖如圖1。

圖1 整體架構(gòu)圖Fig.1 Overall architecture diagram

3 點檢工具軟件設(shè)計

本工具采用面向?qū)ο蟮姆椒▽ο到y(tǒng)進行分析，系統(tǒng)使用單機系統(tǒng)架構(gòu)，基于MFC 框架，采用純C++語言開發(fā)，配置采用INI 文件存儲。主要功能模塊有：工程管理模塊、系統(tǒng)診斷模塊、文檔處理模塊、IO 點檢測試模塊、響應(yīng)時間測試模塊、端板檢測模塊、UCP 驅(qū)動模塊等。組件架構(gòu)圖[6]如圖2。

圖2 組件架構(gòu)圖Fig.2 Component architecture diagram

3.1 工程管理模塊設(shè)計

本點檢軟件中，所有的規(guī)程操作都是基于檢驗測試工程：必須先創(chuàng)建或者打開點檢工程，然后才能在點檢軟件中執(zhí)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(guān)閉工程、導出報告，以及權(quán)限管理設(shè)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(shè)計約束：

新建工程，點擊后彈出新建工程的對話框，創(chuàng)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(shù)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(guān)閉工程，注銷并關(guān)閉點檢平臺。

導出報告，合并工程文件，導出點檢報告。

權(quán)限管理設(shè)置，使用用戶權(quán)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(quán)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(shè)置并保存，登陸時使用密碼登陸。

3.2 系統(tǒng)診斷模塊設(shè)計

系統(tǒng)診斷包括兩部分：一部分是被測系統(tǒng)的診斷，還有一部分是本測試系統(tǒng)的診斷。作業(yè)時，需要保證被測系統(tǒng)和測試系統(tǒng)都是正常的。因本系統(tǒng)和被測系統(tǒng)都是同一套硬件設(shè)計原理，所以軟件獲取診斷信息設(shè)計時考慮將兩個系統(tǒng)合并到一個類中，使用不同類型區(qū)分不同系統(tǒng)。被測系統(tǒng)需要提供組態(tài)，通過組態(tài)獲取系統(tǒng)的域地址、站地址，實現(xiàn)本軟件與控制器的通訊，以獲取下位機實時診斷數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的硬件設(shè)備因只有控制器和通訊卡的空組態(tài)，所以提供手動輸入域地址和站地址的編輯框，然后根據(jù)輸入的域地址、站地址實現(xiàn)通信，需要實現(xiàn)控制器信息上載顯示的功能。上載信息包括組態(tài)一致性、控制器運行狀態(tài)、系統(tǒng)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(shè)計

文檔處理是比較核心的模板，其主要功能包括數(shù)據(jù)記錄的保存和各個檢測模塊數(shù)據(jù)記錄的整合成一個可輸出word 文檔。本設(shè)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(tǒng)預(yù)裝Office 或者WPS 增強版。實現(xiàn)的功能包括：創(chuàng)建word 文件，將檢測數(shù)據(jù)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(quán)管理模塊設(shè)計

授權(quán)管理是通過軟件狗實現(xiàn)的。在該模塊中集成了軟件狗的DLL，通過定時調(diào)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(tǒng)通信。

3.5 IO點檢測試模塊設(shè)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(yè)控制系統(tǒng)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(zhuǎn)成ACD 碼值寫入被檢測卡，被檢測卡輸出對應(yīng)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(zhuǎn)成實際電壓與發(fā)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(jù)算法判斷被檢測卡輸出精度是否達標，將結(jié)果寫入excel 表格。軟件設(shè)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(jù)診斷模塊讀取的組態(tài)信息，獲取工業(yè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備信息，然后通過系統(tǒng)管理命令獲取控制器上實際設(shè)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(shè)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(jù)不同的卡件類型（輸入模擬量、輸入開關(guān)量、輸出模擬量、輸出開關(guān)量），自動選擇匹配的測試卡件，輸入卡對應(yīng)PADI，輸出卡對應(yīng)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?。簭目刂普拘畔⑴渲媚K獲取數(shù)據(jù)。

① 接入界面時，從控制站信息配置模塊獲取數(shù)據(jù)填充對應(yīng)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(xiàn)聲光報警控制，默認不需要報警。

3）檢測測試值下發(fā)和測試結(jié)果讀?。悍謨煞N情況，對應(yīng)PADI 和PDO 卡。

① 聯(lián)機讀取組態(tài)，比較組態(tài)狀態(tài)（檢測卡、測試卡）。

② 選擇測試通道。

③ 批量填充測試值。

④ 聯(lián)機下發(fā)測試值。

⑤ 聯(lián)機讀取實測值。

⑥ 計算偏差。

3.6 響應(yīng)時間測試模塊設(shè)計

響應(yīng)時間測試是邏輯程序回路的響應(yīng)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(tǒng)的邏輯程序連接。測試時，點檢工具向SPT 系統(tǒng)發(fā)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(fā)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(yīng)時間顯示在界面上，同一回路最大允許測試100 次。根據(jù)測試結(jié)果判斷響應(yīng)時間是否符合標準。軟件設(shè)計流程圖如圖5、時序圖如圖6。

圖5 響應(yīng)時間流程圖Fig.5 Response time flow chart

圖6 響應(yīng)時間時序圖Fig.6 Response time sequence diagram

3.7 端子板點檢測模塊設(shè)計

端子板檢測主要檢測控制系統(tǒng)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(fā)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(shè)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(xiàn)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(yīng)的端子板檢驗測試為：PTU9010。

3）支持與被測卡和檢驗測試的數(shù)據(jù)通信交互，支持與被測卡和檢驗測試的數(shù)據(jù)通信交互，實現(xiàn)了對工業(yè)控制系統(tǒng)端子板模塊與SPT 檢驗平臺硬件配置的匹配性，觸發(fā)向輸出點檢測試數(shù)據(jù)，從檢驗測試回讀檢驗數(shù)據(jù)。

PTT 軟件根據(jù)對應(yīng)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(fā)點檢測試命令，根據(jù)模塊測試數(shù)據(jù)，發(fā)送至PTU 模塊。

PTT 軟件選擇回讀點檢輸出數(shù)據(jù)，并根據(jù)模塊進行點檢判斷。

4）主要數(shù)據(jù)說明

選擇檢測卡的數(shù)據(jù)來自SPT-900 系統(tǒng)上載的設(shè)備信息過濾后PTU 卡填充。

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

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(yīng)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(yīng)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(xù)步驟不予執(zhí)行。

配電輸出檢測判斷，本程序提供結(jié)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(jié)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(jié)束，一次性采集結(jié)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(jié)果選擇。

3.8 響應(yīng)時間測試模塊設(shè)計

支持對工業(yè)控制系統(tǒng)邏輯程序回路的響應(yīng)時間的測試，具體為：

1）檢驗測試平臺提供對響應(yīng)時間測試的輸入信號，回讀輸出信號計算響應(yīng)時間。

2）測試回路包含端子板。

3）響應(yīng)時間測試結(jié)果用圖狀直觀表示。

4）每次測試一條回路，支持執(zhí)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(yīng)時間，即單個輸入變量與輸出變量的響應(yīng)時間測試。

軟件設(shè)計流程圖如圖8、時序圖如圖9。

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

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

3.9 異常處理模塊設(shè)計

當卡件檢測發(fā)現(xiàn)異常時，軟件發(fā)出聲光報警：界面顯示對應(yīng)的異常信息，紅色顯示，同時通過揚聲器發(fā)出聲音報警。此功能默認狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)，可由工程師設(shè)置是否開閉。

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

4 結(jié)束語

點檢工具通過IO 點檢模塊的快速打點，響應(yīng)時間測試的自動化測試，端子板點檢的自動數(shù)據(jù)采集，以及保存功能將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、準確性，可實現(xiàn)對設(shè)備點檢數(shù)據(jù)的自動采集和點檢數(shù)據(jù)分析，切實掌握設(shè)備狀態(tài)以及劣化發(fā)展的趨勢，進而保證設(shè)備安全穩(wěn)定運行，是現(xiàn)代設(shè)備維護中一個應(yīng)用方向，具有良好的經(jīng)濟效益和廣闊的發(fā)展前景[7]。目前，該點檢工具已在中控SIS 產(chǎn)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。