工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

欒 燕，張娟娟，張 健，胡 博

（1.國(guó)家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心，北京 100040；2.中科軟科技股份有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以燎原之勢(shì)發(fā)展，企業(yè)上云的內(nèi)容向縱深發(fā)展，從系統(tǒng)上云逐步過渡到設(shè)備上云。截至2017年我國(guó)工業(yè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)率僅為10%，目前工業(yè)通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、互不兼容[1]，此外還存在大量不開放協(xié)議的“啞設(shè)備”，導(dǎo)致設(shè)備數(shù)據(jù)采集難、傳輸難、應(yīng)用難。工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為設(shè)備上云的關(guān)口，具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、邊緣計(jì)算等功能，同時(shí)要保證運(yùn)行的可靠性和高效性，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要設(shè)備[2,3]。

工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的連接以及硬件選型，面臨網(wǎng)關(guān)種類繁雜、應(yīng)用場(chǎng)景不同、通信協(xié)議不兼容、連接方式多元化、管理與控制復(fù)雜、連通性及兼容性波動(dòng)等問題。工業(yè)網(wǎng)關(guān)本身的接入能力和指標(biāo)，尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和完整的評(píng)價(jià)體系，本平臺(tái)旨在通過搭建面向工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)的測(cè)試平臺(tái)，推動(dòng)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品走向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

1 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)采用分層架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計(jì)，將綜合測(cè)試軟件、測(cè)試控制軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)部的分開部署，各模塊間通過共享測(cè)試案例庫、通信協(xié)議以及RestFull API接口進(jìn)行信息交互，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

圖1 工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)

本測(cè)試平臺(tái)主要面向PLC和傳感器的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，根據(jù)采集接口的不同，本文將被測(cè)網(wǎng)關(guān)分為協(xié)議網(wǎng)關(guān)和采集網(wǎng)關(guān)。其中協(xié)議網(wǎng)關(guān)是指提供串口/網(wǎng)口采集智能設(shè)備數(shù)據(jù)，支持通過總線通信協(xié)議的方式獲取數(shù)據(jù)，能夠把各種不同的采集協(xié)議轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送到監(jiān)控中心的裝置或系統(tǒng)。采集網(wǎng)關(guān)是指提供IO接口采集啞設(shè)備數(shù)據(jù)，支持通過信號(hào)轉(zhuǎn)換方式獲取數(shù)據(jù)，把各種不同的IO數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一封裝，打包成標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送到監(jiān)控中心的裝置或系統(tǒng)。

工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。該平臺(tái)共包括三大組成部分：測(cè)試硬件環(huán)境、測(cè)試控制平臺(tái)、綜合測(cè)試平臺(tái)。

測(cè)試硬件環(huán)境由主流PLC，IO管理器，PLC編程工作站，網(wǎng)關(guān)配置工作站，臺(tái)架和配電等組成。其中：主流PLC作為測(cè)試平臺(tái)的硬件環(huán)境，支撐網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)試，接收網(wǎng)關(guān)指令；IO管理器用于模擬設(shè)備數(shù)據(jù)源向被測(cè)網(wǎng)關(guān)和測(cè)試控制平臺(tái)傳遞設(shè)備源數(shù)據(jù)；PLC編程工作站用于編寫測(cè)試用例數(shù)據(jù)并下載到陪測(cè)PLC；網(wǎng)關(guān)配置工作站用于配置網(wǎng)關(guān)的基本參數(shù)、采集服務(wù)、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)、邊緣計(jì)算服務(wù)等。

測(cè)試控制平臺(tái)用于接收綜合測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試用例，并通知IO管理器執(zhí)行測(cè)試用例；同時(shí)接收IO管理器的原始數(shù)據(jù)，向網(wǎng)關(guān)綜合測(cè)試平臺(tái)發(fā)送原始數(shù)據(jù)。

網(wǎng)關(guān)綜合測(cè)試平臺(tái)是工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)的核心組件，是整個(gè)測(cè)試平臺(tái)的前臺(tái)，用于配置測(cè)試項(xiàng)、陪測(cè)PLC型號(hào)、測(cè)試用例等。網(wǎng)關(guān)綜合測(cè)試平臺(tái)根據(jù)配置向測(cè)試控制平臺(tái)發(fā)送測(cè)試用例，并接收測(cè)試控制平臺(tái)發(fā)送來的原始數(shù)據(jù)；同時(shí)向被測(cè)網(wǎng)關(guān)發(fā)送請(qǐng)求，并接收工業(yè)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的采集數(shù)據(jù)；對(duì)比原始數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)，判斷測(cè)試結(jié)果。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)

本文的工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)采用了自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)，相比于手工測(cè)試測(cè)試方式，自動(dòng)化測(cè)試通過編寫一個(gè)通用的自動(dòng)化軟件來測(cè)試智能網(wǎng)關(guān)的功能、性能等指標(biāo)。一方面提高測(cè)試的可重復(fù)性和有效性，另一方面可以更好模擬智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)的工作場(chǎng)景。

1）采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的測(cè)試框架。初始階段對(duì)所有IO管理器和陪測(cè)的PLC進(jìn)行測(cè)試用例數(shù)據(jù)的編程，IO管理器和每一個(gè)PLC都有各自的編程文件，將測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在編程文件中，大大提高了測(cè)試用例的維護(hù)性和重復(fù)性。

2）采用測(cè)試腳本的測(cè)試框架。定義了一套自動(dòng)化測(cè)試的流程：測(cè)試準(zhǔn)備→啟動(dòng)測(cè)試→執(zhí)行測(cè)試用例→獲取原始數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)→對(duì)比原始數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)→給出測(cè)試結(jié)果。具體的測(cè)試用例和測(cè)試流程分屬不同的領(lǐng)域，這樣就可以大大增強(qiáng)了測(cè)試的低耦合性和標(biāo)準(zhǔn)化性。

3）提供可配置的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試?yán)龓?。案例庫包括了所有PLC的測(cè)試用例，提供了通用測(cè)試案例，協(xié)議網(wǎng)關(guān)測(cè)試案例，采集網(wǎng)關(guān)測(cè)試案例。同時(shí)提供測(cè)試案例生成器，用于展示測(cè)試案例庫，查詢測(cè)試案例，生成測(cè)試案例。測(cè)試人員可以根據(jù)需要隨時(shí)維護(hù)、變更和添加測(cè)試案例，從而從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了工業(yè)網(wǎng)關(guān)和測(cè)試案例的抽象分離。

2.2 源數(shù)據(jù)模擬技術(shù)

本測(cè)試平臺(tái)創(chuàng)新性的采用PLC和IO管理器提供源數(shù)據(jù)，通過編程的方式將測(cè)試案例的寫入陪測(cè)PLC和IO管理器中，根據(jù)測(cè)試需求產(chǎn)生源數(shù)據(jù)。其中，PLC為協(xié)議網(wǎng)關(guān)提供源數(shù)據(jù)，IO管理器為采集網(wǎng)關(guān)提供源數(shù)據(jù)。源數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、讀寫屬性、操作模式、刷新周期、步長(zhǎng)等組成。

IO管理器采用西門子S7-1200PLC，保證少于0.05%誤差的高精度，14位真有效精度可能夠提供高速信號(hào)源，支持至少2個(gè)通道的10KHz的脈沖輸出，提供至少4通道高速計(jì)數(shù)器，最大頻率支持200kH。所有AI，AO支持電壓-10V～10V與0～20mA電流的輸入輸出。

2.3 多協(xié)議解析技術(shù)

工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)測(cè)試平臺(tái)支持工業(yè)網(wǎng)關(guān)上行的主流協(xié)議ModbusTCP、OPCUA、MQTT等，下行的主流協(xié)議ModbusRTU、PPI、MPI、DF1、SNP、ProfiNet、EtherCAT、CCLink等的協(xié)議解析。

對(duì)于上行通信協(xié)議：能夠解析標(biāo)準(zhǔn)的ModbusTCP采集協(xié)議、基于MQTT通信機(jī)制的不同廠家不同網(wǎng)關(guān)型號(hào)的多個(gè)MQTT采集協(xié)議、基于OPCUA的客戶端采集協(xié)議。對(duì)采集的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行協(xié)議接入、協(xié)議解析、協(xié)議組包等，并把解析出來的數(shù)據(jù)保存到采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)庫中。

對(duì)于下行通信協(xié)議，本平臺(tái)需要提供具有該下行通信協(xié)議的陪測(cè)PLC。

3 測(cè)試指標(biāo)及原理

根據(jù)工業(yè)網(wǎng)關(guān)的實(shí)際應(yīng)用需求，結(jié)合對(duì)主流工業(yè)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品的深入調(diào)研，本測(cè)試平臺(tái)對(duì)工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集、邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能指標(biāo)，串口采集通信速率、點(diǎn)容量、AI/AO精度等性能，數(shù)據(jù)丟包率、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率等可靠性指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)被測(cè)網(wǎng)關(guān)類型不同，可分為通用測(cè)試指標(biāo)、專用測(cè)試指標(biāo)，具體測(cè)試指標(biāo)如表1所示。

表1 工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)測(cè)試指標(biāo)表

4 測(cè)試流程

本平臺(tái)提供了一種工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)的自動(dòng)化測(cè)試方法及系統(tǒng)，能夠高效測(cè)試網(wǎng)關(guān)的功能、性能及可靠性。綜合測(cè)試平臺(tái)根據(jù)測(cè)試工單號(hào)，逐一對(duì)測(cè)試案例集里的測(cè)試案例執(zhí)行測(cè)試，和測(cè)試控制軟件、測(cè)試硬件設(shè)備，被測(cè)網(wǎng)關(guān)一起形成測(cè)試閉環(huán)，綜合測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，并給出測(cè)試結(jié)果。

5 測(cè)試實(shí)例

圖2 工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)測(cè)試流程圖

為驗(yàn)證本工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的有效性，采用西門子S7-200Smart作為陪測(cè)PLC，對(duì)某型號(hào)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)進(jìn)行測(cè)試。其中西門子S7-200Smart具有ProfiNet以太網(wǎng)端口、PPI端口，被測(cè)網(wǎng)關(guān)支持ModbusTCP協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)，利用測(cè)試平臺(tái)對(duì)開關(guān)量數(shù)據(jù)采集、模擬量數(shù)據(jù)采集、脈沖量數(shù)據(jù)采集等功能性指標(biāo)，最大/小通訊速率下的數(shù)據(jù)丟包率、最大/小通訊速率下的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率等可靠性指標(biāo)，串口最大/最小采集通信速率、電容量等性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。采集周期設(shè)置為5000毫秒，最大通訊速率設(shè)置為19200bps，最小通訊速率設(shè)置為1200bps，部分指標(biāo)測(cè)試過程實(shí)例如圖3～圖5所示。

圖3 被測(cè)協(xié)議網(wǎng)關(guān)脈沖量數(shù)據(jù)采集指標(biāo)測(cè)試實(shí)例

圖4 被測(cè)協(xié)議網(wǎng)關(guān)最大采集通信速率指標(biāo)測(cè)試實(shí)例

圖5 被測(cè)協(xié)議網(wǎng)關(guān)長(zhǎng)期穩(wěn)定性指標(biāo)測(cè)試實(shí)例

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)一種自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)，創(chuàng)新性的采用自動(dòng)化測(cè)試、源數(shù)據(jù)模擬、多協(xié)議解析等關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)設(shè)計(jì)了網(wǎng)關(guān)的測(cè)試指標(biāo)，通過前臺(tái)配置被測(cè)網(wǎng)關(guān)的參數(shù)和測(cè)試項(xiàng)目，選定測(cè)試項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的測(cè)試案例，對(duì)測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試，記錄測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能、性能、可靠性等相關(guān)指標(biāo)的自動(dòng)測(cè)試，最后通過實(shí)例驗(yàn)證了該測(cè)試平臺(tái)的可行性和有效性。

該測(cè)試平臺(tái)為工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)的驗(yàn)證評(píng)價(jià)提供了一種可靠的方法，通過模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)接入環(huán)境，提前驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的適配性，幫助工業(yè)企業(yè)選擇合適的工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)，同時(shí)通過規(guī)范工業(yè)網(wǎng)關(guān)指標(biāo)，推動(dòng)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品走向規(guī)范化，助力設(shè)備上云。