産業用制御システムソフトウェアをテストするためのシミュレータ

こんにちは、ハブロジテルさん！







私のプロジェクトについてお話しします。これは、3年間自由な時間に行ってきました。



私は、コントローラープログラマーとして自動化に従事している会社で働いています。 最近では、主にSiemens、SIMATIC S7 PLC、WinCC視覚化パッケージを使用していますが、他のメーカーでも経験があります。 会社概要は、石油およびガス部門（タンクファーム、ポンプ、鉄道の高架、停泊施設、消火システム）です。



おそらく、最初のプロジェクトから、実際の機器の試運転段階までのソフトウェアテストの問題に興味がありました。 少し前まで、ハブに投稿がありました-Simatic Step7でのSiemens PLCのプログラミング 、およびコメントで言及されたアドレナリン、私は直接知っています。



現在、私のソフトウェアプラットフォームを使用して、快適なオフィス条件で、ほとんどのエラーを取り除き、自動化された機能をデバッグすることができます（寒い冬の日、ケーブルリール、暖房のない部屋に座るのではなく）。

はじめに

簡略化された形式では、当社のプロセス制御システムは次のコンポーネントで構成されています。

• センサー（圧力、温度）およびアクチュエーター（バルブ、ポンプ）。
• プログラマブルロジックコントローラー（PLC）。
• 視覚化システム（SCADA、HMI）。

センサーとアクチュエータから信号がPLCに送信され、処理されて視覚化システムに送信されます。視覚化システムは人間のオペレーターと対話します。 オペレータコマンドはPLCに送り返され、PLCはアクチュエータを制御するために必要な信号を生成します。 自動化機能と緊急保護（PAZ）がPLCに実装されています。



通常、2人が開発に関与します。 1つはPLC用のプログラムを作成し、2つ目は視覚化システムを作成します。 現在、3番目のテスターを使用しようとしています。 非常に複雑な制御アルゴリズムを実装しているとは言えませんが、主にシステムのサイズに関連した特異性があります。 たとえば、私の現在のプロジェクトには合計で約2300の信号があり、そのほとんどが入力（約1500）です。



テストのために、PLCと視覚化システムで構成されるスタンドがオフィスで組み立てられます。 一部のメーカーは、PLCソフトウェアシミュレーションを提供しているため、通常のコンピューターハードウェアを使用することもできます。 たとえば、シーメンスのS7PLCSim：



問題は、ディスクリート/アナログ入力/出力信号を介してシステムに接続されているセンサーとアクチュエーターに残っています。



一部のPLCメーカーは、入力信号のソフトウェアシミュレーション用のツールを提供しています。 たとえば、シーメンスコントローラーのプログラミング環境Step7を使用して、実際のP​​LCの入力信号の値を強制することができ（力）、コントローラーシミュレーターを使用する場合は、グラフィカルインターフェイスを介して単純に設定できます。 上記の図では、IB 10は入力のバイト、IW 5は入力のワード、QB 7およびQW 2は出力、MD 123はコントローラーの内部メモリのダブルワードです。



言及する必要がある別のアプローチは、鉄レベルで入力信号をシミュレートすることです。 私たちにとって、このアプローチは不便です-接続に時間がかかりすぎます。 さらに、オフィスでは、通常、PLCからのプロセッサモジュールのみがあり、個別のキャビネットに配置された入出力信号を接続するためのモジュールは在庫があるか、すでにインストールのために顧客に送られています。



このような手段により、コントローラから視覚化システムへの信号の通過、およびその逆の信号の通過の簡単なチェックを実行できることは明らかです。 幸いなことに、Step7にはブレークポイント（ブレークポイント）があるという非常に複雑な自動アルゴリズムをデバッグすることはできません。 しかし、複数の機器（複数のポンプ+バルブとセンサーからの配管）がアルゴリズムに関与している場合、これは非常に複雑です。

アイデア

数年前から、PLCプログラムに加えて、私のプロジェクトごとに、自動オブジェクトのソフトウェアシミュレーターを作成しています。 英語のソースは、そのようなシステムと呼ばれることもあります-工場受け入れテスト（FAT）シミュレーター（工場受け入れ用のシミュレーター）およびシミュレーションの信頼性の程度に従ってそれらを分類します。 主にMatlab + Simulink、LabViewで使用されるこのようなシミュレータの作成に関するネットワーク上の情報はあまりなく、誰かがPLC内でシミュレーションを実装しています。 特別な開発ツールがあります-WinMOD、Mynah MiMiC、Siemens SIMIT、APROS。



少し考えた後、私は自分のプラットフォームを作成しようとすることにしました。 まず、何か新しいものを学びたいという要望がありました（.NETおよびC＃）。 状況は成功し、当社はプロジェクトの1つとして、既製のOPCクライアントライブラリを取得しました。 これにより、主なタスクに集中することができました。



実際のPLCを備えたスタンド用のソフトウェアシミュレーターを作成するには、物理​​的な入力から受け取ったデータをシミュレーションデータで置き換える必要があります。 残念ながら、これはコントローラープログラム自体で行わなければなりません。 次のステップは、OPCインターフェースを介してこのデータへのアクセスを提供することです。 その後、PLCプログラムの作成と自動オブジェクトのシミュレーターの作成を開始できます。



S7PLCSimを使用する場合-データ置換の必要はありません。 この場合、視覚化システムは、S7PLCSimおよびオブジェクトシミュレータ（S7PLCSimの制限）と同じマシンで実行する必要があります。 電力が不足している場合は、無料のNetToPLCSimユーティリティを使用してそれらを粉砕することができます。

プラットフォーム

私が開発したプラットフォームは、視覚化システムを作成するための原始的な環境のようなものです。 作業は3つの段階に分けることができます。

1. 変数（アイテム）の作成。 次の3つのタイプのみがあります。
   
   
   • 内部-シミュレーター内のオブジェクト間の通信に使用される内部変数。
   • OPCは、外部OPCサーバーに関連付けられた変数です。 この場合、シミュレーターはOPCクライアントとして機能します。
   • S7PLCSim-この変数は、SIMATIC S7コントローラーシミュレーターとの通信を目的としています。 メモリ領域I、Q、M、およびDBがサポートされています。
   開発の現在の段階では、このプラットフォームは1つのSIMATIC S7コントローラーシミュレーターと1つのOPCサーバーのみに接続できます。 ただし、プラットフォームはOPCサーバーであるため、すべての変数はOPCによって表示されます。
   
   
   
   シミュレーターの実行中に変数を追加および削除できます。 システムは、使用されている変数を削除することを許可しません。
   
   
   
   
2. シミュレーションオブジェクトの作成。 現在、13種類のオブジェクトが実装されています。 それらの中には、非常に原始的なものがあります-離散センサーとアナログセンサー、そして非常に複雑なセンサー-アナログ信号発生器とゲートバルブ。 オブジェクトのタイプの1つを使用すると、C＃でスクリプトを作成できます。 各シミュレーションオブジェクトを構成する際、ユーザーは、このオブジェクトの読み取りまたは書き込みを行う変数（アイテム）、およびその他のパラメーターを設定します。
   
   
   
   シミュレーターの実行中にオブジェクトを追加、削除、およびそのプロパティを編集できます。
   
   
   
   
3. ユーザーインターフェイスの作成。 ベースがタブ付きパネル（TabControl）を使用する方法。 作成された各画面には、シミュレーションオブジェクトの表示を配置できます。 たとえば、アナログセンサーの場合、スライダー、値またはグラフを入力するためのフィールド、パネルのどこにでも表示できます。 1つの同じオブジェクトを、1つまたは複数のパネルの異なるビューに何度でも表示できます。
   
   
   
   シミュレーションオブジェクトを削除するには、最初にすべてのパネルの表示をすべて削除する必要があります。
   
   

シミュレーター構成は、単純な構造を持つXMLファイルとして保存されます。

 <ProcessSimulator>
     <アイテム>
          [変数]
     </アイテム>
     <SimulationObjects>
          [シミュレーションオブジェクト]
     </ SimulationObjects>
     <画面>
          [シミュレーションオブジェクトのマッピングを含むパネル]
     </ Screens>
 </ ProcessSimulator>

これにより、手動で編集したり、Excelなどでスクリプトを生成したり、バージョン管理システムを完全に使用したりできます。



これはシミュレータインターフェイスのように見えるかもしれません：

特徴

自動オブジェクトのシミュレータを作成すると、多くの利点があります。

• 開発とテストの利便性。 PLC用のプログラムを作成し、それと並行してオブジェクトシミュレーターを作成することで、すべてのコードをチェックし、ほぼすべての状況をシミュレートできます。 視覚化システムの開発者は、PLCプログラムを詳しく調べることなく（そして何かを確認するたびに私を引っ張らずに）、シミュレーターのすべての設備を使用します。 多かれ少なかれ通常のグラフィカルインターフェイスを使用すると、作成に参加しなかった人をシステムのテストに引き付けることができます。つまり、どの作成者よりも多くのエラーを見つけることができます。 さらに、施設でも、システムをシミュレーションモードに切り替えて、実際の機器を使用せずに、ソフトウェアメソッドを使用して何かを変更し、完全にチェックすることができます。
• 他のすべての準備の程度に関係なく、システムのソフトウェア部分のデモ。
• オペレータートレーニング。 シミュレーションモードでのシステムの操作により、オペレーターはより詳細に、そして最も重要なこととして、ストレスなしでシステムの操作を学習できます（そしてエラーを見つけます）。
• 保証システムのサポートの簡素化。 エラー状態を再現する場合、場合によっては、オブジェクトにアクセスせずに実行できます。

さらなる開発

これがC＃で真剣なものを作成する最初の経験なので、まず、アーキテクチャを再設計したいと思います。

• 外部接続を担当するレイヤーを選択し、プラグインとして実装します。 これにより、複数のOPCサーバーとSiemens SIMATIC S7PLCSimのインスタンスに接続できます。 また、Modbusなどの他のタイプの接続を簡単に追加できます。
• シミュレーションオブジェクトに関連付けられていない視覚要素のクラスを紹介します。 現時点では、画面上のユーザーインターフェイスの要素は必ずシミュレーションオブジェクトに接続されますが、これはあまり便利ではありません。 何かを描いたり、絵を挿入したり、説明文を書いたりするだけの十分な機会がない場合があります。
• シミュレーションオブジェクトとそのマッピング用のプラグインシステムを作成します。 プラットフォーム開発の主な方向は、シミュレーションオブジェクトのライブラリの拡大です。そのため、作成と統合の利便性が重要な要素です。

サイト

automation.ucoz.comでは 、 デモバージョンをダウンロードできます。 時間の制限はありませんが、作成できるのは20個の変数と10個のシミュレーションオブジェクト（C＃スクリプトを除くすべてのタイプ）です。 フルバージョン（フリーウェア）。