本发明涉及一种燃气管网plc误动率测试装置及方法，属于工业燃气测试技术领域。
背景技术：
天然气站场多采用plc直接采集站场实时数据和控制阀门开关等现场执行器，当plc出现误动故障时，会导致误控制现场执行器事件的出现，造成安全、经济损失等后果。
因此，plc的误动率是非常重要的指标，需要实测验证是否满足设计需求，才能正式投运。
工业领域更多关注于拒动概率和可用率测试。针对燃气管网plc，现阶段并无指导误动率测试的专用标准和规范。部分工业控制系统供应商仅进行误动率理论计算，或者用可用率考核的结果来替代误动率测试。
当前燃气管网plc在开展误动率测试工作时面临以下问题：
1)仅开展误动率理论计算并不能充分验证其误动率满足设计要求，但现阶段还没有针对性的行业规范或工作指南，工作开展缺乏具体依据；
2)若借鉴火电行业dcs可用率考核的方法，则得到的结果过于保守，因为该可用率考核方法认为所有类型的故障均会对可用率有贡献，而不仅仅是误动类故障，这样评估出来的结果将比实际误动率要高，有可能导致误认为该plc的误动率不满足设计要求。
因此，提供一种能够准确测试误动率并实现自动化测试及报告生成、大大提升工作效率的误动率测试方法及配套测试装置就成为该技术领域急需解决的技术难题。
技术实现要素：
本发明的目的之一是开发出一种误动率测试装置，解决上述提到的误动率测试无指导规范、测试结果不准确的问题，并实现自动化测试及报告生成，大大提升工作效率。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种燃气管网plc误动率测试装置，其特征在于：主要包括机箱、控制器、模拟量输出(ao)板卡、数字输入输出信号(do)板卡和测试线缆；其中，控制器位于机箱内，控制器分别与模拟量输出(ao)板卡和数字输入输出信号(do)板卡相连接；模拟量输出(ao)板卡通过测试线缆与被测试对象的模拟量输入(ai)板卡相连接，数字输出信号(do)板卡通过测试线缆与被测试对象的数字输入(di)板卡相连接；被测试对象的模拟量输入(ai)板卡、数字输入(di)板卡与其主控单元相连接，主控单元通过以太网(eth)端口与测试装置中的控制器相连接。
优选地，所述机箱为pxi机箱，所述控制器为pxi控制器。
优选地，所述模拟量输出(ao)板卡为八路，所述数字输入输出信号(do)板卡为八路。
优选地，所述燃气管网plc测试装置，包括人机交互模块、定制用户测试流程模块、数据管理模块、仪器设备接口驱动模块；人机交互模块包括设备控制模块和设备及测试状态监测模块，设备控制模块用以接收用户的控制指令，并存储在用户数据管理模块中；设备及测试状态监视模块，主要用以显示设备及测试状态，设备和测试状态信息来自于设备数据管理模块；定制用户测试流程模块包括命令关联模块、设备命令集模块和用户规则设置模块，命令关联模块、设备命令集模块和用户规则设置模块均与用户数据管理模块相连接，并通过用户数据管理模块与数据存储模块相连接；命令关联模块定义了不同控制命令的关联关系，设备命令集用以定义设备可执行的有效操作命令，用户规则设置模块则定义了用户自定义操作时应遵循的规则，这些数据均存储在数据存储模块中，通过用户数据管理模块进行调度管理；数据管理模块包括用户数据管理模块和设备数据管理模块，其中，用户数据管理模块分别与设备控制模块、数据存储模块以及定制用户测试模块相连接，设备数据管理模块分别与设备及测试状态监视模块和数据存储模块相连接；用户数据管理模块主要管理数据存储模块中的用户相关数据，而设备数据管理模块则主要管理数据存储模块中的设备及测试数据；数据存储模块分别与硬件设备接口驱动模块和现场信息读取模块相连接；硬件设备接口驱动模块主要负责仪器\设备的初始化或配置。
本发明的另一目的是开发出一种燃气管网plc误动率测试方法，解决上述提到的误动率测试无指导规范、测试结果不准确的问题，并实现自动化测试及报告生成，大大提升工作效率。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种燃气管网plc误动率测试方法，其步骤如下：
(1)确定被测对象，与燃气管网plc误动率测试装置进行连接；
(2)对测试装置施加交变的测试信号，为触发信号和非触发信号交替输出给被测对象，目的是监测被测对象是否出现拒动故障，避免因为拒动故障使得测试人员误以为被测对象一切正常，而误统计误动率；
(3)测试过程中，实时采集拒动测试结果和误动测试结果，当被测对象出现拒动类故障或者误动类故障时，停止测试，记录误动xfs和拒动次数xfd和累积运行时间ttest；
(4)统计被测对象误动率，如下式(1)所述：
r_singlefs＝xfs/ttest(1)
故障统计完成，排除故障，继续进行测试；
(5)推算实际系统误动率，实际运行的系统，可能是由被测对象冗余搭建而成；假设冗余架构为moon，即有n重冗余，m个通道动作时，系统动作，则实际系统的误动率按照下述公式进行计算：
优选地，步骤(1)中的连接为i/o信号连接，具体为测试装置的ao、do信号线连接被测对象的ai和di信号线，实现信号输入；测试装置与被测对象进行通信连接，实现被测结果输出。
优选地，步骤(2)中的测试，具体如下：
1)模拟量信号采集功能测试
测试装置的模拟量输出(ao)板卡输出4-20ma模拟量交变信号，一拍超阈值，一拍低于阈值，通过硬接线和被测对象的模拟量输入(ai)端口送入主控单元控制器，主控单元控制器发出的数据包通过以太网端口发送至测试装置的控制器，测试系统的软件按照预定的以太网协议对数据包进行解析、转换、分析，判断被测对象的模拟量采集功能是否正常，或是出现拒动或误动故障；
或者
2)开关量采集功能测试
测试装置的数字输出信号(do)板卡输出开关量(干接点)交变信号，一拍为“0”，一拍为“1”，通过硬接线和被测对象的数字输入信号(di)端口发送至被测试对象的主控单元的控制器，用以模拟现场阀门开关、门禁开关等开关量信号，被测试对象的主控单元的控制器发出的数据包通过以太网端口向测试装置的控制器发出，测试系统的软件按照预定的以太网协议对数据包进行解析、转换、分析，判断被测对象的数字量采集功能是否正常，或是出现拒动或误动故障；
或者
3)与智能仪表的通信功能测试
测试装置模拟智能仪表向控制器发送模拟量数据，通过以太网端口接收控制器发出的数据包，测试系统的软件按照预定的以太网协议对数据包进行解析、转换、分析，判断测试装置的与plc的通信功能是否正常。
有益效果：
本发明提出的针对燃气管网plc误动率测试方法，能够排除拒动故障的干扰，准确地测出被测对象的误动率，具有理论正确性；本发明的测试装置能够完成误动率测试用例编制，自动测试执行和报表生成，节省了测试成本，提升了工作效率，填补了燃气管网误动率无实测工具的空白。
下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1为本发明的燃气管网plc测试方法中数据采集与监视控制系统(scada)的测试原理框图示意图。
图2为本发明燃气管网plc测试方法的总体工作流程示意图。
图3为本发明燃气管网plc测试装置中软件总体结构图。
图4为本发明燃气管网plc测试装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明可以根据以下实例实施，但不限于此，这些实施例只是为了举例说明本发明实施过程，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
实施例1
如图1所示，为本发明的燃气管网plc测试方法中数据采集与监视控制系统(scada)的测试原理框图示意图；
本发明的燃气管网plc测试方法中数据采集与监视控制系统(scada)包括测试装置和被测试对象，测试装置主要包括pxi机箱、pxi控制器、模拟量输出(ao)板卡、数字输出信号(do)板卡和测试线缆；被测试对象包括主控单元、模拟量输入(ai)板卡、数字输入(di)板卡；其中，pxi控制器位于pxi机箱内，pxi控制器分别与模拟量输出(ao)板卡、数字输出信号(do)板卡相连接；模拟量输出(ao)板卡通过测试线缆与被测试对象的模拟量输入(ai)板卡相连接，数字输出信号(do)板卡通过测试线缆与被测试对象的数字输入(di)板卡相连接；被测试对象的模拟量输入(ai)板卡、数字输入(di)板卡和与其主控单元相连接，主控单元通过以太网(eth)端口与测试装置中的控制器相连接。
本发明的燃气管网plc测试装置充分考虑了扩展性需求，在实际使用中，根据站点规模的不同，可以通过增加测试装置输入输出板卡的方式扩展装置io资源；本发明实施例1的方案按照被测对象的规模为8路ai、8路di进行设计。
如图2所示，为本发明燃气管网plc测试方法的总体工作流程示意图；本发明的燃气管网plc测试方法的步骤如下：
(1)确定被测对象，用本发明的装置进行连接，通常有i/o信号连接：发明装置的ao、do信号线连接被测对象的ai和di信号线，实现信号输入；发明装置与被测对象进行通信连接，实现被测结果输出；
(2)本发明装置施加交变的测试信号，为触发信号和非触发信号交替输出给被测对象，这样做的目的是监测被测对象是否出现拒动故障，避免因为拒动故障使得测试人员误以为被测对象一切正常，而误统计误动率；
(3)测试过程中实时采集拒动测试结果和误动测试结果，当被测对象出现拒动类故障或者误动类故障时，停止测试，记录误动xfs和拒动次数xfd，和累积运行时间ttest；
(4)统计被测对象误动率，如下式所述：
r_singlefs＝xfs/ttest(1)
故障统计完成，排除故障，继续进行测试；
(5)推算实际系统误动率，实际运行的系统，可能是由被测对象冗余搭建而成；假设冗余架构为moon，即有n重冗余，m个通道动作时，系统动作，则实际系统的误动率按照下述公式进行计算：
误动率测试
本发明的燃气管网plc测试装置通过控制器控制io板卡模拟输出现场传感器的模拟量和开关量信号，被测试对象(被测试系统)采集后，经主控单元处理，通过以太网端口，将测试结果发送回测试装置，测试装置对上报的数据进行计算、比对，得出测试结果，从而实现对站控系统的功能测试。
具体测试如下：
1)模拟量信号采集功能测试
测试装置的模拟量输出(ao)板卡输出4-20ma模拟量交变信号，一拍超阈值，一拍低于阈值，通过硬接线和被测对象的模拟量输入(ai)端口送入主控单元控制器，主控单元控制器发出的数据包通过以太网端口发送至测试装置的控制器，测试系统的软件按照预定的以太网协议对数据包进行解析、转换、分析，判断被测对象的模拟量采集功能是否正常，或是出现拒动或误动故障。
2)开关量采集功能测试
测试装置的数字输出信号(do)板卡输出开关量(干接点)交变信号，一拍为“0”，一拍为“1”，通过硬接线和被测对象的数字输入信号(di)端口发送至被测试对象的主控单元的控制器，用以模拟现场阀门开关、门禁开关等开关量信号，被测试对象的主控单元的控制器发出的数据包通过以太网端口向测试装置的控制器发出，测试系统的软件按照预定的以太网协议对数据包进行解析、转换、分析，判断被测对象的数字量采集功能是否正常，或是出现拒动或误动故障。
3)与智能仪表的通信功能测试
测试装置模拟智能仪表向现场控制器发送模拟量数据，通过以太网端口接收现场控制器发出的数据包，测试系统的软件按照预定的以太网协议对数据包进行解析、转换、分析，判断测试装置的与plc的通信功能是否正常。
4)以太网通信功能测试
上述三项测试中，测试装置与被测对象(被测系统或被测装置)均通过以太网端口进行数据交互，因此，上述测试中已涵盖了以太网通信功能的测试。
如图3所示，为本发明燃气管网plc测试装置中软件总体结构图；本发明的燃气管网plc测试装置软件包括人机交互模块、定制用户测试流程模块、数据管理模块、仪器设备接口驱动模块；人机交互模块包括设备控制模块和设备及测试状态监测模块，设备控制模块用以接收用户的控制指令，并存储在用户数据管理模块中；设备及测试状态监视模块，主要用以显示设备及测试状态，设备和测试状态信息来自于设备数据管理模块；定制用户测试流程模块包括命令关联模块、设备命令集模块和用户规则设置模块，命令关联模块、设备命令集模块和用户规则设置模块均与用户数据管理模块相连接，并通过用户数据管理模块与数据存储模块相连接；命令关联模块定义了不同控制命令的关联关系，设备命令集用以定义设备可执行的有效操作命令，用户规则设置模块则定义了用户自定义操作时应遵循的规则，这些数据均存储在数据存储模块中，通过用户数据管理模块进行调度管理；数据管理模块包括用户数据管理模块和设备数据管理模块，其中，用户数据管理模块分别与设备控制模块、数据存储模块以及定制用户测试模块相连接，设备数据管理模块分别与设备及测试状态监视模块和数据存储模块相连接；用户数据管理模块主要管理数据存储模块中的用户相关数据，而设备数据管理模块则主要管理数据存储模块中的设备及测试数据；数据存储模块分别与硬件设备接口驱动模块和现场信息读取模块相连接；硬件设备接口驱动模块主要负责仪器\设备的初始化或配置。
a)人机交互与数据显示界面包括设备控制模块和设备及测试状态监测模块，实现需求中人机交互的全部功能，用户通过程序界面输入操作指令及参数，实现对装置的管理、设置，以及对测试过程中的手动控制(操作控制)；
b)定制用户测试流程模块包括命令关联模块、用户规则设置模块和设备命令集模块；实现测试过程、用户规则、设备命令集、通讯协议等方面的设计，实现设备的产品测试功能，是软件的核心部分；
c)数据管理模块包括用户数据管理模块和设备数据管理模块，实现用户数据、仪器设备数据和测试数据的管理功能；
d)硬件驱动与数据接口包括硬件设备驱动接口模块、数据存储模块和现场信息读取模块，硬件设备驱动接口模块主要负责仪器\设备的初始化或配置，基于daq和visa函数库进行设计，实现包括仪器\设备的初始化或配置、仪器控制、通讯等功能。
本发明的燃气管网plc测试装置从基本测试功能、易用性、有效性等方面展开设计，其功能描述如下：
1)系统管理和用户管理功能；
2)模拟量(4-20ma)信号输出功能；
3)开关量信号输出功能；
4)以太网通信功能；
5)测试过程控制、数据解析、结果判断功能；
6)系统提供友好的人机界面；
7)测试结果保存功能；
以上是测试装置的基本功能，通过模拟现场的正常工况实现对被测系统功能的测试。除此之外，测试装置还可模拟现场的异常工况，向被测系统注入超量信号、异常信号、报警触发信号，对被测系统的功能进行更全面的测试。
为保证测试结果的正确性和有效性，测试装置还设计了自检、年检功能，可定期或不定期测试装置自检、年检测试。
本发明的燃气管网plc测试装置的软件界面采用常见测试仪器设备的界面风格，在满足输入输出功能需求的情况下，尽量确保简洁，以方便用户操作。界面中包括控制组件、物理量显示组件和数据列表显示组件，各组件说明如下：
按钮控件：软件界面控制组件包括“测试”、“停止”、“保存”、“退出”等按钮控件，用于操作人员输入控制指令，实现测试过程控制，以及测试结果的保存等功能；
仪表及数据显示控件：软件界面放置了多种仪表显示控件，用于显示系统采集到的现场物理量，通过图形化和数字化多样显示，使用户获取信息更直观；
数据列表显示控件：通过数据列表的方式将各测试点、测试项的预期值、实测值、偏差值、判定结果等信息进行汇总显示，用户可以集中查看全部测试信息。
本发明的燃气管网plc测试方法的操作流程如下：
1)执行测试
由于测试装置对被测对象的测试属于离线测试，故测试之前，必须确保被测对象(站控系统)已处于离线模式，正确连接测试装置与被测对象，规范操作，测试结束，断开测试装置与站控系统的所有连接；
2)测试统计
测试过程中，由于被测对象的误动率较小，单样本情况下，通常需要进行较长时间的测试，才能获得有效数据；为了提升测试效率，考虑到被测对象为plc，有非常多的i/o点，因此，可以“ai/di-控制器-do”为单一控制回路，搭建10个及以上同样的控制回路进行测试，这样能够快速累积误动统计数据，使得以年为单位测试活动，可以缩短至一个多月完成；
3)测试装置自检
在每次使用数据采集与监视控制系统(scada)功能安全测试装置之前，建议测试装置使用方对装置进行自检操作，以便确认测试装置功能正常，根据自检接线说明将自检线缆正确连接之后，在软件界面的菜单栏中选择自检选项，测试装置将进入自检模式；
4)测试装置年检
数据采集与监视控制系统(scada)功能安全测试装置使用达到一年时，为保证测试装置的采集、输出精度，需要对测试装置进行年检操作，年检主要是检测ao、ai板卡的精度是否有偏差。
本发明的燃气管网plc测试装置，在每次测试完成后，会自动生成并保存测试报表，报表格式为excle或txt，报表内容包括站点信息、测试人员信息、测试时间、测试项目、测试过程数据、测试结果等。
如图4所示，为本发明燃气管网plc测试装置的结构示意图。
本发明应用实施例：
本发明燃气管网plc测试装置对某燃气管网plc进行测试，被测对象为门站plc的“di-主控制器-do”控制回路，涉及8个di通道、1个被测主控制器和8个do输出。
将本发明装置的dio板卡的do输出端与被测对象的di板卡相连、将dio板卡的di输出端与被测对象的do板卡相连。
计划由本发明向被测对象输入“不动作”开关信号1440小时，同时回读被测对象的输出状态。
最终测试时间为300天，即7200小时，总共测试8个“di-主控制器-do”控制回路，累积测试时间ttest＝7200*8＝57600，出现1次误动作，xfs＝1，因此误动率r_singlefs＝xfs/ttest＝6.57次/年。
本发明的燃气管网plc测试方法的关键在于误动率统计方法，能够有效排除拒动对统计结果的影响；能够根据被测对象的误动率测试结果，应用概率统计理论，推断出实际系统的误动率，节省了测试成本，测试精度也有保证。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
1.一种燃气管网plc误动率测试装置，其特征在于：主要包括机箱、控制器、模拟量输出板卡、数字输出信号板卡和测试线缆；其中，控制器位于机箱内，控制器分别与模拟量输出板卡、数字输出信号板卡相连接；模拟量输出板卡通过测试线缆与被测试对象的模拟量输入板卡相连接，数字输出信号板卡通过测试线缆与被测试对象的数字输入板卡相连接，被测试对象的模拟量输入板卡、数字输入板卡与其主控单元相连接，主控单元通过以太网端口与测试装置中的控制器相连接。
2.根据权利要求1所述的燃气管网plc误动率测试装置，其特征在于：所述机箱为pxi机箱，所述控制器为pxi控制器。
3.根据权利要求2所述的燃气管网plc误动率测试装置，其特征在于：所述模拟量输出板卡为八路，的述数字输出信号板卡为八路。
4.根据权利要求3所述的燃气管网plc误动率测试装置，其特征在于：所述燃气管网plc测试装置还包括人机交互模块、定制用户测试流程模块、数据管理模块、仪器设备接口驱动模块；人机交互模块包括设备控制模块和设备及测试状态监测模块；定制用户测试流程模块包括命令关联模块、设备命令集模块和用户规则设置模块，命令关联模块、设备命令集模块和用户规则设置模块均与用户数据管理模块相连接，并通过用户数据管理模块与数据存储模块相连接；数据管理模块包括用户数据管理模块和设备数据管理模块，其中，用户数据管理模块分别与设备控制模块、数据存储模块以及定制用户测试模块相连接，设备数据管理模块分别与设备及测试状态监视模块和数据存储模块相连接；数据存储模块分别与硬件设备接口驱动模块和现场信息读取模块相连接。
5.权利要求1-4中任一项所述燃气管网plc误动率测试装置用于测试燃气管网plc误动率的方法，其步骤如下：
(1)确定被测对象，与燃气管网plc误动率测试装置进行连接；
(2)对测试装置施加交变的测试信号，为触发信号和非触发信号交替输出给被测对象；
(3)测试过程中，实时采集拒动测试结果和误动测试结果，当被测对象出现拒动类故障或者误动类故障时，停止测试，记录误动xfs和拒动次数xfd和累积运行时间ttest；
(4)统计被测对象误动率，如下式(1)所述：
r_singlefs＝xfs/ttest(1)
故障统计完成，排除故障，继续进行测试；
(5)推算实际系统误动率，实际运行的系统，可能是由被测对象冗余搭建而成；假设冗余架构为moon，即有n重冗余，m个通道动作时，系统动作，则实际系统的误动率按照下述公式进行计算：
6.根据权利要求5所述的用于测试燃气管网plc误动率的方法，其特征在于：步骤(1)中的连接为i/o信号连接，具体为测试装置的ao、do信号线连接被测对象的ai和di信号线，实现信号输入；测试装置与被测对象进行通信连接，实现被测结果输出。
7.根据权利要求6所述的用于测试燃气管网plc误动率的方法，其特征在于：步骤(2)中的测试具体如下：测试装置的模拟量输出板卡输出4-20ma模拟量交变信号，一拍超阈值，一拍低于阈值，通过硬接线和被测对象的模拟量输入端口送入主控单元控制器，主控单元控制器发出的数据包通过以太网端口发送至测试装置的控制器，测试系统的软件按照预定的以太网协议对数据包进行解析、转换、分析，判断被测对象的模拟量采集功能是否正常，或是出现拒动或误动故障。
8.根据权利要求7所述的用于测试燃气管网plc误动率的方法，其特征在于：步骤(2)中的测试具体如下：测试装置的数字输出信号板卡输出开关量交变信号，一拍为“0”，一拍为“1”，通过硬接线和被测对象的数字输入信号端口发送至被测试对象的主控单元的控制器，用以模拟现场阀门开关、门禁开关等开关量信号，被测试对象的主控单元的控制器发出的数据包通过以太网端口向测试装置的控制器发出，测试系统的软件按照预定的以太网协议对数据包进行解析、转换、分析，判断被测对象的数字量采集功能是否正常，或是出现拒动或误动故障。
9.根据权利要求8所述的用于测试燃气管网plc误动率的方法，其特征在于：测试装置模拟智能仪表向现场控制器发送模拟量数据，通过以太网端口接收现场控制器发出的数据包，测试系统的软件按照预定的以太网协议对数据包进行解析、转换、分析，判断测试装置的与plc的通信功能是否正常。
技术总结