构建数字工控“安全盾”！工业控制系统仿真测试环境解决方案

健康生活 2025年08月08日 10:58 1 admin

工业控制系统是现代工业的“神经中枢”，其重要性贯穿于关键基础设施运行、经济发展与国家安全等多个维度。工业控制系统已从单纯的生产工具，演变为国家基础设施安全、经济竞争力与科技实力的重要标志。其重要性不仅体现在物理层面的设备控制，更渗透于网络安全、能源安全、产业链自主可控等战略维度。在“智能制造”与“数字中国”战略下，强化工业控制系统的技术创新与安全保障，是推动工业高质量发展、维护国家战略安全的必由之路。

一、总体功能

工业控制系统的测试验证需要基于半实物仿真技术来模拟现场运行环境，通过对工业控制系统进行功能测试、压力测试，提前发现程序漏洞，避免因控制逻辑错误导致设备失控；通过模拟量产环境的全流程测试，提前暴露硬件兼容性问题或软件兼容性冲突。工业控制系统的测试验证需构建“功能、性能、安全、可靠”的四维验证体系，通过覆盖设计、开发、部署全周期的测试流程，确保工业控制系统在复杂工业环境中能够满足生产需求。

为满足不同行业的工业控制系统的测试验证需求，我司推出了工业控制系统仿真测试环境解决方案。

工业控制系统仿真测试环境的总体功能为：

通过仿真现场传感器信号，可模拟现场运行环境中的正常和异常情况；
通过模型仿真不便在试验室部署的执行机构，能够实现全系统模拟，实现系统功能、性能测试；
支持分布式测试，可按工业控制系统实际部署节点进行全规模测试验证；
通过故障注入单元模拟现场运行环境中可能出现的各种物理层故障，以检验工业控制系统的应急处理机制；
可模拟工业控制系统的实际工作流程，检验分布式控制器之间的协同工作能力。

二、硬件架构

工业控制系统仿真测试环境的硬件架构如下图所示，其主要原理为：

测试主机、测试终端、被测控制系统通过通信控制网实现数据交互，通过时钟同步网实现时钟同步；
测试主机控制多个测试终端，安装多种接口板卡，实现对多种现场传感器信号的模拟，并采集控制器输出的信号；
测试终端上加载执行机构模型，基于采集到的控制器输出信号驱动模型工作，并可将模型输出转换为实际信号反馈给控制器；
通过故障注入单元实现对控制器输入输出信号的物理层故障模拟；
通过信号调理转接单元实现信号调理、负载模拟和信号转接。

三、功能架构

工业控制系统仿真测试环境的实现原理如下图所示。系统功能的实现需要依托我司的测试系统集成开发环境ETest和实时仿真软件SimuRTS。其中，SimuRTS负责模型的加载，辅以接口板卡实现基于模型的仿真设备；ETest负责对故障注入设备的程控、信号监控、信号激励和信号采集，以及基于API对SimuRTS的功能调度。

四、系统布局

工业控制系统仿真测试环境的整体参考布局如下图所示。测试主机、测试终端、故障注入设备、信号调理转接设备安装在一台机柜上；另一台机柜上用于放置被测控制系统；操作台提供测试人员的工作席位，其上布置显示器、键鼠。

五、软件平台

1、测试系统集成开发环境ETest

（1）主要功能

测试系统集成开发环境ETest主要用于支持系统各级单体设备、分系统、系统级半实物仿真测试工装的快速设计与开发，也可用于支持系统各级设备检测设备软件的快速设计与开发工作。系统针对设备交联关系描述、总线通信协议、传感器与执行器映射、功能逻辑开发提供了基础服务，可以大幅减轻设计和开发各类半实物仿真测试设备的开发难度，为复杂交联环境下装备测试软件的开发提供集成化的开发环境。

在本仿真测试环境中，ETest主要提供如下主要功能。

软件主要功能

（2）软件架构

测试验证环境的软件架构如下图所示。软件架构主要包括开发层、服务层、通信层、执行层、驱动层。

软件架构图

1)开发层：基于软件设计器为用户提供多种管理和设计模块，包括项目管理、测试需求管理、测试资源管理、ICD管理、测试用例设计、测试脚本开发、测试界面设计、数据激励、数据实时监控。

2)服务层：基于后端服务ETestS桥接上位机软件与执行器，提供数据库管理、网络服务、系统模块、数据记录、系统模块等服务。

3)通信层：基于虚拟软总线技术，支持软件系统以任意拓扑结构进行组网，可根据实际需求动态添加或移除设备，而不会影响整个系统的正常运行。

4)执行层：基于EtestX执行器，作为测试验证引擎，其主要模块及其功能说明如下：

脚本执行引擎：执行上位机下发的测试脚本，接收上位机下发的脚本执行控制指令（启动、停止），并反馈脚本执行状态；
ICD激励引擎：基于ICD文件，对拟发送的数据进行组包，按照上位机下发的数据激励策略，将拟发送的数据交给I/O模块进行处理；
软件仿真引擎：按照仿真配置，执行FMU模型，确保模型执行的时性和正确性，接收上位机下发的仿真控制指令（启动、停止），并反馈模型执行状态；
硬件仿真引擎：按照仿真配置，将FPGA算法进行编译，并下发给FPGA芯片，接收上位机下发的仿真控制指令（启动、停止），并反馈FPGA算法执行状态；
异步循环引擎：支持实现多节点多模型多通道异步执行，支撑多源异构模型的分布式联合仿真场景；
协议解析器：基于ICD对总结接口接收的数据进行解析；
实时任务调度：根据实时任务的优先级，在中断服务程序入口函数中进行当前任务优先级与中断线程优先级的比较，从而保证实时性高的任务不被打扰，优先级高的中断能立即响应；
I/O模块：接收脚本传递的数据收发参数信息，解析后交给硬件驱动进行处理，以实现数据收发。

5)驱动层：基于驱动适配器，实现对硬件驱动的抽象化封装，对编程人员屏蔽硬件驱动接口的差异。

（3）软件界面布局

测试验证环境软件的整体界面布局如下图所示。

软件界面布局图

软件界面布局主要包括工具栏、功能管理区、功能编辑区/测试开发区、信息输出区、状态栏。

1)工具栏：工具栏提供一系列功能入口，如下表所示。

2)功能管理区：点击工具栏的某个功能按钮后，将在功能管理区展示树形结构管理区，可以在树形结构上创建、删除功能元素。

3)功能编辑区/测试开发区：点击功能管理区树形结构上的功能元素后，将在该区域展示功能编辑区。针对测试开发功能，将在该区域展示测试脚本开发区。

4)信息输出区：输出测试执行的状态信息，以及在测试脚本里拟输出的打印信息。

5)状态栏：提供Python版本、项目错误/警告信息、下位机连接状态、执行控制等信息。

2、实时仿真软件SimuRTS

（1）主要功能

SimuRTS是一款实时仿真软件，可满足快速控制原型验证、半实物仿真、自动化测试等对时效性要求高的应用场景需求。SimuRTS实现对VeriStand、dSPACE、SpeedGoat等国外同类软件的替代，广泛应用于航空航天、武器装备、工业控制、汽车电子、仪器仪表等行业。SimuRTS支持硬件实时仿真功能和软件硬实时仿真功能。硬件实时仿真功能，需要SimuRTS将模型算法加载到仿真硬件设备的FPGA中运行，实现㎲级别的实时仿真。软件实时仿真功能，依托于实时操作系统，实现仿真步长为ms级别的实时仿真。

在本仿真测试环境中，SimuRTS主要提供如下主要功能。

软件主要功能

（2）软件架构

分布式联合仿真系统的软件架构如下图所示。软件架构主要包括功能层、服务层、通信层、执行层、驱动层。

软件架构图

1)功能层：为用户提供多种功能模块，包括工程管理、ICD管理、仿真节点管理、仿真控制、仿真监视、动态调参、数据分析、数据管理等。

2)服务层：基于后端服务ETestS桥接上位机软件与执行器，提供数据库管理、网络服务、系统模块、数据记录、系统模块等服务。

3)通信层：基于虚拟软总线技术，支持软件系统以任意拓扑结构进行组网，可根据实际需求动态添加或移除设备，而不会影响整个系统的正常运行。

4)执行层：基于EtestX执行器，作为测试验证引擎，其主要模块及其功能说明如下：

脚本执行引擎：执行上位机下发的测试脚本，接收上位机下发的脚本执行控制指令（启动、停止），并反馈脚本执行状态；
ICD激励引擎：基于ICD文件，对拟发送的数据进行组包，按照上位机下发的数据激励策略，将拟发送的数据交给I/O模块进行处理；
软件仿真引擎：按照仿真配置，执行FMU模型，确保模型执行的时性和正确性，接收上位机下发的仿真控制指令（启动、停止），并反馈模型执行状态；
硬件仿真引擎：按照仿真配置，将FPGA算法进行编译，并下发给FPGA芯片，接收上位机下发的仿真控制指令（启动、停止），并反馈FPGA算法执行状态；
异步循环引擎：支持实现多节点多模型多通道异步执行，支撑多
源异构模型的分布式联合仿真场景；
协议解析器：基于ICD对总结接口接收的数据进行解析；
实时任务调度：根据实时任务的优先级，在中断服务程序入口函数中进行当前任务优先级与中断线程优先级的比较，从而保证实时性高的任务不被打扰，优先级高的中断能立即响应；
I/O模块：接收脚本传递的数据收发参数信息，解析后交给硬件驱动进行处理，以实现数据收发。

5)驱动层：基于驱动适配器，实现对硬件驱动的抽象化封装，对编程人员屏蔽硬件驱动接口的差异。

（3）软件界面布局

分布式联合仿真系统软件的整体界面布局如下图所示。

软件界面布局图

软件界面布局主要包括工具栏、功能管理区、功能编辑区/测试开发区、信息输出区。

工具栏：工具栏提供一系列功能入口，主要包括：设计、仿真、分析、资源管理。
功能管理区：点击工具栏的某个功能按钮后，将在功能管理区展示树形结构管理区，可以在树形结构上创建、删除功能元素。
功能编辑区：点击功能管理区树形结构上的功能元素后，将在该区域展示功能编辑区。
信息输出区：输出功能执行时的状态信息、警告信息、错误信息等。

六、应用领域

工业控制系统仿真测试环境适用于多种行业的控制系统的测试验证，典型应用领域包括但不限于：

核工业分布式控制系测试验证；
风电/光伏逆变器并网控制测试；
石化行业安全仪表系统认证测试；
智能制造柔性生产线测试验证；
车网路一体化控制系统验证；
工业控制系统互操作性验证平台。

凯云提供的“工业控制系统仿真测试环境解决方案”，深度融合了先进的半实物仿真技术、分布式测试架构与国产化核心软件平台（ETest与SimuRTS）。该方案旨在构建覆盖“功能、性能、安全、可靠”四维度的工业控制系统综合验证体系，精准模拟复杂现场环境，支持从信号级模拟、故障注入到全流程系统仿真的全方位测试需求。

本方案能够高效满足核电、新能源、石化、智能制造、车联网等关键领域对工业控制系统进行高置信度验证的迫切需求，助力客户在产品设计、开发与部署全生命周期中提前发现问题、优化性能、保障安全，最终提升工业控制系统的自主可控水平和核心竞争力。

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