Developing Automated Software Testing Processes for Critical PLCBased Control Systems at CERN

Abstract

Tämä opinnäytetyö dokumentoi vuoden mittaisen työn teollisen automaation automatisoitujen ohjelmistotestausprosessien kehittämisessä CERNin SY-EPC-CCSosastolla. Osaston vastuulla olevat automaatiojärjestelmät on toteutettu Siemens S7-1500 PLC:illä käyttäen CERNin yleistä automaatiosovelluskehikkoa UNICOSia. Automatisoituun ohjelmistotestaukseen ja sen eri prosesseihin käytetään osaston sisäistä Python-pohjaista testauskirjostua nimeltään Pypowerplc, jolla voidaan luoda kokonaisia CI-putkia UNICOS-pohjaisia automaatiosovelluksia varten.

Päätavoitteena oli kehittää automatisoitu ohjelmistotestausputki Super Proton Synchrotronin Päävirtalähteiden ohjaus- ja Lukitusjärjestelmälle (SPS CIS), joka on vastuussa noin 151 MW huipputehon virransyöttöjärjestelmän ohjauksesta. Koska Pypowerplc oli alun perin kehitetty toimimaan rajoitetussa kontekstissa, piti testaustyökalu refaktoroida ennen kuin pääprojektia voitiin aloittaa.

Pypowerplc:n refaktoroinnin jälkeen SPS CIS:n SMD- ja Master-automaatiosovelluksille kehitettiin erilliset testausputket. PLC-pohjaisten hajautettujen ohjausjärjestelmien järjestelmätestausta tutkittiin Mini-CIS-simulaattorin avulla. Myös automatisoituja käyttönottotestejä varten tehtiin pienimuotoinen pilottiprojekti, jossa kehitettiin testiskriptejä käyttöönoton tueksi. Automatisoidut käyttöönottotestit suoritettiin osana 2023-2024 loppuvuoden huoltoseisokkia, ja hyvien tulosten seurauksena lisäresursseja varattiin konseptin jatkokehitystä varten.

Parannettujen ohjelmistotestausprosessien myötä löydettiin useita ohjelmointivirheitä niin PLC-ohjaussovelluksista kuin myös UNICOSista. Projektin seurauksena ohjausjärjestelmien luotettavuus ja saatavuus paranivat.

This thesis documents a year-long effort in developing automated software testing processes for industrial control applications for SY-EPC-CCS section at CERN. The control applications are based on Siemens S7-1500 PLCs and the Step 7 TIA Portal ecosystem. The system utilises an in-house Python based testing framework called

Pypowerplc, that interfaces with the PLCs via OPC UA. The main objective during the project was to develop automated software testing for Super Proton Synchrotron’s Main Power Supply’s Control and Interlock System (SPS CIS), that is responsible for controlling a power delivery system operating at around 151MW of peak power. However, since Pypowerplc was initially developed to work within a limited context, the framework had to be refactored to support the new feature requirements imposed by the SPS CIS.

The Pypowerplc framework received an almost complete refactoring, making it more flexible, maintainable and effective at finding bugs within the control applications. Automated Testing was developed for two SPS CIS control applications, namely the SMD and Master projects. System Testing on PLC-based distributed control systems was also explored and a proof-of-concept test was developed with the help of MiniCIS, that is a scaled down version replica of the SPS CIS. During the development of System Testing, a new concept for Automated Commissioning Testing was born, and as a result of a pilot project, a decision was made to proceed developing the concept.

Several bugs were found within the control projects developed and maintained by SY-EPC-CCS. Unexpectedly issues were also found within the central control framework UNICOS. All of the found issues were addressed and the reliability of control systems was improved as a result.