基于_We_b_和S72300_PL_C_的远程控制实验室系统

第35卷第1期 2007年2月 浙 江 工 业 大 学 学 报 JOURNAL OF ZHEJ IANG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol. 35 No. 1 Feb. 2007 收稿日期:2006209214 基金项目:浙江省新世纪高等教育教学改革研究项目(yb04013) 作者简介:潜立标(1981 ) , 男,浙江缙云人,硕士研究生,主要从事远程监控、 计算机先进控制等研究. 基于Web和S72300 PLC的远程控制实验室系统 潜立标,杨马英,俞 立,顾志刚,朱晨亮 (浙江工业大学 信息工程学院,浙江 杭州310032) 摘要:针对当前实验室普遍出现实验场地或新设备不够的问题,总结和借鉴了国内外网络实验室的 现状和经验,提出并实现了一种以S72300可编程逻辑控制器作为基本控制装置,以OPC作为软硬 件通讯接口,以Profibus现场总线、 工业以太网和Internet作为通讯枢纽,并利用Java Applet , JavaScript ,JSP等交互式动态页面技术实现友好实验平台的远程实验室系统.最后以远程控制过 程液位对象为例,通过登陆友好的远程控制实验室系统,成功地实现了对实验装置的控制,证明了 该远程实验室系统的可行性. 关键词:远程实验室;Java Applet ;OPC;PLC;现场总线 中图分类号:TP273 文献标识码:A文章编号:100624303(2007)0120073205 Remote control laboratory system based on Web and S72300 PLC QIAN Li2biao , YAN G Ma2ying , YU Li , GU Zhi2gang , ZHU Chen2liang (College of Information Engineering , Zhejiang University of Technology , Hangzhou 310032 , China) Abstract : Now lacking of lab space or new equipments in the lab are becoming a widespread prob2 lem. Summarizing and referring the networked laboratories home and abroad , the remote labora2 tory system which is based on S72300 PLC controller is brought forward and realized. The OPC as its communication interface ,and Profibus , industrial Ethernet and Internet as its communica2 tion ways are used in this system. The human2machine interface is developed using Java Applet , JavaScript , JSP and so on , which are dynamic Web technologies. A case of remote level control of the pilot tank is described. Through logging in the remote laboratory system friendly , the ex2 perimental equipments are controlled successfully. The feasibility of this system is proved. Key words : remote experiment ; Java Applet ; OPC; PLC; spot bus 0 引 言 经过数年的高校扩招,实验室问题已经越来越突 出.许多高校实验室资金紧张,不能及时更新实验设 备;实验室场地不够,学生做实验只能分批、 分时复用 实验设备.虽然通过观看实验录像或实物实验的方式 可以给学生一定的感性认识,但是这种 “看” 实验方式 比起 “做” 实验方式,对学生工程实践能力的培养总是 不够的.为解决这一棘手问题,人们提出了基于计算 机、 通讯、 多媒体、 计算机仿真等技术的 “网络实验”. 网络实验是指用户通过局域网(如校园网)或Internet 做实验.提供网络实验的环境称为网络实验室.网络 实验室除了包含网络实验之外,常常还提供了实验相 关帮助信息、 实验背景介绍和学术交流平台 BBS 等.根据实验对象的不同,网络实验分为远程实验和 虚拟实验.其中,远程实验以学校、 设计院、 研究所等 机构实验室内实物作为实验对象;虚拟实验则以 Matlab、LabVIEW等仿真软件所建立的仿真模型作 为实验对象.远程实验提高了实验设备的利用率,有 效的解决了实验室问题.虚拟实验由于技术实现上可 以让多用户同时实验,并且通过忽略次要问题,让学 生快速学会解决主要问题的方法,是远程实验的有效 补充.目前,国内外许多专家学者都对远程实验室或 虚拟实验室进行了研究和开发. 在国内,对于远程实验室的研究基本上还局限于 C/ S模式.中国科技大学物理系1、 大连理工大学机 械工程学院2、 上海交通大学电子信息学院3及浙江 大学等都研制出了基于C/ S架构的远程实验系统4. 其中,中国科技大学研制的远程实验系统已经实现让 用户通过访问网页观看实验过程(B/ S) ,但要对实验 进行操作还是需要安装专门的软件(C/ S) . 在国外,研究基本上都上升到B/ S模式层次,如新 加坡国立大学527、 意大利锡耶纳大学8211、 美国德克萨 斯州立大学12、 美国查塔努加田纳西州大学13开发的 远程实验系统均采用了B/ S架构.其中新加坡国立大 学、 美国查塔努加田纳西州大学以LabVIEW作为核心 软件,负责实现复杂控制算法、Web服务等功能;意大 利锡耶纳大学和加拿大多伦多大学采用Matlab作为 核心软件,分别开发了可以选择或自定义控制器的 ACT和根据实际对象实验数据实现3D模型显示并提 供离线数据下载的远程实验室. 笔者对国内外远程实验室系统讨论的基础上, 提出并实现了一种以S72300可编程逻辑控制器作 为基本控制装置,以OPC作为软硬件通讯接口,以 Profibus现场总线、 工业以太网和Internet作为通 讯枢纽,利用Java Applet ,JavaScript ,J SP等交互式 动态页面技术实现远程实验平台的远程实验方 案 基于Web的控制系统远程实验(Web2based Remote Laboratory for Control System , WLab2 CS) .然后以远程控制过程液位对象为例,证明了该 远程实验室系统的可行性. 1 WLAB2CS的设计与开发 1. 1 WLAB2CS总体设计 1. 1. 1 WLAB2CS硬件结构设计 WLAB2CS比起一般的虚拟实验系统要复杂的 多,它属于从B/ S结构发展而来的多层体系结构(图 1) .一方面,从地理位置上看,远程用户、Web服务器、 RLab Server等专用服务器和数据库组成了四层体系 结构;另一方面,从通讯协议上看,由于本方案采用的 基本控制装置是现场总线和带有工业以太网接口模 块CP34321的S72300可编程逻辑控制器,Internet/ Ethernet ,Profibus2DP和Profibus2PA分别组成了信 息层、 控制层和设备层三层体系结构.整个系统由客 户端PC、Web服务器、 远程实验专用服务器(RLab Server)、 设备服务器(OPC Server) 、 视频服务器和数 据库服务器等组成.根据系统扩展性需要,可以针对 不同的控制对象开发新的设备服务器.对应的RLab Server只要在其实验管理功能上添加一些新实验,而 不用做任何程序上的修改,因为OPC客户端是统一 的.需要指出的是以上所列的服务器不一定就是一台 台独立的计算机,它们可能只是逻辑上的分开,也可 以是计算机上运行着的多个进程或服务. 图1 WLAB2CS硬件结构 Fig. 1 The hardware structure of WLAB2CS WLAB2CS的设备服务器(IPC)与S72300 PLC 数据交互实现了两套冗余的通讯方式:其一为IPC 通过CP1613卡与PLC的扩展模块CP34321进行 工业以太网协议通讯;其二为IPC通过CP5611卡 与PLC的DP通讯口进行S7 ,Profibus2DP等现场 总线协议通讯.客户端PC可以在实验室局域网、 校 园网或Internet访问远程实验室网站并做实验.由 于用户做实验不受时间和地点的限制,充分发挥了 用户的主观能动性,也让有限的实验设备得到了更 有效的分时复用. 1. 1. 2 WLAB2CS软件结构设计 WLAB2CS软件结构设计见图2.远程实验用户 47浙 江 工 业 大 学 学 报第35卷 根据用户名和密码登陆WLAB2CS网站后,通过Ja2 va Applet的Socket提交实验参数(控制命令、 控制 器参数等)给实验室服务器RLab Server.此时,Java Applet会简单判断用户的输入信息(如数据类型 ) . 如果输入有误,则及时提示错误信息. RLab Server 侦听的端口接收到实验信息后,解析并提取实验信 息,经过一定处理后(如判断是否已经有用户在做实 验、 复杂控制算法实现、 日志记录等 ) , 通过OPC接 口传递给PLC. PLC是主要控制器,负责简单控制 算法实现,并将控制对象信息经OPC接口传回给 RLab Server. RLab Server除了可以对实时和历史 实验数据在本地显示之外,还可以将它们分别以一 定的格式保存进XML和文本文件内.其中,XML 文件保存实时数据,客户端可以取用并显示;文本文 件保存每次实验的历史数据,用户可以下载数据并 离线分析.客户端浏览器Java Script脚本定时读取 XML数据,并将数据送给Java Applet.最后Java Applet以曲线和数据形式显示实验结果.用户还可 根据网络带宽决定是否启动视频流监控. 图2 WLAB2CS软件结构 Fig. 2 The software structure of WLAB2CS 1. 2 控制器和通讯网络的选择 远程实验系统是一个让远程用户控制本地实验 设备的系统.这样一个系统就对控制器提出了稳定、 可靠、 鲁棒性好等要求. PLC (Programmable Logic Controller)是计算机最新技术与工业自动化经典理 论相结合的产物,是一种自动化控制领域重要的控 制设备.它通过光电隔离I/ O接口模块、R2C滤波输 入、 屏蔽各个模块、 自诊断、 双CPU冗余等手段基 本上满足了远程实验系统提出的要求.目前,PLC 产品已在汽车(23 %)、 粮食加工(16. 4 %)、 化学/制 药( 14. 6 %)、 金 属/矿 山(11. 5 %)、 纸 浆/造 纸 (11 1 3 %) 等行业广泛应用. PLC的发展除了功能越来越多、 集成度越来越高 外,网络功能也越来越强.选择好控制器之后,选择数 据的传输方式 通讯网络也是非常重要的.网络是 发展趋势,一个好的网络系统可以大大降低成本.西 门子根据不同自动化水平的要求(工厂级、 单元级、 现 场和传感器/执行器级 ) , 提供了网络解决方案,包括 多点接口(MPI)、Profibus、 工业以太网、ProfiNet (基 于工业以太网)、 点对点连接(PtP)、 执行器/传感器 接口(ASI) .目 前, Profibus已 经 成 为 德 国(DIN 19245)乃至整个欧洲(EN 50170)的标准现场总线 ,它 也是国际承认标准现场总线之一,目前已是在中国市 场占有率最高的现场总线.它的开放性支持了绝大多 数PLC和过程I/ O设备.专家Edgar Kster预测,到 2008年,安装Profibus节点设备将达到两千万. 文献14 以西门子的S72300 PLC作为控制 器,以WinCC组态作为上位机监控软件,并分别用 MPI和Profibus现场总线实现了上下位机的通讯, 实现了一个可长期可靠运行的自动化控制系统. WLAB2CS是一个需要长期运行的服务性系统,它 一旦运行一般需要持续运行长达好几天甚至几个星 期,于是选择一个稳定可靠的控制器是必须的.为了 确保WLAB2CS系统稳定长期运行,选择了西门子 S72300 PLC作为控制器,Profibus作为上下位机和 I/ O设备等之间的主要通讯介质. 1. 3 客户端实验平台的设计 WLAB2CS系统网站是遵循了稳定、 可靠、 安 全、 可扩展、 开放性等原则进行设计的.为了开发出 友好的人机交互界面,实验界面采用功能强大的跨 平台网络编程语言Java编写,并以Applet形式嵌 入到网页当中.将Java双缓冲技术与多线程技术相 结合,实现动态数据波形曲线显示.用户可以通过 Applet设定各种参数(如控制器参数 ) . 此外,整个 网站的开发还融合JSP(Java Server Pages)、JavaS2 cript、XML (eXtensible Markup Language)和JDBC 等技术.网站包括系统介绍、 实验选择、BBS、 相关链 接和网站管理等子系统. 1. 4 服务器的设计 1. 4. 1 Web服务器 路由器将80端口映射到Apache Web服务器 上. Web服务器侦听80端口并响应HTTP请求. Web服务器是一台负责提供WLAB2CS网页(包括 HTML、JSP等)的计算机.当它接收到一个HTTP 请求后根据用户权限,判断是否要为用户下载Java Applet客户端实验界面.此外,路由器将端口8833 和5050分别映射到了远程实验专用服务器和视频 57 第1期潜立标,等:基于Web和S72300 PLC的远程控制实验室系统 服务器侦听的端口.客户端可以根据权限直接通过 Socket与这些服务器进行TCP或UDP数据交互. 1. 4. 2 远程实验专用服务器 远程实验专用服务器(RLab Server)负责侦听 和接收客户端的控制和数据信号,并负责各种复杂 控制算法的实现.根据客户控制算法的选择和控制 参数的设定计算得到上位机的输出(如设定值、 控制 器参数等 ) , 通过OPC接口实现对实际对象的监控. 同样的,对象系统的实时数据被采集后也是通过 OPC接口经过RLab Server返回到客户端,同时把 每个实验的历史数据以文本文件的形式保存下来, 为用户提供离线数据下载. RLab Server通过简单 排队管理保证在同一时刻最多只能有一个用户可以 操作实验设备,其他用户可以读取XML实时数据 文件,所以可有多个用户同时获得实验结果. RLab Server除了通过OPC接口实现与S72300 PLC进行 通讯和远程用户和数据管理外,还实现了实验管理、 网络管理、 软件使用帮助等功能. 1. 4. 3 设备服务器 OPC(OLEfor Process Control)是以OLE/ COM/ DCOM机制作为应用程序级的通信标准. OPC技术 的实现包括两个组成部分,即OPC Server和OPC Client. OPC Server是一个典型的现场数据源程序,它 收集现场设备数据信息,通过标准的OPC接口传送 给OPC Clients. OPC Client是一个典型的数据接收程 序. OPC Client通过OPC标准接口与OPC Server通 信,获取OPC Server的各种信息.只要符合OPC标准 的所有客户应用程序都可以访问来自任何生产厂商 的标准OPC服务器程序.与基于Windows信息传递 技术建立起来的DDE(Dynamic Data Exchange)技术 相比,OPC技术的优越性是显然的,例如数据传输速 度更快(尤其是在客户数多时)、 更安全、 开发成本更 低、 可靠性更高等. OPC可以看成是软总线,增加 OPC服务器或OPC客户端就像增加总线节点那么简 单.于是有人把OPC定义为Openness ,Productivity and Connectivity (即开放性、 产业性和互连性 ) . 文献 15除了采用S7 PLC作为控制器之外,采用了两个 OPC服务器分别实现了PLC与PC之间进行数据交 互和实时数据库数据的存取. WLAB2CS让西门子公 司提供的OPC. Simatic NET OPC Server来负责PLC 与RLab Server之间相关数据的传递.通过Step7和 SIMATIC NET可以快速实现OPC服务器的配置. 1. 4. 4 视频服务器 视频服务器通过5050端口进行侦听远程客户 端用户连接请求和控制命令.并根据权限和控制命 令通过串口实现对云台的控制来间接控制摄像头的 视角和焦距.服务器对云台的控制信号由RS2232 串口输出后,经过一个232/ 485转换器进行信号转 换后再通过RS2485总线传输到各个云台上.服务 器由PCI视频采集卡来负责采集AV信号的视频 流信息,对模拟信号进行A/ D转换,对视频数字信 号进行MPEG24格式压缩后将它传给发送缓冲区 发送,并将视频信息进行本地显示和保存.其中,服 务器端的图像压缩方式为PCI视频采集卡直接硬 件压缩,而客户端解压则采用软件解压方式. 1. 4. 5 数据库服务器 数据库是指长期保存在计算机的存储设备上, 并按照某种模型组织起来,可以被各种用户应用或 共享的数据集合.它是信息系统不可或缺的工具,它 常常是信息系统的核心,且是各种软件系统的基础. WLAB2CS选择了采用客户机/服务器计算机模型 的Oracle作为后台关系数据库服务器.数据库的设 计是建立数据库及其应用系统的核心和基础,它要 求对于指定的应用环境,构造出较优秀的数据库模 式,建立起数据库应用系统,并使系统能够有效地存 储数据,满足用户地各种应用需求. WLAB2CS根据 需要建立了用户注册信息表、 权限表、 日志表、BBS 信息表、 实验室资源表等. 2 WLAB2CS实例 远程液位控制 实验 WLAB2CS的实验对象为一套FCS过程控制 系统.该系统包含了两个串级的双输入单输出水箱、 加热炉、 强制对流换热器系统、 纯滞后盘管等部件组 成.系统中采用的过程检测仪表有上、 下水箱扩散硅 压力液位传感器、 涡轮流量传感器、Pt100热电阻温 度传感器和三个Profibus2PA总线型传感器(分别 测量温度、 液位和流量 ) . 系统中采用的执行器装置 有可控硅移相调压装置、 电动单座调节阀和三菱变 频器和Profibus总线型西门子变频器.基于该实验 对象进行PLC的硬件组态和软件组态,然后通过 Step7编程实现PLC控制算法,实现单元级控制. 远程用户登陆网站后,通过提交实验PID参 数、 设定值等信息给RLab Server实现对本地实验 67浙 江 工 业 大 学 学 报第35卷 设备的控制. RLab Server根据远程用户发过来的 控制命令和实验参数,通过OPC接口控制PLC的 运行状态并获取有用信息,并将实验信息保存到 XML和文本文件内.远程用户通过读取XML里面 的实时数据或在实验结束后下载文本历史数据.图 3为采样简单PID控制液位实验界面.实验过程 PID参数分别为4 ,0. 1和0. 025 ;液位设定值从25 cm改为35 cm ,等系统稳定后再改回25 cm.整个过 渡过程的实验曲线如图3左边所示.图3右边为视 频监控界面.通过控制视频界面内 【上】【下】【左】 【右】 和 【放大】【缩小】 按钮,用户可以控制视频监控 云台的视角和焦距,达到最佳视频监控效果. 图3 WLAB2CS实验界面 Fig. 3 The experiment interface of WLAB2CS 3 结 论 该远程实验室系统一旦开发完成,用户便可以 通过访问网站的方式进行远程实验.从而可以有效 的解决实验室紧缺问题.此外,该研究对基于网络的 远程监控(包括远程智能监测和控制、 远程故障诊断 和维护等)、 远程教育、 信息家电等系统的研究都具 有深远的意义.由于计算机、 通讯和多媒体等技术都 处于方兴未艾的发展阶段,它们的发展也必将带动 远程实验室等应用领域的发展,从而可以不断改进 人们的学习、 生活和工作方式. 参考文献: 1 吕露.基于互联网的扫描探针显微镜远程控制研究J .高技 术通讯, 2000 ,10(4) :45247. 2 贾振元.远程控制快速成型加工技术研究J .大连理工大学 学报,2001 ,6 (4) :4722476. 3 王宏杰,颜国正,林良明.基于C/ S模型机器人控制器的研究 及其应用J .机器人,2002 ,24(3) :2282233. 4 庞文尧.基于C/ S模式的远程控制系统研究开发D.杭州: 浙江大学研究生院,2003. 5 KO C C , CHEN B M , HU S Y. A Web2based Virtual Labora2 tory on a Frequency Modulation ExperimentJ . IEEE Trans2 actions on Systems , 2001 , 31(3) :2952303. 6 KO C C , CHEN B M , ZHUANG C Y, et al. Development of a Web2based Laboratory for Control Experiments on a Coupled Tank ApparatusJ . IEEE Transactions on Education , 2001 , 44(1) : 76286. 7 新加坡国立大学实验室.串接水箱液位实验 EB/ OL . 20032 6218. http :/ / vlab. ee. nus. edu. sg/ vlab/ control/ index. html. 8 CASINI M, PRATTICHIZZOD, VICINO A.The automatic control telelabJ . IEEE Control Systems Magazine , 2004 ,6:36244. 9 CASINI M , PRATTICHIZZO D , VICINO A. The automatic control telelab: a remote control engineering laboratory C/ / Proceedings of the 40th I