（控制理论与控制工程专业论文）基于远程实验室的控制系统设计与实现.pdf

硕士论文基于远程实验室的控制系统设计与实现 摘要 本文依托于高校“工业控制系统综合训练平台”实验室建设项目中p l c 远程实验 室系统建设而展开研究。根据p l c 远程实验室系统的建设要求和目的，考虑到高校的 实验室状况以及社会对自动化人才的要求，从实验室教学与科研角度出发，设计仿真被 控对象远程控制系统与变频器远程控制系统。 论文首先对p l c 远程实验室系统进行了梳理，分析系统软、硬件结构与所采用的 基于w i n c cw 曲n v i g a t o r 远程实验室解决方案，总结出利用w i n c cw e bn v i g a t o r 进行 远程实验发布的流程。通过对仿真技术与变频器技术的研究，结合p l c 远程实验室软、 硬件资源，提出了基于远程实验室的控制系统设计方案，包括仿真被控对象远程控制系 统与变频器远程控制系统的总体设计、硬件设计与软件设计，并按照“工程化、标准化、 规范化”的原则，分别完成了控制系统各部分的设计任务，最后实现了通过p l c 远程 实验室网站登陆远程实验系统进行远程实验，证明基于远程实验室的控制系统设计是成 功的。论文最后对变频器矢量控制技术与基于p c 的新一代控制器w i n a c 在远程实 验室中的应用进行了探讨。 仿真被控对象远程控制系统与变频器远程控制系统的实现，扩充了远程实验室系统 的软、硬件结构，提高了p l c 远程实验室的实用性与先进性，在实验室建设方面有重 要的现实意义。 关键词：w i n c cw e bn a v i g a t o r ，远程实验室，变频器，仿真技术 a b 。t r a 饥 一 堕主鲨生 _ _ _ _ 一 一 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yd e s c r i b e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ep l cr e m o t el a b o r a t o r y s v s t e r nc o n s t r u c t i o n ，w h i c hi sb a s e do nt h el a b o r a t o r yc o n s t r u c t i o np r o j e c t “i n d u s t r i a lc o n t r o l s v s t e mc o m p r e h e n s i v et r a i n i n gp l a t f o r m ”u n d e rc o n s i d e r a t i o no ft h et h es i t u a t i o na b o u t c h i n e s ec o l l e g e1 a ba n dt h ed e m a n do fo u rc o u n t r yf o r t h ep e o p l ew i t ha u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n ta n da i mo fl a bt e a c h i n ga n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h ，t h ea u t h o r d e s i g n st h es i m u l a t e dc o n t r o lo b je c tr e m o t e c o n t r o ls y s t e ma n di n v e r t e rr e m o t ec o n t r o l s y s t e m f i r s t l v t h e s i sc o o r d i n a t e st h ep l cr e m o t ec o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z e st h es o f t w a r ea n d h a r d w a r es t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，a n dt h er e m o t el a b o r a t o r ys o l u t i o n sb a s e do nw i n c cw e b n v i g a t o r s u m m a r i e st h ep r o c e s so fr e m o t ee x p e r i e m e n tr e l e a s e b a s e do nw i n c cw e b n v i g a t o r b vt h ea n a l i z a t i o nt ot h es i m u l a t i o na n d i n v e r t e rt e c h n o l o g y ，a n du n d e rt h es o f t w a r e a n dh a r d w a r er e s o u r c eo ft h ep l cr e m o t el a b o r a t o r y , t h e s i sp u tf o r w a r dt h ec o n t r o ls y s t e m d e s i 星皿p l a n ，w h i c hi sb a s e do nt h er e m o t el a b o r a t o r y , i n c l u d i n gt h eg e n e r a ld e s i g n ，h a r d w a r e d e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no ft h es i m u l a t e dc o n t r o lo b j e c tr e m o t ec o n t r o ls y s t e m a n di n v e r t e r r e m o t ec o l l t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt o “e n g i n e e r i n g ，s t a n d a r d i z a t i o n ，n o r m a l i z a t i o n ”， c o m p e l e t et h ep a r t i a ld e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m t h e n ，r e a l i z et h er e m o t ee x p e r i e m e n tb y t h ep l cr e m o t ee x p e r i e m e n ts y s t e m ，a t t e s tt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do i lr e m o t e l a b o r a t o r ys u c c e s s f u l l y a tl a s t ，t h e s i ss t u d i e st h ea p p l i c a t i o no fi n v e r t e rv ct e c h n o l o g ya n d p c 。b a s e dc o n t r o l l e r , w i n a c t h er e a l i z a t i o no fs i m u l a t e dc o n t r o lo q e c tr e m o t ec o n t r o ls y s t e ma n di n v e r t e rr e m o t e c o n t r o ls y s t e me x t e n dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o n s t r u c t r u eo ft h er e m o t el a b o r a t o r y , a n d i m p r o v et h ep r a c t i c a l i t y a n da d v a n c e m e n to ft h ep l cr e m o t el a b o r a t o r y , h a v ei m p o r t a n t r e a l i s t i cs i g n i f i c a n c eo n1 a bc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s - w i n c cw e bn a v i g a t o r , r o m o t el a b o r a t o r y , i n v e r t e r , s i m u l a t i o n i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：牡力叩年 月g 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：盛盎加忤钼名日 硕士论文基于远程实验室的控制系统设计与实现 1 绪论 1 1 引言 1 9 4 6 年，美国福特公司的机械工程t j 矸j d s 哈德首先提出了“自动化”一词，并用来 描述发动机汽缸的自动传送和加工过程。随后，关于自动化的定义越来越精确。当今， 一般认为自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对生产 过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策的技术【1 1 。 目前，自动化技术应用已经深入到社会的各行各业中，其中最显著的就是工业生产 中的应用。工业自动化是伴随着自动化技术的发展而发展的，特别是1 9 6 9 年，美国数字 设备公司( d e c ) 研制出世界上第一台p l c ( 可编程逻辑控制器) 以来，工业自动化技 术的发展更是日新月异。正是由于p l c 可靠性高，抗干扰能力强，功能完善以及适用性 强，使得其在工业自动化的各个应用领域中发挥着巨大的作用。而与之相适应的各种工 业自动化技术也应运而生，例如仿真技术、变频器技术、网络通讯技术等等。以工业自 动化领域应用的网络通讯技术而言，经过3 0 多年的发展，各种网络技术、通讯协议都得 到了普及与发展，其中现场总线就包括f f 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 、h a r t 等等。 而随着计算机网络的普及，i n t e m e t 在工业自动化领域的应用也逐渐受到人们的重视，在 工业自动化控制系统中的应用也越来越广泛。 1 2 论文背景及意义 在自动控制技术飞速发展的形势下，为了培养符合社会要求，具有高素质的工程研 究应用型人才，高校应当及时吸收科学技术和社会发展的新成果，将先进的技术应用到 实验室建设中，从而跟上国际工业技术发展的步伐，让学生在第一时间感触到技术的革 新并掌握工程研究应用的技术。但是目前，高校的培养计划和教学内容由于诸多因素制 约，滞后于社会对技能型人才的要求【2 】。 正在建设的工业控制综合训练平台正是在这种情况下本学院提出的一种工业自动 化教学解决方案，特别是针对实验室建设中存在的困难，设计了基于w e b 的p l c 远程实 验室系统，从一定程度上提高了实验室设备利用率，减少了学生实验在时间和空间上的 限锖0 。 基于以上背景，作者对基于远程实验室的先进工业技术进行研究，并在远程实验室 条件下设计相应的工业控制系统。由此，一方面，检验研究成果，并探讨在实验室条件 下相关技术的实现环境，增强远程实验室的先进性；另一方面，通过相应控制系统的设 计，探索学生在远程实验室环境中分析、研究相应技术，最终实现设计远程控制系统的 道路，增强远程实验室的实用性。 1 绪论 硕士论文 1 3 作者主要工作与论文内容安排 作者主要完成了以下工作： ( 1 ) 调研当前高校工业自动化教学现状，据此分析某高校正在建设的工业控制综 合训练平台； ( 2 ) 对基于w e b 的p l c 远程实验室系统进行分析，归纳系统软、硬件结构，并对基 于w i n c cw e bn a v i g a t o r 远程实验室解决方案进行分析，总结了p l c 远程实验室采用的 w i n c cw e bn a v i g a t o rs e r v e r 组态结构以及w i n c cw e bn a v i g a t o r 的发布流程； ( 3 ) 针对仿真被控对象远程控制系统与变频器远程控制系统的特点，制定本文中 相应控制系统的设计方法，提出控制系统的总体构架设计，以及相应控制系统的设计任 务； ( 4 ) 对工业自动化仿真教学软件进行了分析，并对使用s i m i t 仿真软件、f l u i d s i m 仿真软件与c o s i m i rp l ca d v a n c e d 仿真软件设计仿真被控对象的工作进行了归纳，分 析三者各自的优点与适用环境； ( 5 ) 对仿真被控对象远程控制系统的被控对象( m p s 工作站) 采用c o s i m i rp l c a d v a n c e d 仿真软件进行了分析与建模； ( 6 ) 设计了基于远程实验室的仿真被控对象远程控制系统与变频器远程控制系统 的控制程序与远程监控程序； ( 7 ) 完成了对t p1 7 7 bp n d p 的配置，并利用w i n c cf l e x i b l e 设计了现场监控程序： ( 8 ) 对基于远程实验室的控制系统应用问题进行了探讨。 论文内容安排如下： 第一章为绪论，综合利用所查阅的资料，阐述自动化技术发展概况以及论文依托的 项目背景和作者的主要工作。 第二章为远程实验室系统分析，首先介绍了远程实验室系统的功能和意义，并且结 合对远程实验室系统的设计背景的分析以及对西门子全集成自动化的理解，分别对实验 室的硬件、软件结构进行分析。最后结合本实验室软、硬件资源，对整个远程实验系统 的设计依据w i n c cw 曲n a v i g a t o r 远程控制解决方案进行了分析。 第三章为基于远程实验室的仿真被控对象远程控制系统设计与实现，首先对仿真技 术做了介绍，对工业自动化仿真教学软件进行了分析，包括西门子s i m i t 仿真软件、费 斯托f l u i d s l m 仿真软件以及c o s i m i rp l ca d v a n c e d 仿真软件，总结他们各自的优点 与适用领域。然后对整个控制系统进行了总体分析，提出系统采用的软、硬件设计方案。 其次就是按照总体方案，结合应用实际进行控制系统的软、硬件设计。工作的重点主要 是软件设计与调试，包括利用c o s i m i rp l ca d v a n c e d 进行仿真被控对象的设计，p l c 控制程序的编写与远程监控程序的设计，以及各软件之间的通讯配置。 2 硕士论文 基于远程实验室的控制系统设计与实现 第四章为基于远程实验室的变频器控制系统设计与实现，首先介绍了变频器的发展 和分类，对通用变频器的控制算法进行了分析。其次从工业应用方面对变频器技术进行 研究，对变频器的选型、通讯与抗干扰设计进行了研究。然后结合变频器的通讯功能与 远程实验室软、硬件资源，提出基于远程实验室系统的变频器远程控制方案，并设计相 应控制系统。系统的硬件设计方面，包括变频器与控制器两部分内容；软件设计方面， 主要工作包括变频器的调试与参数配置，m m4 4 0 与s 7 3 0 0p l c 之间基于d p 协议的通 讯控制程序设计，p l c 控制程序设计，触摸屏配置与程序设计以及远程监控程序的设计。 第五章为基于远程实验室的控制系统的一些应用问题研究，包括对远程实验室远程 实验环境分析，介绍如何将本文研究的控制系统应用技术结合到高校实验教学中。其次 是对变频器矢量控制技术进行了研究，并对如何在工业应用中使用m m4 4 0 实现 s l v c ( 无传感器矢量控s u ) 进行分析。最后对基于p c 的新一代控制器w j n a c 进行了 介绍，并对远程实验室系统集成w m a c 进行了研究。 第六章为本文的总结与展望，对仿真技术与变频器技术在远程实验室系统系统中的 应用与实现进行了展望。 硕士论文 基于远程实验室的控制系统设计与实现 2 基于w e b 的p l c 远程实验室系统简介1 3 l 2 1p l c 远程实验室系统功能和意义 随着网络技术以及设备的普及，目前的工业自动化教学也向着教育信息化的要求迈 进，为了适应教育信息化的要求，实验教育者顺应教育信息化的要求提出了一种新的实 验教学理念远程实验室系统【4 】【5 】。作者所研究的正是本学院正在建设的工业控制综 合训练平台上的p l c 远程实验室系统。 p l c 远程实验室系统的设计理念符合西门子t i a ( 全集成自动化) 的思想，t 队包涵 西门予公司典型产品、服务及其在各行业中的应用经验，更是目前工业自动化领域领先 的工程技术解决方案。符合t i a 理念的远程实验室系统，在本学院工业自动化技术科研、 教学应用中作用巨大。通过远程实验室系统进行实验教学，可以极大缓解传统实验室场 地、时间方面的制约，而通过远程实验系统进行科研训练，无疑更加贴近工业自动化发 展趋势，更能帮助科研训练人员提出具有先进性工业自动化应用解决方案。 2 2p l c 远程实验室系统硬件结构 p l c 远程实验室系统的硬件结构分为远程网络、本地网络，具体硬件结构如图2 1 所示。其中本地网络按照工业应用分类，分为服务器层、控制器层、设备层三层结构， 下面详细介绍。 服务器层 服务器层主要由w 曲服务器、数据库服务器、w e bn a v i g a t o r 服务器、视屏监控服务 器组成。其中w 曲服务器为用户提供远程实验服务，其上运行专门为远程实验室设计的 网站系统。数据库服务器用于存放实验设备运行的实时数据和历史数据，完成数据保存 和整理功能。w e bn a v i g a t o r 服务器的实现依赖于西门子w i n c cw e bn a v i g a t o r ，其具体 功能实现将在后文中进一步介绍。视频监控服务器，提供现场实验设备的实时视频监控 图像。 控制器层 控制器部分主要是采用西门子公司生产的s 7 系歹u p l c ，其中包括s 7 。2 0 0 、s 7 3 0 0 、 p c s 7b o x 等，均是目前工业中广泛应用的产品，具有典型性和先进性，不但支持通用 的现场总线网络通讯，而且都集成或配备工业以太网接口或模块。而且使用西门子统一 的s t e p7 编程平台，更增加了进行实验或控制系统软件设计的便利性。 设备层 设备层在远程实验室中主要包括两类：实际被控对象以及仿真被控对象。实际被控 2 基于w c b p l c 远实验室系统简介 硕论文 对象目前只包括北京化工大学研制的m p c e 1 0 0 0 多功能过程与控制实验系统，仿真被控 对象目前是利用西门子公司被控对象仿真软件s i m i t 设计的仿真被控对象，女n m p s 模块 化加工系统。 壁嘲# i 碡式黼 u t b m * 2 l # * m * 8 lm * *l * * m * o i 曼固爨豳凰豳慝豳 ”2 0 。 l i 。_ 瑚op i c l# 目2 a * # “ib o x ”塞! l i ， l 曲壅蘑慝l 目”* ：_ _ u l 霹。魅 ”8 豳l 囤2ip l c 远程实验室系统硬件结构图 远程网络 商用以太网 实验室网络 服务器层 商用咀太网 实验室阿络 控制器层 工业以太网 实验室网络 设各层 现场总线 硕士论文基于远程实验室的控制系统设计与实现 2 3p l c 远程实验室系统软件结构 p l c 远程实验室系统软件结构主要分为w 曲服务器、远程实验服务器、视频监控软 件设计三个部分，如图2 2 所示： 图2 2p l c 远程实验室系统软件结构图 w 曲服务器是远程客户端与实验服务器的接口，采用t o m c a t 软件来搭建，运行远程 实验室网站，供用户完成浏览信息、注册并登陆等功能，并为实验室管理员提供用户信 息，方便管理以及安排实验。 远程实验服务器主要作为w m c c w - e b n a v i g a t o r 发布的远程实验平台，该平台接受 远程客户的命令和参数，为用户提供过程监控画面，并把必要的数据归档存入数据库， 以便于生成过程数据趋势图，供实验者观察，主要功能将在后面章节具体介绍。 视频监控中心计采用了超级门卫视频监控系统软件，只要在服务器上安装摄像 头驱动，进行正常摄像即可实现本地与远程视频监控。 2 4 基于w i n c cw e bn a v i g a t o r 远程实验室解决方案 作为整个远程实验系统重点之一的远程实验系统主要依据西f - l 子w i n c cw e b n a v i g a t o r j 远程控制解决方案设计，用以实现用户远程登陆实验界面，进行远程实验操作。 2 4 1w i n c cw e bn a v i g a t o r 概述 s i m a t i cw i n c c ( w i n d o w sc o n t r o lc e n t e r ，视窗控制中心) 作为西门子公司的过程 监视系统，集成了s c a d a ( 数据采集监控) 、组态、脚本( s c r i p t ) 语言和o p c 等先进技 术，继承了西门子全集成自动化( t i a ) 的特点，可以与多种自动化设备及控制软件集 成应用，具有良好的灵活性和开放性【6 】。 w i n c cw 曲n a v i g a t o r 是w i n c c 实现w e b 功能的组件，可实现通过打开的m 浏览器来 7 2 基于w e b 的p l c 远程实验室系统简介 砸论文 控制运行的w i n c c t 程，而不需要在客户机上安装整个w i n c c 的基本系统。通过网络连 接和正确输入用户名和密码用户就可以访问发布到指定i p 地址的远程控制界而。 根掘不同的现场设备情况，w i n c c w e b n a v i g a t o r s e r v e r 可以有不同的组态结构，通 常包括岛状结构、w i n c cw e bn a v i g a t o rs e r v e r 与监控服务器合并结构以及w i n c cw e b n a v i g a t o rs e r v e r 与监控服务器分离结构。其中，岛状结构一般不连接到i 眦m e t 中，而是 作为本地人机界面使用。w i n c c w e b n a v i g a t o rs e r v e r 与监控服务器合并结构与分离结构 的主要区别就是：合并结构中，w n c c w e b n a v i g a t o rs e r v e r 上的工程是直接与p l c 设备 进行连接的；而分离结构中，w i n c c w e b n a v i g a t o rs e r v e r 上的工程不与p l c 设备进行直 接连接，该任务由监视服务器完成，并通过网络1 ：l 镜像到w i n c c w e b n a v i g a t o rs e r v e r 上，他们之间的数据通过o p c 通道进行同步。 犀警爹” 卜c 蒜：裟器一r 照萨万 圃商 l n n1 一m n y ，7 c _ _ pt ) 图23 w i n c c w e b n a v i g a t o r s e r v e r 与监控服务器台，f 结构 目前，考虑到实验室条件的限制，远程实验系统采用的是w i n c c w e b n a v i g a t o r s e r v e r 与监控服务器合并结构，如图23 所示。虽然这种结构有一定局限性但也船蒲足 系统的设计要求，完成系统各种功能的设计。 2 4 2w i n c cw e bn a y 垭a t o r 配置 安装w i n c c w e b n a v i 职t o r 之前，需先安装w i n c c v 6o 以上版本以及i n t e r n e t i n f o r r n m i o n s e r v i c e ( 1 i s ) ，这个组件包括了对w e b 和f f p 的支持，以及对f r o n t p a g e 、事 务处理、a c t i v es e r v e r p a g e s 和数据库连接的支持。安装完成之后，便可以进行w i n c c w e b n a v i g a t o r 组态，具体步骤如下： ( 1 ) 启动w i n c c 创建新的w i n c c i 程或者打= i 1 ：已有工程项目，如果打开的是移植到，串= 机的w i n c c i 程，则需更改计算机名后重启w i n c c 。 ( 2 ) 组态w e b n a v i g a t o r s e r v e r q - 程 打开w e bc o n t i g u r a t o r 牵j 话框，进行w c b 站点参数设置，如图24 所示。 顾士论文 基于远程实验室控制系统设计与实现 不。 图2 4 w e b 站点配置 之后，启动w i n d o w s 的“i n t e r n e t 信息服务”程序检鹰启动的w e b 站点，如图25 所 鬻茹；警g 莒；，。 日1 m 一h ；*i4 9i n ； 钧馘：。擘翟鐾掣一 裂一 ；叠兰二墨， bj = j j i _ 点啊：= 二二二二， 图25 启动i n t e r n e t 信息服务 ( 3 ) 发布w e b n a v i g a t o r s e r v e r 过程画面 打开“w e bv i e wp u b l i s h e r ”对话框，依画面提示进行诸项发布殴置，完成过程画面 发布。 ( 4 ) 用户管理 打开u s e r a d m i n i s t r a t o r 对话框，通过a d d u s e r g , j 建新的用户。之后对所创建的用户， 进行操作权限以及用户名和密码的设置。 ( 5 ) 组态i n t e m e t e x p l o r e rs e t t i n g s 在w i n c c w e b n a v i g a t 0 6 霾程客户端，对i n t e m e t e x p l o r e r 进行设置，在“i n t e m e t 选项” 的“安全”属性中，设置“s c r i p t a c t i v e xc o n t r o l sm a r k e ds a f ef o rs c r i p t i n g ”和“d o w n l o a ds i g n e d a c t i v e x c o n t r o l s ”为e n a b l e 状态。 至此，w i n c c w e b n a v i g a t o r 远程发布配置就完成了。 2 基于w e b 的p l c 远程实验室系统简舟 硕士论文 f l 圉2 6 w i n c c w e b n a v i g a t o r c l i e n t 安装界面 首次登陆远程实验界面，需安装w i n c c w e b n a v i g a t o r c l i e n t ，如图26 所示。点击界 面“接受”选项，自动进行安装，之后就直接进入发布的实验初始界面。 2 5 小结 本章主要介绍了基于w e b 的p l c 远程实验室系统，包括远程实验室系统的功能和意 义，硬件结构与软件结构。2 4 节分析了基于w i n c c w e b n v i g a t o r 远程实验室解决方案， 介绍了本实验室系统删w i n c c w e b n v i g a l o rs e r v e r n , 态结n ，其中242 节详细介绍 w i n c cw e b n v i g a t o r 的配置流程。 硕士论文 基于远程实验室的控制系统设计与实现 3 基于远程实验室的仿真被控对象远程控制系统设计与实现 3 1 仿真技术及应用概述 仿真技术是一门利用计算机并通过建立模型进行科学实验的技术，具有经济、可靠、 实用、灵活、可多次重复使用的优点，已成为对系统进行分析、设计、试验和评估的有 效方法【7 捌。 由于在人员培训与教学在方面具有极大的应用价值，目前利用仿真技术培训工业自 动化人才的方法也得到了普及。在工业自动化教学中，实验一直是个很难解决的问题， 常见的工业控制对象以及控制装置都耗资巨大，并且仪器操作的技术要求较高，一般学 校难以开设。仿真实验系统的出现，可以弥补因实验设备、经费不足等造成的缺憾，保 证实验科目的质量和数量。并且利用先进的仿真软件，通过三维技术、动画技术对实验 进行全面、生动的表现，增强学生在进行实验时的理解。通过生动有趣的实物再现，大 大提高了学习的积极性和主动性，配以理论和实际相结合，使得理论培训方面的周期和 效率得到大大提高。 目前各种基于软件构架的工业自动化仿真实验室也逐渐出现在各个高校中。其中有 的仿真实验室利用成熟的工业仿真软件搭建，例如西门子公司的s i m i t 仿真软件，f e s t o 公司的f l u i d s i m 仿真软件，有的则利用w i n d o w s 环境下的开发工具实现人机交互和模 型搭建，例如b o r l a n d 公司的d e l p h i 软件，a d o b e 公司的f l a s hm x 开发平台，或者直 接通过v i s u a lb a s i c 等。相比较利用后者设计仿真实验，利用工业仿真软件设计仿真实 验具有开发时间短，系统性能稳定，与工业控制器p l c 、i p c 等能进行多种工业级通讯 等优点，因而在一些大型的工业自动化实验室中得到应用。 另外，利用仿真软件设计被控对象，而采用真实控制器控制的新型仿真实验教学也 得到发展。这种半实物仿真系统突破了传统半实物仿真系统的局限，保留了物理模型仿 真系统直观的优点，也具有数字仿真系统灵活与经济。而这种仿真系统的设计难点也就 在与仿真被控对象与真实控制器之间的数据通讯问题，目前，一些高校就此也展开了相 应的科研。 3 2 工业自动化仿真教学软件分析 3 2 1s i m i t 仿真软件 s i m i t 是西门子推出的新一代工业自动化仿真软件，使用s i m i t 软件可以设计符合 真实被控对象特性的软件模型，并以此模型为依据建立虚拟的控制系统1 0 1 。 通过对其的使用，作者总结出s i m i t 主要有以下几个特点： 广泛的应用环境 3 基于远程实验室的仿真被控对象远程控制系统设计与实现硬十论文 集成的培训理念 易于构建控制平台模型 图3 is i m i t 开发环境 如图31 所示，s i i v i i t 开发环境主要包括l i b r a r y 、w i d g e t s 、p r o j e c t s 、t y p e s 四部分。 l i b r a r y 主要负责提供与前台可视化界而对应的后台逻辑设计中所需要的逻辑组件。 w i d g e t s 用来设计前台可视化界面。p r o j e c t s 主要实现对工程的管理，包括s i m i t 仿真模 型与控制嚣的通讯方式毗及生成s i m u l a t i o n 可执行程序，实现工程的仿真。t y p e s 负责 对项目的更高级的属性设置与管理。 通过对s i m i t 开发环境分析，可以得出该环境下设计工业仿真模型的工作主要有： ( 1 ) 进行对象分析，得出其i o 接口地址、主要功能结构以及执行工艺： ( 2 ) 设计s i m i t 相应对象模型的接口网关以及基于此网关的i o 符号表： ( 3 ) 设计s 1 m i t 前台控制界面与显示界面，使工业对象通过动画进行生动的展现： ( 4 ) 设计s i m i t 后台逻辑功能块，这部分可以说是整个系统设计中的核心，通过 对对象的功能结构与工艺分析，将被控对象分解为数个功能块进行逻辑设计，并进行联 结； ( 5 ) 对前后台的变量进行关联设置，并生成s i m u l a t i o n 可执行文件； ( 6 ) 对设计完成的对象进行实验和调试，分析结果，进行修改完善。 3 2 2f l u i d s l m 仿真软件 f l u i d s l l v i 软件是由德国f e s t o 公司专门用于液压与气压传动的教学软件。f l u i d s i m 软件将c a d 功能和仿真功能紧密联系在一起，且可对基于元件物理模型的回路图进行 实际仿真【l ”。通过与p l c 之间的通讯，使用者可以方便、直观的设计气动控制系统。 f l u i d s l m 软件既可以与f e s t od i d a c t i cg m b h & c o 教学设备配套使用，也可以单独 使用。f l u i d s i m 主要具有如下优点： 1 2 硕士论文 基于远程实验室的控制系统设计与实现 先进的c a d 功能和仿真 系统的学习环境 图3 2f l u l d s l m 开发环境 如图32 所示，f l u l d s i m 软件提供了丰富的元件库，满足用户设计气动、电气控制 对象的需要，用户在绘图区域内设计相应的气动回路、电气回路、d d e 通讯接口以及 原件状态图。另外，对元件还可以插人描述图片和原件插圈进行详细的说明。 f l u i d s i m 软件与p l c 的通讯主要是通过o p c 软件完成的，其本身可以作为 o p c c i i e n t ，通过f e s t o 公司的v s w i t c h 软件提供不同的通信接r 7 。v s w i t c h 软件界面如 图33 所示，主要包括f l u i d s i m 软件i 0 接口、p l c i o 接口以及相应的通讯脚本文件。 在p l c 与f l u i d s i m 软件中接口配置完成后，开启v s w i t c h 软件通信按钮，就建立了两 者之间该种连接下的通讯。 酗3 3 v s w i t c b 软件界面 利用f l u i d s i m 软件设计工业对象模型时，主要的工作包括分析被控对象，它的启 3 基于远程实验室的仿真被控对象近程控自i 系统设计与实现 硕士论文 动结构与功能、电气结构与功能以及i o 接口：f l u i d s i m 软件设计，其各个剥应部分的 设计；最后便是对所设计完成的对象模型进行试验调试，包括电气、气动功能调试以及 仿真环境配置调试。 3 2 3 c o s i m i r p l c a d v a n c e d 仿真软件 c o s i m i rp l ca d v a n c e d 软件是德国f e s t o 公司推出的新一代工业视觉仿真软件， 是一个建立在计算机上的3 d 图形仿真系统，服务于带有分布式智能工作站的自动化系 统，允许使用者对各种复杂的分布式系统进行创建、编程以及仿真。利用c o s i m i rp l c a d v a n c e d 用户可以完成以下任务： ( 1 ) 自定义一个自动化生产过程，并且可以根据已有的工作站配置其后的工作站 生产系统； ( 2 ) 熟悉分布式生产系统的工作站工艺以及各个工作站之间的通讯情况； ( 3 ) 训练p l c 程序的设计以及调试； ( 4 ) 锻炼在系统中体系化的排查、纠错能力。 c o s i m l r p l c a d v a n c e d 充分体现了当今仿真技术发展的特点，比如：可以通过3 d 模拟详细地描述加工顺序实际的机械手程序能在模拟机械手上运行；集成了西门子公 司的s 7 3 0 0 p l c 控制器仿真软件，可以独立的完成整个生产控制系统的设计与调试。 c o s i m i rp l ca d v a n c e d 软件可以帮助用户设计完成多种c i m s ( 电脑集成制造系 统) ，完全模仿m p s ( 模块化生产系统) 的生产配置过程，提供了能通过现有技术实现 的培训内容：p c ，机械手，p l c 和c n c 设备的网络通讯：在模拟过程中优化加工过程： 数据库中的所有主要生产数据能够有效地管理和生成：“集成”每个过程，这意味着不 再单独决定每个加工过程，因此需要对生产加工中的每一个细节加工之间的关系进行深 入地了解。 圈3 4 c o s i m i r p l c a d v a n c e d 开发环境 硬论文 基于远程实验室的控制系统设计与实现 如图3 4 所示，c o s i m i rp l c a d v m a c e d 开发环境主要包括主视图与操作窗口，手 动操作窗口故障设置窗口以厦通讯窗口。其中主视图与操作窗口主要完成系统的配置 以及连接，仿真过程中的按键操作以及仿真动画显示，并且用户可以通过改变三维坐标 调整观看角度；手动操作窗口主要显示系统的执行情况匕上及执行的动作，控制系统的各 个工作站，显示由i o 连接实现的通信，设置系统仿真过程：故障设置窗口功能如上文 所述，但它只对授权用户开放，并且只能发定一些特定的故障，如短路、电缆断开等； 通讯窗口主要显示所选工作站的p l c 输入输出信号状态。 与f 1 u i d s i m 软件类似，c o s i m i r p l c a d v a n c e d 软件与外部p l c 通讯主要通过o p c 软件实现，其本身作为o p c c l i e n t ，通过f e s t o 公司e z o p c 软件提供面向p l c 的多种通 信接口。并且e z o p c 也可以作为f e s l o f l u i d s i m 仿真软件的o p c 服务器与p l c 进行通 讯，因此可以称之为v s w i i c h 的升级产品。其软件界面如图35 所示： 图3 5 e z o p c v 51 软忭界面 利用c o s i m i r p l c a d v a n c e d 软件设计工业模型时，主要工作有：被控对象分析， 对被控对象需完成的工艺进彳亍分析设计出需要使用到的工作站； c o s i m l rp i 。c a d v a n c e d 软件工作站配置，组成所需的生产系统；控制器方式选择，c o s i m e rp l c a d , a n c e d 软件提供3 种控制器方式供使用者选择：内置s 7p l c 、s 7p l c s i m 以及实际 p l c ，选择s 7p l c s i m 以及实际p l c 时，需对相应工作站进行设置成o p c s e r v e r ；对 完成的对象模型进行试验和调试，分析结果，进行完善和修改。 3 2 4 工业自动化仿真教学软件比较 上述3 种工业仿真软件，由于具有表现直观、生动；面向工业对象等特性，目前在 高校工业自动化教学中已经或正在得到推广。考虑到本文要进行仿真被控对象的远程控 肯4 研究，需首先设计合适的仿真被控对象所以对它们进行比较分析。 1 5 3 基于远程实验窒的仿真被控对象远程控制系统设计与实现 硕士论文 表3 。1 典型工业自动化仿真教学软件比较 3 d 视图，直观、生动。环境性强；应用面窄，面向m p s 对象； 面向m p $ ，开发简便； 内存占用大，对计算机硬件要求高； c o s i m i r集成故障设计等功能，提供各种训练价格较高； p l ca d v a n c e d 方式： 提供丰富m p s 工作站模型，可以构 建多种m p s 工作系统，满足各种m p s 仿真要求； 具有a s s i s t a n c e 以及各工作站说明， 提供多种设计帮助； 通过表3 1 ，可以发现s i m i t 软件在工业对象开发上具有诸多优点，能设计运动控 制、顺序逻辑控制、过程控制对象，但开发时间长、难度大。c o s i m i rp l ca d v a n c e d 软件在m p s 对象设计方面，具有极其强大的功能，用以构建实验室教学更具有独特的 优势，但由于只面向m p s 对象，因此不能用以进行多种对象开发设计。 因此，在面对具体设计任务时，可以按照对象种类以及要求条件进行合适的选取。 3 3 仿真被控对象远程控制系统总体设计 如上文所述，仿真技术在工业自动化教学中的应用，不但解决了传统实验室设备紧 缺，培训不全面的问题，而且增加了实验教学的生动性与互动性。而在传统仿真实验室 的基础上实现远程访问与控制，则有利于消除传统实验室地域、时间上的限制，加强实 验室教学的先进性、交互性与开放性。 1 6 硕士论文 基于远程实验室的控制系统设计与实现 3 3 1 仿真被控对象远程控制系统需求分析 目前，随着对仿真技术以及远程控制技术的研究的深入，将两者结合运用到工业自 动化教学中的科学实验也正在逐步进行中。作者设计的仿真被控对象远程控制系统正是 出于以下考虑： 结合远程实验室所采用远程控制技术，探索将仿真被控对象设计软件加入远程 实验室软件系统的方法实现仿真技术与远程控制技术的有机结合； 通过仿真被控对象远程控制系统的设计，充分发挥远程实验室在网络远程教学 上的优势，提高远程实验室的使用效率，完善远程实验室的实验内容。 因此，作者在设计仿真被控对象远程控制系统时，一方面要设计系统的软、