（电机与电器专业论文）基于web的plc远程实验系统的研究.pdf

基于w 由的n c 远程实验系统的研究 s t u d y 傩p l cw c b b a s c dr 栅o t ep me x p e r i i i l 献s y s t e m n o 、朔d a y e d u c a 在锄b co 塌i 玎e db yw o u sc c 唧唧哪i 训o nm c d i aa n d 联帆唧1 【s t h e 谳婶叫触n o f h 钯m 以a n do t h 髓衄m 珊l i 硝o nf a c i u d 船e n a b 蛔代h l 瑚| l i o ng l o t ，a 1 t h e 舢。塘a 单豳e m 钯觚l l i n gi s 锄i 1 i l p 讲协n td 锄e n ti nt h ew h o l ed i s 协枷l 锄j n gw i 也 d e v e l o p i n go ft h e m p 咖a n d 地! t 】l 彻r i 【t h l 帕l o | 醪，m 眙m c th 鹊a l r 髓由b i 呻 蛆 i n d i s p a t s 棚ei no d a 豇yl i f e ，w o r 虹n g 缸l ds h l 由r i n gi n 坼my 朝礴，w h i c hi s 训m m u s d c v e l o p i n g 锄dp l 蝴i n gr 锄o t e 仞单廿i m e n ta n dc c 毗廿o ia 阳l g 盯ad l me i t h c rb y m 伽so f ht b e 舢咖础饥t 懈出n 吕m ev i n i l a ll a b 枷甜瑚脯 l a b 0 懦：l o r i 锚眦蛳s 豫巧t od o 鼢9 e r i m 锄t s 鼬l gd i s t l 哪s v i n | i l a la 弹d m e n tm c i h o d s i n t h ev i r t i l a l l a b o 触啦娜s c m 娥瑚1 触c o l 姗l 媚a i i d 妇呲蜘e x p l c f i m 眦 t h e 【p 盯i m e n l 删h o dw h i c h n 砒恍批t h ea 【p 盯i n 删p r o 鹳o ft h et f i 砖a p l p 毛哦觚 d i 溉嘶i sl h e 舳o t c 咖l 唧s o ，i ti sm cb c s t 触t oc a 毋t h e 渤触 e 珥蛾r i l n e n t1 h m u g hh i t e m e t t h em a i n1 ) i ，0 1 1 【so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： o nt h eb a o fa i i a l y z m gl h ed e v e l o p l 孙e n ts t a t 吣q 啪- o f r 锄o t e 【p 啊i n l e n t a l ，t h ed e s i g n p f 0 1 p o s a lo fw e b - b 勰c dp l c 衄o t el a b 鲫l 自。哆i sp f o p o s e d c o f d i n gt ot l l e 础1 u e s to ft h e d e s i g l l t h e 毋咖吼m c t 嗽，h l 哪如f a 旭a n d 鼬疵w a 聆b m 坞b e e nd 鹤i 酬“：o 叫碰n gt ot h ed e s i 驴 o p o s a la n d t h ea c t l | a l 帕q 嘲p l c 懿脚锄ts y s t e mi sd 髓i 嘲谢l i c hi l t _ d ep l ca n d s j 玎1 p l em h a n i c a lm o v 鼬e mc q l l i p m e 峨b ym 啪so f a ，3 4 3 lr r ，a 删加n i 硎蛐妯l l e ， p l c a q 翩s ) ，s 钯m 删锄d 岫嗽鲫m 僦e d i m o 彻e 础b ys t i l d y 吨 瑚眈c x p 翩删c 鼬a n dt h em c i h o d m c 嘟枷呵s t e ma n di t sh o | n e p a 萨斯 a 【p 既i m e mg l i i d ea m 咖p l e t e d 1 kf o l l 0 1 丽n gp f 曲l 锄s 妇eb 嘲s o t v e di n 日豫恤c s i s u s i l 培s 7 3 0 0 ，p l cs y s 嗡n 艘_ i 酣b ys i e i n e 强锄dc p 3 4 3 - lr r c 咖m 岫i c 砒i o n 删山l e ，b l i i l da 职晰o f l 【断 a 单盯i m e n t a 珊帆v o f k 螂盯i s 鲥b 】呻e d t o 讲q 舯f o r p l ca n d m m 嘶明把砌眦a 玳帆m r l 【m e mi s a 讲d i o dt o0 b s c f v e 【p e r i m e m m 弘o 鲻av i r t i l a l 伽眦m lc o n i c 枷蜘i n 口3 4 3 - lr r i s 舯昭啪m e d t o c o 曲l p l c 柚d t o d o m e p l c 麟脚乞 一一 - 沈阳工业大学硕士学位论文 t h e 辫蛔s 蛳母：删c i p 卿瞳衄酾搠蝌诗，剃喇棚雠舯啦p l c 刚勰m c 蛆b e 麟i l i z e d ，砌c hg i v e 雒e x p e 咖搬i t a l 删地o d f o f t h ed i 蛐l e a 痂i 峪 k e yw o 岫：咖。把旺p e r i m e n t w e b b 曩删p i c 忡m o t e 啪咖i v i r t u a i n t m i i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名：多、坶导师签名： 日期：2 刀7 zf 沈阳工业大学硕士学位论文 1 引言 近年来，随着计算机网络的长足发展，i n t e h l e t 网络对于我们大家来说已不 再陌生，它已经成为我们生活和学习中不可分割的一部分，它仍在不断地发展和 完善。而远程实验和控制也不再是梦想，通过i n t e n i e t 网络可以实现异地实验 或进行远程控制。 1 1 课题研究的目的和意义 远程实验教学是整个远程教育中的一个重要组成部分。，实验是教学活动中一 个必不可少的过程，很多学习科目都是以实验课程为基础的，尤其是对于一些实 践性较强的学科，例如物理，化学、计算机组成结构、网络控制、p l c 等等，实 验对于培养学生的实际操作能力和解决问题的能力是至关重要的，学生的大部分 实践能力都是通过实验得到的，在远程教育中，由于教学机构与学生在空间上分 离，学生无法到学校实验室做具体的实验，这已经成为了制约远程教育质量的一 个重要因素。近年来，由于虚拟仪器和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚 拟实验室已经成为可能，网上实验已成为远程教学研究的重要方面【1 1 。 在远程实验教学中，由于既需要一定非传统意义上的仪器、设备，又需要实 验学生的参与，要求双向信息传输和特殊的实验装置，其实现难度要远超过远程 课堂教学。但当前崛起的虚拟实验给远程实验教学带来了希望，它可使实验教学 完全远程化，因而从根本上解决目前的实验教学与远程教育模式不相适应的状 况。 虚拟实验是依托“虚拟现实”( v i n i l a 】r c a l 时，英文缩写v r ) 技术而产生， 和发展的一种实验模式。虚拟现实技术，又称灵境技术，是9 0 年代为科学界和 工程界所关注的技术1 2 j 。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域； 为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提供 了新舶描述方法。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境，这种 虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或足把其它现实环境编制到计算 机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境 的感觉。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据处理的方式。 尤其在需要对大量抽象数据进行处理时：同时，它在许多不同领域的应用，可以 基于w 曲的p l c 远程实验系统的研究 带来巨大的经济效益。所谓虚拟现实技术，就是充分利用高性能的计算机硬件与 软件资源及各类先进的传感器的一种集成技术，其主要技术构成为实时三维图形 生成的技术、多传感交互技术以及高分辨率显示技术等【孤。所以，它实际上是计 算机科学与技术的延伸。虚拟现实技术能够生成实时的、具有三维信息的人工虚 拟环境，演练者( 操作人员) 可以进入其中，产生逼真的身临其境感，并像在真 实世界中一样地与该环境进行实时操纵和相互交流。虚拟现实技术现已迅速成熟 和发展，并在许多领域得到广泛应用。 虚拟实验在广义上似乎也是一种模拟实验，但它在实验的本体逼真性和应用 普适性，以及在给予实验者现场实时感受和实验效果等方面，传统的计算机模拟 实验是根本无法相比的。 虚拟实验一般是通过虚拟实验室而进行的。所谓虚拟实验室，是指由虚拟现 实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验室环境、有关的 实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。虚拟实验室可以是某一现实实验 室的真实实现，也可以是虚拟构想成的实验室。在虚拟实验室中，实验者有逼真 的感觉，他似乎是在真正的现实实验室里近距离进行现场操作。 在远程实验教学中：要进行虚拟实验一般需通过虚拟实验室。所谓“虚拟实 验室”( v i m m il 曲o r 咖r y ) ：是指由网络技术、计算机技术、虚拟现实技术等、 生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验环境、有关的实验仪器 设备、实验对象以及实验信息资源等。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋 予虚拟实验室以智能化特征。实验者( 无论是学生还是教师) 可以自由地、无顾 虑地随时随地进入虚拟实验室操作仪器，。进行各种实验。虚拟实验室不但为实验 类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支挣，还可以随时为学生提供更 多、更新、更好的仪器。目前在虚拟实验室进行虚拟实验的方式主要有三种类型； ( 1 ) 遥控型实验。遥控型实验是利用计算机多媒体技术和通讯技术，将实 验室里真实的实验设备及控制系统，转换成三维图像、声音、状态等传输到远端 的学生计算机中，参加实验的学生可以在自己的计算机中进行操作，通过通讯线 路遥控真实实验室现场中的实验设备，例如对实验设备进行编程、校对、启停、 测试、监控等操作，使远程实验过程在实验学生实时遥控下运作。而学生执行操 沈阳工业大学硕士学位论文 作的结果( 文字、图像j 数据等) 又会实时地回传给学篁玉从而使实验学生可对 实验数据实时采集并进行处理。 远程遥控实验是以军事和工业生产中的遥控方法为参考，但和它们又不一 样，遥控实验系统具有两大特点：1 作为实验设备，成本不能很高：2 要满 足从基础或者说从“o ：开始编程的要求。也就是说军事或工业的遥控，主要实现 的是操作过程，而实验设备的遥控是根据实验要求建立控制规律并实现操作过j 程。 计算机网络是远程遥控实验的基础，可以是因特网，也可以是局域网。通过 网络，学生的客户机登陆到实验室的工作站上，运行相应的远程遥控软件。即可。 对实验设备进行编程、调试、- 运行等实验操作， ( 2 ) 模拟型实验，模拟型实验是在计算机中用软件模拟仪器、设备，元器 件、药品等实验器材和实验条件，并以文字、图形或动画方式显示出来实验的 学生登陆虚拟实验室后，与实验软件进行交互，充分利用虚拟器材库中十分丰富 的实验器材，根据实验要求进行实验流程设计、实验装置搭建、实验内容操作、 实验结果统计分析等，最后写出实验报告，全部实验过程在计算机内完成。例如， 实验学生可以自由地取用软件中的各种电阻、电容、晶体管、集成电路等虚拟器 件组成实验要求的电路，然后接上虚拟的开关和电源，以及信号发生器、测量仪 器、示波器等虚拟仪器进行实验，观察记录实验数据和结果。这种以软件来模拟 那些存在和使用的设备来徽实验，可以取得和采用真实实验器材、设备相同的实 验结果。 ( 3 ) 仿真型实验。肪真型实验采用计算机技术、虚拟现实技术等构建虚拟 实验环境、虚拟仪器和设备的方法，为学生提供一种仿真的实验“情境”，它不 仅可以控制学习情境的复杂度和逼真度，还可以弱化甚至剔除真交情境中无关的 干扰因素；学生可以“随机进入”，身临其境地进行实时操作。在初级的仿真型 实验中，采用计算机技术在计算机屏幕上创设一个模仿真实的场景，包括原型实 验设备素材和这些系统实际运行时的三维视频图像和动画，并配以文字和声音等 数据文件，学生就如同在真实实验室中现场进行实验一样。在高级的仿真型实验 中，采用虚拟现实技术构建达到足以“乱真”境地的实验环境，学生不仅可以“傲” 基于w 曲的p i c 远程实验系统的研究 实验，而且甚至可以“亲身体验? 实验的运作，达到比在真实实验室更好的实验 效果1 4 j 。 虚拟实验室概念的提出至今仅为十余年的时间，但因其诱人的应用前景，各 国均在大力开发，已经取得了一些进展。 本文的目的在于设计出一个远程控制网络，来远程控制一个西门子s 7 - 3 0 0 系列p l c ，通过娜4 3 1r r 通讯模块完成远程p l c 控制实验。 现在，把w b r l 应用到实际当中，基于h i l 朋m 吐的远程测控系统已投人到实 际的应用领域，并取得很好的经济效益，其应用前景是十分广阔的。在广泛的工 业领域中，可实现数据网络和控制网络的集成，即现场总线和计算机网络融为一 体，实现真正的虚拟工厂( v i f t i l a lp l a n t ) 和虚拟制造( v i m i a im 如证犯t u 糟) 。远程测 控技术的成熟也将促进其在环境监测、电鼹监控上巨大作用。另外，基于m t e i 删 的远程测控将使机器人完成更多更复杂的任务，如深海探测、井下作业和空间探 测等。 本课题的研究意义是基于i 曲；m c t 的远程控制技术已逐渐走向成熟，必将推 进远程控制系统更广泛的应用。利用远程控制系统进行控制，它将实现实时控制、 及时消除隐患、提高系统的可靠性，还可以节省人力和财力、消除一些人的不确 定因素。另外远程控制系统将与企业网融合在一起，使企业的生产、管理、销售 和科研真正实现在一个大系统中，使企业的内部资源达到优化配置和外部条件达 到最佳利用，在竞争中处于有利位置。 按照本论文的设计进行操作可以完成基于w e b 的p l c 远程控制实验。通过 这个实验的研究可以实现对于设备的远程控制，对于学校来说可以节省赂买设备 的经费，也可以使实验更加直观和统一标准，这个课题有很大的发展潜力。 1 2 课题的国内外研究动态、目前的发展水平及趋势 目前，虚拟实验室在发达国家已十分普及。美国作为当今的科技强国，为继 续保持其在科学技术领域的领先地位，尤其重视信息技术的研究，并已将虚拟实 验室列入其科研发展的战略规划。在1 9 9 1 年底，美国科学基金会、美国国家科 学研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了一个“全国( 科学) 合作实验 室委员会”，其任务是调查科学家对信息技术的需求，协调科研合作关系，组织 沈阳工业大学硕士学位论文 并实旌具体的信息技术开发。此后，美国联邦政府投入资金在海洋学，天体物理 学和分子生物学三大领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程。开展了一系列 探索性研究并取得了实质性进展。美国一些政府部门，。如能源部，正在制定计划 将其所属的科研机构过渡到虚拟实验室环境中。目前，越来越多的科学家正投身 于构筑个覆盖全美国的虚拟实验室的工作中来。 作为首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国， 从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，。在该领域的研究已处于领先地 位。虚拟仪器系统及其图形编程语言已成为各大学理工科学生的一门必修课，其 普及程度是相当广泛的。国外的一些大学已组建了远程虚拟实验室。德国的汉诺 威大学建立了虚拟自动化实验室；西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平 台：意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室；新加坡国立大学开发了远程 示波器实验和压力容器实验。 在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。目前，色有部分高校初步 建立了虚拟实验室。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统； 华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供 远程教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线 综合测试仪9 ，将8 台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统：复旦大学、上海交 通大学、广州暨南大学等一批高校，也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和 科研嘲。 远程教育目前已被广泛的应用到大学的实验教学中来。国内外的一些大学已 经组建了虚拟实验室，如剑桥大学、斯坦福大学、新加坡孱盔大学以及清华大学 等都已开展了远程实验室方面的研究，并取得了一定的进展。但目前还没有大规 模的成功应用实例，也未形成国际通用的标准。 虚拟实验向坷舶c t 的扩展，是一个很有潜力的发展方向。近年来，由于虚 拟仪器和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟实验室已经成为可能。网络 虚拟实验室就是基于web 创建出r 个可视化的三维环境，其中每一个可视化的 三维物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作，实验者可以进行虚 拟实验。在网络遥控实验中，学生可在远程计算机上远距离控制各种实验设备， 基于w 曲的p t c 远程实验系统的研究 通过实验设备的实时图像传送，使实验者观看到实际实验设备在遥控操作下的运 动状况，而不仅仅是状态和参数，或者是_ 些模拟图形在网络仿真实验中，可 以开发专门的远程实验器件，例如机床的手柄等，具有手感。力度、协调动作、 手眼配合等功能，而不是像目前日常用的键盘和鼠标的操作。在远程实验的教学 组织和教学管理方面，异地的教师进行实验指导，各地的一些学生合作进行实验， 通过网络虚拟实验室都是可以实现的。网络虚拟实验室实现的基础是多媒体计算 机技术、网络技术与仪器技术的结合。网上进行虚拟实验将成为远程实验教学的 一个重要方面。 在当前的远程实验中，某些虚拟现实技术已初步介入虚拟仪器等的创设过 程，并在其中起到重要的作用，如果虚拟现实技术的进一步介入，将使虚拟实验 本身以及在远程教育的应用得到很大的改观。虚拟现实技术能够生成实时的、具 有三维信息的人工虚拟环境，操作人员可进入其中，产生逼真的身临其境感，并 像在真实世界中一样地与该环境进行实时操纵和相互交流。比如学生在进行飞行 器技术实验时，虚拟实验室就是飞行器及其飞行的模拟环境，即由虚拟现实技术 生成的“虚拟飞机座舱”，当学生进入里面时，将出现与真实座舱实验时完全一 样的情景，学生会得到和真实飞行中一样的感受。由于虚拟现实技术构建的虚拟 实验室具有亲临其境的真实感和对超越现实的虚拟性，实验者能够沉浸其中、超 越其上、进行自如实时的交互，它在远程实验教学领域的各个学科将显示其实用 性和先进性。其中，虚拟现实的专家系统与半实物仿真系统的集成，可能是虚拟 实验室在一段时期中的特色和发展方向。 1 3 课题的来源和研究内容 本课题来源于沈阳职业技术学院远程实验、虚拟实验项目。 沈阳职业技术学院包括高职院和中专部，并且校区分离相距很远，高职院拥 有大量的实验设各，而中专部只有一般少量的实验设备，这样中专部的学生需要 做实验时，只能到高职院来完成，所以学院出资2 0 0 0 万元建设模拟仿真大厦并 提出远程实验、虚拟实验的要求，本课题就依据此要求，来完成基于w e b 的p l c 远程实验方法的研究，为远程教育提供实验手段。 沈阻工业大学硕士学位论文 由于模拟型实验不能直接观察到真实的物体，一捉是进行叭帆对话，不能感受 到真实的实验，而仿真型实验又需要一些专门的设置，这些设置又不是完全等同 真实设备，所以本文针对遥控型实验进行研究，。主要是可编程序控制器和网页的 结合应用，。本论文称为髓b 远程实验室( 简称髓r l ) ； 主要工作和方法如下： 在分析了基于w e b 的p l c 远程实验方法发展现状的基础上，根据设计要求，提 出了基于w e b 的p l c 远程实验系统的设计方案。 根据确定的方案和实际要求，完成了系统的结构、硬件和软件的设计。、在远 端设计一个p l c 控制实验，使p l c 控制一个简单的机械运动设备，通过c p 3 4 3 1 r r 通讯模块把f l c 与服务器和h i 钯m c t 连接成网络，通过对远程实验系统的研 究，研究基于w 曲的p l c 远程实验方法，完成了基于w e b 的p l c 远程实验系 统的设计，完成了本地的基于w 曲的p l c 远程实验系统网页的软件设计。 本文主要解决了如下几个问题：采用德国西门子s 7 - 3 0 0 p l c 及配套的 c p 3 4 3 li t 通讯模块组成网络：设置网络服务器，对p l c 进行编程控制；设置 网络摄像机：在客户端编写网站控制界面来远程控制p l c 进行p l c 实验。 最后，通过设计和实验，能够达到设计的预期要求，实现了远程p l c 实验， 为远程教育提供了实验手段。 基于w 曲的阻c 远程实验系统的研究 2 基于w e b 的远程实验系统硬件设计 作为p l c - 远程实验，从硬件系统上要分成两大部分，第一部分是独立的p 【c 实验。利用p l c 控制一个受控设备作机械运动，如机械臂左转或右转等动作， 把p l c 与计算机服务器连接，可以利用服务器直接给p l c 进行编写程序，指挥 p l c 运行；第二部分是在远端使用远程计算机，即客户端计算机进行对p l c 的 控制，这部分是在客户机上的模拟操作界面来完成。 两大部分是由i | i t e m e t 网连接在一起的，通过i n t c m e t 网进行数据的远程传输， 来达到远程控制p l c 进行实验的目的。 2 1 硬件装置的组成 本论文的硬件装置是由西门子s 7 3 0 0 系列p l c 、主服务器、网络集线器、 网络摄像机、受控设备、以太网、i n t e r n e t 网和远程计算机等构成， 基于w e b 的p l c 远程控制实验的结构图如图2 ，1 所示： 图2 1 基于- e b 的p l c 远程控制实验结构图 f i g 2 1t h es c h e 啮t i cs t n l c t u r ed i a g r 鲫o ft h e 船r l 2 2 硬件装置主要部件的作用 2 2 1 西门子s 7 _ 3 0 0 系列一p l c 可编程序控制器是一种以计算机( 微处理器) 为核心韵通用工业控制装置。 正足工业控制技术的发展的要求和计算机技术的飞速发展，可编程控制器目前己 被广泛地应用于工业生产的各个领域。早期的可编程控制器只能进行开关量的逻 辑控制，其产生的动因最初是为了取代继电器，构成新型的控制开关曩的装置， 因此其早期的名称为可编程逻辑控制器( p r o g r 蛐曲l el 0 9 i cc 锄t r o l l e 订，简 称p l j c 。现代可编程控制器采用微处理器作为中央处理单元，其功能大大增强， 现在的可编程控制器已不仅限于逻辑控制的功能，而是还具有了算术运算、模拟 量处理、联网等功能，p l c 这一名称已不能准确地反映它的特性，于是人们将其 称为可编程序控制器( p r o g r a 姗a b l ec t r o l l e r ) ，简称p c 。为避免与个人计 算机( p e r s o 舱lc o 印n t e r ) 的简称混淆，可编程控制器仍常被称为p l c 。 从1 9 6 8 年至今，p l c 已经进入了其第五个发展阶段，现阶段的p l c 其功能 已远非用一位机开发，用磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能的第一代 p l c 可比。现阶段的p l j c 产品不仅全面使用1 6 位、3 2 位高性能微处理器，高性 能片位式徽处理器，r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i s e tc 伽p u t e r ) 精简指令系统 c p u 等高级c p u ，而且，在一台p l c 中配置多个微处理器，进行多道处理。同时， 生产了大量内含微处理器的智能模板，使得第五代p l j c 产品成为具有逻辑控制功 能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的名盛| 其实的 多功能处理器嘲。 在众多的p l c 中，s i 黼e c 系列是其中之o ，而s i 撇t i cs 7 3 0 0 系列可编 程控制器是西门予全集成自动化系统中的控制核心，是其集成与开放特性的重要 体现该系列p l c 继承了西门子上一代p l j cs i 姒t i cs 5 系列稳定可靠和故障率 低的精髓，s t e p7 采用s i 姒t i c 软件的集成统一构架，为实现p l c 编程组态的 易用性和友好性以及与上位机组态系统的统一性提供了一个功能强大的软件平 台。西门子不断丰富和发展p l c 的控制功能和总线通讯技术，实现了横跨工厂自 动化和过程自动化两大自动化领域的统一的控制策略。s i 姒t i cs 弘3 0 0 p l c 在全 基于w 曲的p 【c 远程实验系统的研究 球自动化各个领域的广泛应用和成功经验，充分证明了p l c 解决方案的强大生命 力和各种不同控制系统在技术理念突飞猛进的必然趋势聊； ( 1 ) 西门子s 7 - 3 0 0 是模块式中小型p l c ，最多可以扩展3 2 个模块。使用p l c 来控制受控设备的运行过程，并监测设备的运行状态。在本文中，对p l c 的要求 并不高，只要能够简单控制受控设备，作一些简单工作，实现控制要求即可，但 为了今后的推广使用，- 所以选用了s 7 - 3 0 0c p u3 1 4 c 一2p t p 的p 倒研，如图2 2 所 示、如图2 3 所示； 1 电源模块互后备电池3 2 4 vd c 连接器4 模式开关5 状态和故障指示灯 6 存储器卡( c p u3 1 3 以上) 7 肝i 多点接口8 前连接器9 前盖 圈2 2s 7 3 0 0h f i g 2 2s 7 3 0 0 p l c 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 3c p 【i3 1 4 c 一2p t p f i g t2 3c p u3 1 4 c 2p t p 功能最强a u 的r a m 为5 1 2 k b ，最大8 1 9 2 个存储器位，5 1 2 个定时器和5 1 2 个计数器，数字量最) $ 5 5 3 6 ，模拟量通道最大为4 0 9 6 ，有3 5 0 多条指令。 计数器的计数范围为l 9 9 9 ，定时器的定时范围为l o m s 9 9 9 0 i 。 西门子p l c 由s 7 3 0 0c p u 3 1 4 c 一2p t p 和c p 3 4 3 一li 巾研( 工业以太网通讯处理 器与主服务器构成一个工业沟通元件) 组成，c p 3 4 3 一li t 不只是与c p u 交换数据， 还具有l o l o o m b i t s i 业以太网，w e b 服务器，w w w 网页，五胁a i l 发送功能，它 可以通过以太掰或i n t e r n e t 从计算机接受和发送数据，远端计算机使用的虚拟控 制台是在一个网页中嵌入j a v a j c r i p t 程序来实现，并保存在c p3 4 3 一ii t 牛，远 端计算机可以通过标准网络i e 浏览器操作虚拟的控制台。 s i 娅n ss 7 3 0 0 和其他可编程控制器一样，都是采用循环扫描工作方式，郾 c p u 首先扫描输入模块的状态，并更新输入过程映像寄存器；然后执行程序，最 后在输出过程映像寄存器中将值输出到输出模块，因此循环卞去。 s 7 3 0 0p l c 的主要组成部分有：导轨( r a c k ) 、电源模块( p s ) 、中央处 理器c p u 模块、接口模块( i m ) 、，信号模块( s m ) ，功能模块( f m ) 等，通过 咿i 网的接口直接与p c 或其他p l c 相连。其系统构成如图2 4 所示。 基于w 曲的h c 远程实验系统的研究 图2 4s 7 3 系统结构图 f i g 2 4s t n l c t i l r eo fs 7 3 0 0s y s t s 7 3 0 0 是模块化的组合结构，根据应用对象的不同，可选用不同型号和不 同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一机架( 导轨) 或多个机架上。 c p u 3 1 4 3 1 5 最多可扩展为四个机架，i 粥6 0 i m 3 6 1 接口模块将s 7 3 0 0 背 板总线从一个机架连接到下一个机架。 中央处理单元c p u 总是在q 号机架的2 号槽位上，l 号槽安装电源模块，3 号槽总是安装接口模块，槽号4 至l l ，可自由分配信号模块、功能模块和通信 模块，需要注意的是，槽位号是相对的，每一机架的导轨并不存在物理的槽位嗍。 用于发送的接口模块i 淞6 0 装在o 号机架3 号槽，通过专用电缆，将数据从 i m 3 6 0 发送到i 船6 l ，两者之间的最大距离为1 0 m 具有接收功能的模块i 粥6 l ， 用于s 7 3 0 0 的机架l 到机架3 的扩展，通过连接电缆把数据从i 鹏6 0 接收到 i m 3 6 1 或者从一个i 淞6 l 传到另一个i 如6 1 ，它们之问的距离也不应大于1 0 m 。 s 7 3 0 0p l c 的主要模块介绍。 s 7 3 0 0 是模块化的组合结构，有多种型号的模块，下面就常用的模块结构 及接线方式简单介绍一下。 ( 1 ) 中央处理单元c p u 模块 沈阳工业大学硕士学位论文 s 7 3 0 0 有c p u 3 1 2i 朋，c p u3 1 3 ，c p u3 1 4 ，c p u3 1 5 ，c p u3 1 5 2d p 等 中央处理单元可供选择。 凹u3 1 2i 刚模块上集成有1 0 个数字量输入点和6 个数字量输出点，其余模 块上还带有继承i o 端口，其存储器容量、指令执行速度、可扩展的i o 点数、 计数器定时器数量，软件块的数量等，随序号的递增而增加。 c p u3 1 5d p 除具有现场总线扩展功能外，其它特性与c p u 3 1 5 相同。 2 ) 电源模块 ，p l c 豹内部电源应具有这样的功能：与外部电源隔离减少供电线路的影响； 有较强的抗干扰能力；功耗低；有良好的保护功能。目前以开关型稳压电路为主二 电源模块种类有p s3 0 72 a 、p s3 0 71 0 a 、p s3 0 75 a 。 此外，为了使r 从中的信息在突然失电情况下不丢失，p l c 一般都采用锂电 池作为r 删的后备电源。 ( 3 ) 数字量模块 s 7 3 0 0 有多种型号的数字量i o 模块供选择，如数字量输入模块s m 3 2 1 、 数字量输出模块s m 3 2 2 ，数字量i o 模块s m 3 2 3 ，此外还有仿真模块s m 3 7 4 ，占 位模块跏3 7 0 等。 数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成s 7 3 0 0 内部信号电 平，并传送到系统总线上。 数字量模块，按电压分类有直流1 2 v 、2 4 v 、4 8 v 和交流1 2 0 v 、2 3 0 y ；按保护 形式分类有隔离和不隔离两种；按点数分类有8 点、1 6 点、3 2 点等。 数字量输入模块s m 3 2 l 有四种型号模块可供选择，即直流1 6 点输入、直流 3 2 点输入、交流1 6 点输入、交流8 点输入模块。， 在实际应用中，无论选择哪种输入模块，都应该注意电压等级和输入点的设 计。 数字量输出模块就是将c p u 模块处理过的内部数字量信号转换成外部过程所 需要的信号，并驱动外部过程的执行机构、显示灯等负载。 数字量输出模块种类也很多。与输入模块一样，有各种电压等级、各种保护 形式、各种点数。 基于w 曲的p l c 远程实验系统的研究 数字量输出模块s m 3 2 2 有d o l 6 d c 2 4 v o 5 、d 0 3 2 a c l 2 0 v 1 a 等类型。 ( 4 ) 模拟量输入模块 模拟量输入模块是将外部生产过程缓慢变化的模拟信号，转换为能为可编程 序控制器识别的数字信号。模拟量信号类型相比于数字复信号类型要烦琐的多i 模拟量值的表示方法、测量方法、测量范围、输出范围，以及其于传感器、负载 或执行器的连接也都十分复杂。 s 7 3 0 0 的c p u 用1 6 位的二进制补码表示模拟量值，其中最高位位符号位s ， “o ”表示正值，。l ”表示负值。被测量的精度可以调整，取决于模拟量模块敲 性能和它的设定参数。s 3 7 0 0 模拟量模块的输入范围很宽，它可以直接输入电 压、电流、电阻、热电偶等信号。 模拟量输入模块跚3 3 l 有两种规格型号：一种是8 枣1 2 位模块，另一种是2 幸1 2 位模块。前者是8 通道的输入模块，后者是2 通道的输入模块。除了通道数不一 样外。其工作原理、性能、参数设置等个方面都完全样。 跚3 3 l 输入模块主要由a d 转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、 光电分离部件、逻辑电路等组成。a d 转换部件是模块的核心，其转换原理采用 积分方法嘲。 一( 5 ) c p 3 4 3 一l 通讯模块的功能1 1 0 j c p 3 4 3 一l 在工业以太网上独立处理数据通信。该模块有其自身的处理器。符 合国际标准的l 至4 层协议。并以多重协议方式实现下列通讯服务： p g o p 通讯( p gp r o g r a 舳i n gd e v i c e 编程器，0 p0 p e r a t o rp 帅e 1 操作 面板) 通过p g _ 0 p 通讯，可以对网络上的所有s 7 站进行远程编程。 一s 7 路由 通过s 7 路由，可以在多个网络间进行p g 0 p 通讯 s 5 兼容通讯( 发送接收和读写) ；基于第4 层( i s 0 传输) ，通过i s o 传输连接的简单而优化的数据通讯接口，最多可传输8 千字节的数据。 可以使用下列接口： i s o 传输 沈阳工业大学硕士学位论文 - 带p f cl p 0 6 ，( 例如c p1 4 3 0t c p ) 或不带r f cl 0 0 6 的1 p 传输。 u d p ( 用户数据报协议) 作为c pm 3 1 的传输协议- s 5 兼容通讯用于s i 淞t i cs 7 和s i 融t i es 5 ，s i 姒l r i cs 7 3 0 0 一4 0 0 和计算 机p c 之间的通讯i 必需的功能调用是工业以太网n 删s 7 的一部分，必需集成 到用户程序中。， 蹰通讯功能 用干与s 7 _ 3 0 0 ( 只限服务器) 、s 7 4 0 0 ( 服务器和客户枫k 瑚i 系统和p c 枫( 用s o f t n e ts z 或s 7 ：1 6 1 3 ) 通讯通过，c p3 4 3 _ l ，进行通讯，没有其它组态。r 用编程装置可通过工业以太网或w i n 进行c p u 远程编程： 为工业而设计 通过1 0 酬b i t 8 工业以太网，可将s 7 r 3 0 0 值接集成到复杂系统中 4 通过删的t c p i p 进行远程编程，也可使用电话线连接例如i s d n ) 通过自由u d p 连接，可适于任何数量的站 rr 个模块可以适用于多种应用；p g p c ，h 舡系统，s 5 s 7 c p 3 4 3 1 韵应用 c p3 4 争1 通讯处理器是用于s i 凇t i cs 7 3 0 0 通讯处理器。 采用其自身的处理器r 它分担c p u 的通讯任务并允许其它连接。通过 c p3 4 3 - l ，s 7 3 0 0 可与下列设备进行通讯： 编程器、计算机，人机界面装置 其他s i 姒t i cs 7 系统， ，s i 姒t i c r s 5 可编程序控制器一 谚g 中c p3 4 3 1 耵具有l q ，1 0 0 m b i 以工业以太阙，w 曲服务器，w w w 网页， b m a i l 发送功能，这样为基于w e b 的远程通讯提供的硬件基础。 2 2 2 主服务器 主服务器是网络伺服器，主要是v n c ( 虚拟的网络计算机) 1 伺服器，主要是 安装s t e p 7 软件，1 来对p l c 进行编程，远端的计算机可以通过v n c 技术直接使 用服务器上的s e t p7 软件来对p l c 进行远程编程。 基于w 曲的阻c 远程实验系统的研究 、r n c ( v i r t u a ln e t 们r kc 唧u t i 吣) 是一套由a 1 t 实验室所开发的可操控远 程的计算机的软件，其采用了g p l 授权条款，任何人都可免费取得该软件。1 l n c 软件主要由两个部分组成：，v n c8 e r v e r 及v n c = v i 凹e r 用户需先将v n cs e r v e r 安装在被控端盼计算机上后；才能在主控端执行v n cv i 曲e r 控制被控端( 在1 。 n n d 啊s 中也由一套著名的网络遥控软件s y m 锄t e c 公司推出的p c a n y - 1 1 e r e 。 v n c8 e r v e r 与v n cv i 明e r 支持多种操作系统，如u n i x 系列( u n i x ，l i n 峨，s o l a r i 8 等) ，膏i n d 佣8 及礁0 s ，因此可将v n cs e r v e r 及州cv i 钾e r 分别安装在不同的 操作系统中进行控制如果目前操作的主控端计算机没有安装v n cv i 明时，也可 以通过一般的网页浏览器俄i e 来控制被控端。 整个、n c 运行的工作流程如下： ( 1 ) v n c 客户端通过浏览器或v n cv i e - e r 连接至v n cs e r v e r 。 ( 2 ) v n cs e r 僧r 传送一对话窗口至客户端，要求输入连接密码，以及存取的v n c s e r y e r 显示装置。 ( 3 ) 在客户端输入联机密码后- v n cs e r v e r 验证客户端是否具有存取权限。 ( 4 ) 若是客户端通过v n cs e r v e r 的验证，客户端即要求v n cs e r v e r 显示桌面环 境。 ( 5 ) v n cs e r v e r 通过xp r o t o c o l 要求xs e r v b r 将画面显示控制权交由v s e r v e r 负责。 ( 6 ) v n cs e r v e r 将来由xs e r v e r 的桌面环境利用、，n c 通信协议送至客户端，并 且允许客户端控制v n cs e r v e r 的桌面环境及输入装置。， v n c 是一种虚拟计算工具。它的作用是，除从设备运行的地方可以直接进行 观察，只要有i n t e r n e t 的地方通过计算机都可以直接对设备的运行进行操作和观 察。 、r n c 有两个重要特征： ( 1 ) 服务器和观察器也许会作用在不同的设备上或作用在不同的地方。- ( 2 ) 通过观察器可以保存存档。中断观察器与服务器的联系，然后重新连 接将不会造成任何数据的丢失。因此，要运行v n c 需要先运行服务器，然后把它 沈阳工业大学硕士学位论文 连接到一个观察器上。现在的、n c 软件需要一个服务器和观察器之间的连绪的 t c p i p 控制协议，你需要知道服务器的名字或它的i p 地址。 t c p i p 通常指的是关于t c p 和i p 的任何东西，它是一个统称，它既可以包括 其它协议，其它应用程序，还可以包括网络介质。 i n t 阳吼是采用基于开放系统的网络参考模型t ( 删t | 柚鼬i s s i 蛐c 【咀的l p r o t l 瑚l 触t e l 戚n 删濮型。t ( 驯m 协议是目前最流行的商业化网络协议，尽 管它不是某一标准化组织提出韵正式标准，但它已经被公认为目前的工业标准或 “事实标准”随着枷加蛾的飞速发展，枷脚i c t 所遵循的t ( 渤呼参考模型得 到了广泛的应用。 。jt ( 渤”体系结构将网络划分为四层：应用层、传输层、网络层、阿络接口 层，如图2 5 所示t 0 s i t m t c p ，m j 应用层应用层 表示层 ? f 网 会话层 传输层传输层 蹰络层网络互联层 f 网 数据链路层主机- 网络层 物理层 ( 网络接口层) 图2 5t i ：p ，璎分层体系结构 f i g2 5 t c p ，mh i e 忍心i ia r c h 睫e d u 悖 其中，应用层与o s i 参考模型中的应用层、表示层及会话层相对应，传输 层与o s i 参考模型中的传输层相对应，网络层与0 s i 参考模型中的网络层相对 应，网络接口层与o s i 参考模型中的物理层和数据链路层相对应【1 1 1 。 虚拟计算工具、r n c ，是一个强大豹远程桌面访问和操作工具。它