08023205 高智 英文文献翻译.doc

天津科技大学外文资料翻译一个用于制造工程教育基于网络的可编程序控制器实验室摘要: 本研究的目的在于展现设计和开发网上可编程序控制器（PLC）系统的体系结构,这是为了在自动化生产系统控制区域内的远程教育能支持“实地操作”的实验练习。这种系统架构使得远程用户在互联网上能访问和控制基于PLC的桌面制造系统。一个通过设计和发展的网站具有促进互动性，并支持可编程序控制器(PLC)的程序设计和控制。在2001年秋天，通过利用罗拉-密苏里大学工程管理系的集成系统设备（ISF），使用了Emgt 334计算机集成制造系统对这种架构进行了测试和执行。而得到的研究结果表明市场上可行的软件工具是能够通过集成从而发展成一个为远程教育服务、相当复杂但有效的学习环境。本文提出的这种架构是并不依赖于特定PLC硬件或软件配置的，它代表一种通用的基础设施。关键词：自动化生产系统控制；电子实验室；电子化制造；以互联网为基础的远程教育；制造工程教育；网络制造1、介绍实验的目的有三个：（1）设计一个基于网络的可编程逻辑控制器(PLC)系统的体系结构，从而使得远程端的学生能够在互联网上访问关于生产设备的内容并做一些实验室练习；（2）开发一种标准的基于网络的可编程序控制器(PLC)的环境,从而执行/测试这个概念；（3）在远程教育课程中使用标准环境。这种被推荐的架构为远程教育课程院校机械制造专业提供了几个优点。它通过在因特网上提供了一套基于网络浏览器的用户界面，从而促进了学习的进程，并被连接到一个在实验室环境下的物质制造业。利用这些用户界面，远程端的学生可以访问关于物质制造设备的内容，与此同时甚至能实现人不在实验室中却可以控制这些设备中的一部分进行实作练习。同样的，本文提出了的这种概念为处于不同地理位置的用户在远程监控、控制和诊断制造系统等方面提供了巨大的潜能。本文所介绍的这种基于网络的制造系统控制体系结构可以使得在英特网上远程访问PLC控制的桌面制造系统设备。当只使用一部分的远程教育程序时，这种架构可以同时提供相同的学习环境给在现场或者是远程端的学生们，并且使这两种情况下学生们的学习质量之间的差别缩到了最小。而在英特网中去控制“真正”的设备是这种方法与其他类似方法的最根本区别,而且这种方法在很大程度上依赖计算机仿真/动画。这篇文章是按如下所构成的。在第2部分中，是一篇关于在教育方面以网络为基础的应用程序的文献调查第3部分描述的是网络的设计和PLC控制系统的开发。当然，第3部分还包括实施阶段、硬件的技术规格和软件模块的开发所能达到的标准环境。最后结论在第4部分给出。2、文献调查随着英特网和它的接、承受能力作为一个为了学习和教学的强大媒体迅速进步，远程教育在许多大学已成为一个重要组成部分。正是因为在全球范围内对因特网以及它的普遍接受性进行了广泛传播带给了远程教育新的机遇，所以其灵活性提供给学生能在不同地点和不同时间学习1。现在可以观察到，成人学习者报名的人是越来越多，而这些需求教育的人甚至是从很远的地方使用新的信息工具和技术来操作。有了这项新的需求，一些大学正在改变他们的计划并且重组他们的学术政策从而去适应这些新的受众2。远程教育可以被定义为一种交付的模式或选择方法满足这些有需求的学生3。这对于大学来说是很自然的抉择，因为远程教育能使大学为在世界各地的学生提供项目和课程，无论这些学生在多么遥远，多么分散的地方。此外，远程教育也允许这些组织对费用进行限制，这是为了继续教育，包括提供内部教育设施,可以使用一种弹性和自适应的时间表,并且减少了花费在不在工作地点的教学实验室里的时间4。众所周知的教育方针指出,学生与教师之间积极地互动，这种关系达到一个高的等级时可以使学生的学习更加有效5,6。然而许多现行的远程教育技术,信息的特点是被动地往一个方向流动,这个唯一的方向就是由教师到学生,却没有学生反过来立刻给教师反馈信息又或者是延后给出反馈信息6,7。像基于录像带的项目和在线资料就是这种远程教育方式的典型例子。在线所提供的一个特征是包括了解释性的资料和其他经典的合作方案，然而这往往不足以维持完整的学习经历，这种经历是科目所要求的，学生也因此必须发展动手实践经历方可8。举个例子，利用因特网上的课堂讲稿、实况录像以及双向实时通信，这种经历在技术上是有可能提供给远程教育的学生们。从把制造工程作为远程教育计划的角度出发，在互联网上是很难将实践于实验室里的应用的讲座补充好。制造工程和系统的相关课程很大程度上是建立在如机械、电子与应用数学等理论课程的基础上9。尽管学生可以随时随地地使用新兴的互联网技术很容易得到以课堂讲稿和实况录像为形式的课程材料，但是在真正的机器和设备上实作练习的有效距离发送仍然是一个具有挑战性的问题。从基于网络的生产实践的立场看来，一个卓有成效的学习环境应该不会导致一种学习上的独立和孤立；这种环境应该提供给学生在制造系统的控制参数和更多的经验的结果做出改变的能力。因此，作为积极参加学习的过程，学生们改变着他们处理要学习的材料的方法。许多工程课程已经开始利用万维网作示范、又或者是虚拟和远程实验室,甚至是基本的课程管理10。像如Java Applets、LabVIEW、MATLAB、Working Model等软件工具或技术已经被广泛应用于大学来补充传统网上教育内容，这些内容包括派发资料和多媒体。正如一些研究人员所证实的，今天的硬件和软件技术是可能实现远程控制仪器及设备。Ko et al.11展示了一个基于网络的实验室实验控制耦合水槽装置。另外他们还为了调频实验开发了一个网络实验室12。西奥和班达里13描述了他们的应用程序,这个程序可以让用户远程进行实验。所以说，网络实验室的概念也并不是新的想法。随着复杂性和交叉学科性质的技术研究和现代产品的发展，对于互动、不限物理位置的协同实验有一个日益增加的需求14。正如Ko et al.所归纳的15，对于教育的互联网集成是基于下列的条件：（1）拥有一个关于促进课程管理的网站；（2）用远程动画/模拟虚拟实验室来代替物理实验；（3）还需要一个为了学生能用实际设备在网络上建立参数、进行实验的远程实验室。表格1提出基于网络的例子也是建立在前文描述Ko所划分的教育环境11,12,16-37的基础上。对于第一类的集成有个实例，就是为了医学教育的互联网病理实验室16。这个受欢迎的网络资源包括为了自我评估的超过1900张以上随文本,教程,实验练习和检查项目一起的图像，而自我评估可以证实伴随着人们疾病症状宏观和微观的病理结果。其他的例子还有在华盛顿州立大学(WSU)实验室中为了制造自动化课程所进行的实验，在这里可以实时提供实验课程给远程的学生们，且是通过一个由WSU操作的互动电视系统被称为WHETS17。这个系统为WSU的多个校区提供了实时的音频/视频连接。当然，它也连接到类似的系统,如波音教育网络（BEN）又或者是在整个国家的不同社区大学和高中的K-20网站。它是通过网络得以增强将实验课程从WSU温哥华校区传输给WSU普尔曼小区的学生们，此外西雅图波音的WHETS教室是可以把设备带进去并连接到互联网上，这也使该系统得以增强。第二类教育集成利用了互联网，可以说是一个“虚拟实验室”。Poindexter10 把虚拟实验室定义实际设备在网上进行的软件模拟。而英国哥伦比亚大学基于虚拟实验室22的Java程序就可以让学生进行实验，比如说明渠流量实验。在这个实验中学生可以同时改变上游深度和岩床高度以便于看到不同的流量变化。至于其他在虚拟Java中基于实验室的有趣实验则有通过吹动而围绕一个多孔平板的流量实验和流经过一个圆柱的流量实验等。在亨茨维尔市里的阿拉巴马大学虚拟实验室提供在概率学和统计学领域里的基于网络、互动的资源。有个例子就是用一个远程动画/模拟的虚拟实验室去代替物理实验，那就是约翰霍普金斯大学的虚拟工程/科学实验室，它利用了Java编程语言和网络来模拟工程与科学的实验室项目。有一些实验是可以在实验室中进行，比如逻辑电路、扩散加工、油田钻探、机器人控制以及管道的热交换。使用于实验室的Java程序有两种类型：（1）仿真程序；（2）数据生成程序。其中仿真程序是随机过程仿真，也是为了显示数学理论的预测和过程中的行为两者的协议。这些通常被称为文献中的实验。而数据生成程序则是学生使数据生成于其中的程序，这是通过在程序中进行选择，不然就是对散点图或数线进行点击。当模拟/动画被使用为虚拟实验室的一部分时会有几个优势。这给学生们提供了一种有效的学习环境从而让他们熟悉的一个概念，并且/或者有一个特定的软件工具与物理设备相关。同时它能在不与物理设备互动的情况下控制参数的规划和运作的水平。这样学生就可以按自己的节奏进行实验和学习，也不会有伤到自己或损坏机器的风险。此外,同一套软件工具可同时让在现场和不在现场的学生使用。因为整个系统的行为只有有限的一部分可以被模拟，所以这些软件工具站在实际实验室应用和实验性工程的立场来讲，是不能完全替代物理设备的38。尽管上面所提到在互联网上以教育为基础实验室集成的几个类型对于提供课程的一般概念是有效果的，但是我们还是需要找到一种为物理系统提供实践经验的方法。为此我们做了大量的尝试，以提供给那些在网上通过物理设置获得实际练习和实验经验的学生们。在美国的普渡大学建立了一个称为SoftLab的远程实验室，用以一个提供物理实验和数值模拟的环境30。在安装了用于在实验室里访问服务的独家软件SoftMedia，用户就可以远程地控制一些真正的仪器。Aktan et al.31描述一个远程实验室，它能使用户远程控制一个三自由度的机械手臂。想要使用一个客户端-服务器结构，这就要求正确地设置软件X-终端。但要注意的是，人们意识到客户端和服务器端之间的通讯要使用用户数据协议(UDP)，但这个通讯可能是不可靠的。Werges和Naylor32讲述了一个被称为网络化教学仪器设备的远程实验室，它允许多用户访问，为了能在测试装置和设备的库中进行测量。用户为了访问这个实验室，需要安装一个客户端软件，然后通过使用Microsoft J+与Java一同被建立。3、系统设计和发展本研究的根本目的是发展一个基于网络的制造系统的控制环境，这个环境采用物理设备，从而教会学生使用PLC编程及通过互联网来控制。设计的约束和要求可以列出如下:(1) 开发Windows兼容的软件模块以实现需要的架构。(2) 提供了灵活和强大的功能从而为远程端的学生尽量减少潜在的问题。(3) 将系统集成连接到互联网上，且硬件不会失去效率和系统功能。(4) 提供工具以方便自学。(5) 开发一个在PLC程序下载到实际控制者处执行之前先对程序进行调试的验证工具。(6) 集成一个预订系统，这样可以使学生们能方便地预订一个基于网络的实验室去完成他们的实验室作业。(7) 获得学生对于以网络为基础的环境性能的反馈。ABET对实验室的指导方针：1 仪表化2 模型3 实验4 数据分析5 设计6 从失败中学习7 创造力8 精神运动9 安全性10 通信11 团队合作12 伦理学13 感官意识 图1 基于网络的PLC控制环境:基本框架目的：对于在现场的以及在远程端的学生，在学习效果的基础上减少差异。 系统设计 互联网计算机实验室物理实验室根据工程与技术认证委员会（ABET）为实验室所定的指导方针，该架构的设计已经在进行中。在过去的几年里，评审当局一直在努力以确定如何评估教育机构长途工程的方案，并为在线实验室建立了规则和目标。而ABET出现在为在线实验室发展一套准则的阶段早期。彼得森39是ABET的执行董事，他建议董事会首先建立对传统实验室的标准，然后将目标转为用于在线实验室，从而达到与传统实验室同样的标准。为了建立这些标准，工程人员们迈出了第一步并在2002年的一月于圣地亚哥集会。他们认为一个成功的传统实验室应该达到13个目标。而这些目标已经被用来作为网络PLC实验室发展的指导方针。ABET的指导方针以及它们如何在研究设计阶段中产生的是在图1中得以描述。3.1系统结构这个系统的结构，如图2所示，是建立有三个层次。位于第一层的客户端计算机，在互联网上通过位于第二层的系统控制器和系统支持器，从而与位于第三层的PLC系统通信。图2 系统结构第一层：配备有网络浏览器和Windows 2000终端服务客户端软件的客户端计算机，用于开发PLC编程并且在实体模型上执行程序。此外，基于HTML的帮助性文件和预订时段在实际模型上做实验室作业的预订系统是可以通过网络浏览器让用户得以使用的。而且通过Windows 2000终端服务是可以对PLC专用软件进行访问的。第二层：用来做为系统的控制器的就是一台运行Windows 2000的奔腾III500MHz的电脑。在系统控制器中有RSLogix 500、RSLinx、Emulator 500、Wonderware以及Windows 2000终端服务。其中的RSLogix 500是一个PLC编程软件包。而RSLinx是用于软件应用程序和设备的链接。由于Emulator 500是用于编译没有被连接到物理PLC的PLC程序，所以它能支持多用户访问这个当作是一个虚拟PLC而服务的软件层。此外Wonderware是用来开发一个实际物理系统的动态模型。最后的Windows 2000终端服务是为了在网络上远程访问以上所有的这些软件模块提供便利。而另外一台奔腾的电脑则作为系统支持器使用。它的主要功能是作为一个超文本传输协议（HTTP）的网络服务器，同时也是用于给远程端用户设置相应的Web网页。而且电脑上还有基于HTML的帮助性文件和预订系统。则用户首先登录到这台电脑上，然后获得进入系统控制器的通路。第三层：一个装备了传感器、少数信号灯和气缸的传输带，是用作基于网络的PLC实验室的物理模型。而艾伦布拉德利SLC 500 PLC就是用来控制这些物理模型的。这种PLC的编程是通过系统控制器上的Windows 2000终端服务，从而使用RSLogix 500软件包来完成的。然后将编好的程序通过RS-232端口编译和并下载到PLC上。另外在Wonderware开发的一个真实物理系统的虚拟模型，为PLC程序的验证提供了动画模块。通过网络摄像机提供的实时视频，是为了使用户能够监控制造应用程序的执行。网络摄像机是一台基于网络的实时视频数据流摄像机，其中内置有视频服务器的功能。它包括有一个镜头、光学过滤器、图像传感器、图像压缩以及与网络连接的Web服务器。网络摄像机有自己的IP地址，而且还包括来处理网络通信协议如TCP/IP等的计算功能。此外，网络摄像机不同于网站或者电脑摄像头，它不需要连接到一台计算机上。而在此应用程序中用到了双轴2100网络摄像机。这个摄像机支持ActiveX和Java程序，使得平台对于它们的功能有了独立性。3.2实施为了原型测试的目的，系统的架构在2001年秋季被30个充当校外学生的同学现场实施于Emgt 334计算机集成制造系统的课程中。PLC编程与控制的演习是通过网络上一个工程管理部门的计算机实验室来进行的，甚至是无人在实验室中。这次演习包括了由老师提供的情况来开发一个提醒逻辑图，并通过“动画”模式测试以及最后在物理系统上执行PLC程序。图3显示了按顺序排好的用户界面，远程用户通常经过导航以完成他的实验室工作。在完成他们的实验室工作后，学生们会被要求通过填写一份网上问卷提供反馈，这份问卷大致包含衡量系统有效性的9个方面。对于每个方面，提供了六个选项：不适用、差劲、一般、好、很好、优秀。学生们被要求评价的几个方面如下：（1） 帮助性文件是否具有好的组织性，使用户感到亲切并易于理解。（2） PLC程序的例子是否易于理解以便于能及时完成实验室的