基于S7-300 PLC的带传动实验台远程控制系统的研究【优秀机械机电毕业设计论文】【A6072】
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plc
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论文
a6072
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文档包括:
说明书一份,70页,27000字左右.
英文翻译一份.
图纸共9张:
A1-PLC接线图01.dwg
A1-PLC接线图02.dwg
A1-PLC接线总图.dwg
A1-系统接线接线总图.dwg
A2-PLC程序结构图.dwg
A2-加载电路.dwg
A2-监控视频系统结构图.dwg
A2-网络结构.dwg
A2-总图.dwg
- 内容简介：
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摘 要 随着远程教育 和英特网 的广泛应用，虚拟实验系统的研究逐渐被人们广泛关注，学生可以自由上网进入虚拟实验系统，操作设备，进行各种实验。 远程 虚拟实验不仅可以克服传统实验教学人力、物力、财力投入大的问题，更为远程实验教学的实施提供了 条件和技术支持，也为远程教育的质量提供了有力的保证。因此，现有实验设备的虚拟实验 化 改造 对远程教育有着很重要的意义。 本文在分析了带传动实验特点的基础上，结合远程教学的基本要求，提出了带传动 远程控制 实验系统的设计方案，针对设计要求，完成了系统的结构和硬件的设计。为了实现系统的设计 目标，本文做了如下工作： 1. 带传动实验 台 硬件的改造设计。 2. 建立基于 3. 为 远程 实验的教学软件提供数据接口和控制接口 。 带传动 远程控制 实验 系统 不但具备了 远程监控 功能 ,而且 保留现场的手动控制功能 ,不仅可以充分利用网络资源开展实验教学，而且可以通过网络进行远程实物实验，提高了 教学 实验效率和实验资源利用率。 关键词 :远程实验 ； 带传动 of in of on on on of of in in of it is to in on of of is on To 1. of 2. 73. of to on of 录 1 引 言 . .未定义书签。 题研究的目的和意义 . .未定义书签。 题的国内外研究动态、目前的发展水平及趋势 错误 !未定义书签。 题的来源和研究内容 . 错误 !未定义书签。 2 带传动 远程控制 实验系统硬件设计 . 错误 !未定义书签。 传动 远程控制 实验系统硬件装置的组成 . 错误 !未定义书签。 传动 远程控制 实验系统硬件设计 . 错误 !未定义书签。 传动实验台的原理和结构 . 错误 !未定义书签。 传动实验传感器设计 . 错误 !未定义书签。 传动实验台加载功能电路设计 . 错误 !未定义书签。 门子公司 介 . 错误 !未定义书签。 7件组态与接线 . 错误 !未定义书签。 传动 远程控制 实验系统网络 硬件 的选择 . 错误 !未定义书签。 服务器的选择 . 错误 !未定义书签。 络摄像机的选择 . 错误 !未定义书签。 线器的选择 . 错误 !未定义书签。 太网 . 错误 !未定义书签。 程计算机的选择 . 错误 !未定义书签。 传动 远程控制 实验系统硬件装置的结构 . 错误 !未定义书签。 3 带传动 远程控制 实验软件 能设计 . 错误 !未定义书签。 能简介 . 错误 !未定义书签。 简介 . 错误 !未定义书签。 传动虚拟实验台 控制程序的设计步骤 . 30 传动虚拟实验台 设计 . 32 能简介 . 55 介 . 55 计 面 . 58 4 带传动 远程控制 实验系统的网页 . 61 页 . 61 下载页 . 62 远程模拟实验网页 . 62 5 结论 . 63 参考文献 . 64 翻译部分 . 66 英文原文 . 66 中文译文 . 76 致谢 . 83 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 1 页 1 1 引 言 远程教育是学生与教师、学生与教育组织之间主要采取多种媒体方式进行系统教学和通信联系的教育形式，是将课程传送给校园外的一处或多处学生的教育。现代远程教育则是指通过音频、视频 (直播或录像 )以及包括实时和非实时在内的计算机技术把课程传送到校园外的教育。现代远程教育是随着现代信息技术的发展而产生的一种新型教育方式。计算机技术、多媒体技术、通信技术的发展，特别是因特网 (迅猛发展，使远程教育的手段有了质的飞跃，成为高新技术条件下的远程教育。实验作为教育的重要内容，是多数工程类课程 和应用类课程的不可缺少的一环，对培养学生的观察和实验能力，实事求是的科学态度，引起学习兴趣都有不可替代的作用。实验教学正是通过让学生亲自动手操作，观察事物发展及变化，加深理解 和认识从而使观察、思维、分析能力和创新精神得到培养和提高。因此， 无论是在传统教育还是在远程教育中，都非常重视对实验教学的开展与研究。通过虚拟实验室，能够通过计算机在网络中模拟一些实验现象。它不仅仅能够提高远程教育的教学效果，更加重要的是对一些缺乏实验条件的学生，通过网络同样能够“身临其境”的观察实验现象，甚至和异地的学生合作进行实验。 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、 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，这己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，网上实验己成为远程教学研究的重要方面 。 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。 本文的工作在于设计出一个远程控制网络，来远程控制一个西门子 公司 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 2 页 2 览器完成远程 制实验。本文改造的实验系统选择量大面广 和实验资源相对较少的实验，以便可以针对更多的学生要做的实验，通过笔者调查带传动的滑动和效率测定实验针对机械设计、机械原理等广大的机械工程及自动化的所有学生，随着学校的扩招和带传动实验系统资源的稀少，带传动实验很难满足学生亲手做实验的愿望和要求，据查中国矿业大学机电学院机械基础与 验仪器的数量还是依旧没有增加，而学生做实验的愿望不断增强，使带传动实验系统的改造更为必要。 为了满足学生做实验的愿望和方便学生和教学老师 的管理，我们对现有的带传动实验台进行改造，借助以太网对实验系统设计并添加西门子的 服务器、网络集线器、网络摄像机等硬件，并利用西门子的 软件编写远程控制实验台的功能设计，使其具备远程实验教学的基本功能，让学生利用远程计算机和学校网络进行带传动的滑动和效率测定实验。 带传动实验系统的建设不仅可以节约在实验教学方面的投入，更重要的是可以完善学院现有的教学体系，提高学院的教学水平和教学质量，促进学生学习的自主性，培养和提高学生的动手能力和创新能 力。建立远程控制带传动实验系统有许多优点，具体表现在如下方面 : (1) 实现了教育资源共享，节约设备投入。一方面，利用现有的计算机网络，可以节省大量的基础设施建设的重复投资，另一方面，利用软件平台技术组织网络实验资源，系统维护方便，易于扩充 ; (2) 不受传统的面对面的统一教学模式的限制，学生可进行反复操作实验，可有效地提高学生的动手能力 ; (3) 利用虚拟现实技术和多媒体技术制作的模拟实验，有利于培养学生分析问题和解决问题的能力 ; (4) 不受时间和空间的限制，随时都可以登陆网站进行学习。 题的国 内外研究动态、目前的发展水平及趋势 远程虚拟实验的提出至今仅为十余年的时间，但因其广阔的应用前景，各国均在大力开发，目前国内外对虚拟实验的研究较多，其研究的范围涉及到虚拟实验室的设计、虚拟实验在教学中的应用、虚拟实验系统的开发、虚拟实验管理系统开发、虚拟实验中多媒体技术的应用等诸多方面，涉及的学科有生物、物理、化学、计算机、自动控制等诸多学科，所用到的软件和语言有 。在虚拟设备的设计和应用方面，出现了许多成熟的、商业化的产品， 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 3 页 3 如 ，但由于在不同的专业和应用领域中，实验仿真模型的复杂程度、实验表现形式和工作运行模式等存在很大差异，所以，国内外研究机构由于创建一个虚拟实验系统是一项十分繁琐而费力的工作， 虚拟实验的研究也就突出表现在虚拟实验和虚拟实验系统设计平台的研究中。 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，并己将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划。在 1991 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，组织并实施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一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，已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”，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。 远程教育目前已被广泛的应用到大学的实验教学中来。国内外的一些大学己经组建了虚拟实验室，如剑桥大学、斯坦福大学、新加坡国立大学以及清华大学等都己 经 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 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 建出一个可视化的三维环境，其中每一个可视化的 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 4 页 4 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，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，或者是一些模拟图形。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，某些虚拟现实技术己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。 根据目前国内外虚拟实验的研究水平，结合今后虚拟实验的应用需求，虚拟实验以后主要有以下两个发展趋势 : （ 1） 协作式虚拟实验 与同伴合作是实验过程中一个至关重要的环节，因为科学实验常常是种协作性的活动。协作技术通常分为两个主要部分 :信息共享技术和通信技术。其中，信息共享技术使得用户能够让别的用户意识到他的活动以及活动的结果。通信技术(如聊天室、电子邮件等 )使得人们能相互协作讨论他们的工作。通信技术现阶段已比较成熟，而信息共享技术则比较难以实现，因为它一方面要求实现复杂数 据类型的转换 ;另一方面，它还没有较好的群件。原因一是 处未成熟阶段 ;二是协作任务的不同，开发一套普遍适用的规则较难。 因此，协作式虚拟实验的目标设计很重要，其目标就是要减少地域障碍，使世界各地的学生能在网上一起进行科学实验和讨论。在协作式虚拟实验中，每个用户都有一个特定的个人域并共享一个群域，通过这种方式，个人和小组工作既 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 5 页 5 可以个别发生，又可以同时发生。协作式虚拟实验虽然现在还不完善，但随着时间的推移和技术的进步它将是虚拟实验发展的另一种新的形式。 （ 2） 自适应虚拟实验 在日常语言中，“自适应”是指 生物变更自己的习性以适应新的环境的一种特征。自适应虚拟实验主要表现在以下两个方面 : 1， 为学生提供一个自适应的实验环境，把学生的实验过程记录下来，反馈其存在的问题，使得学生对自己遇到的问题反复练习、或向教师和同学寻求帮助，从而掌握相关知识和解决问题的技能。 2， 当过程己知时，实验设计过程规定了一组参数 ;当处于未知领域时，自适应实验的参数应当收敛到希望的参数范围内，体现出系统的开放性和协同性，这是现阶段虚拟实验最难实现的 ，也必将是虚拟实验的发展方向 。 另外为提升网上虚拟实验的作用，凸显网上实验的优势，还要有更 好的输入输出设备的引入。仅仅使用键盘、鼠标作为输入设备，使二维的显示器作为输出设备有时不能很好地体现虚拟的真实感。更好的输入备，如立体鼠标，头盔显示器等必将给用户更好的沉浸感。 随着新技术的不断创新，更多更好的用于构建网上虚拟环境的工具软件将出现 ,虚拟实验在教学实验改革中也有着非常广阔的应用前景。 题的来源和研究内容 本课题来源于 中国矿业大学机电工程学院机械基础与 械基础系列实验建设 ，目的在于 建设 一个基于 远程 带传动 实验平台，把 带传动 实 验室放到网上，实现网络 的 实验室。这样 不但弥补远程教学条件的不足 ， 在教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以作各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。 而且避免真实实验或操作所带来的各种危险， 学生在虚拟实验环境中可以放心的去做各种危险的或危害人体的实验。 在机械基础实验中，带传动 的滑动和效率测定实验 是每个学习机械学生必须做的实验项目，在机电工程学院实验中心 带传动 的滑动和效率测定实验 台仅有 5 台，要求做实验的学生又比较多，先有的实验资源满足不了学生做实验的要求，这使得带传动实验台的改造尤为必要。而在实验中心有改造带传动实验台的硬件 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 6 页 6 和软件，比如继电器，西门子的 硬、软件，加上学院和每个学生宿舍都有网络接口，这为带传动实验台的改造提供了条件，使其变为可能。 在分析了基于远程 虚拟实验方法发展现状的基础上， 根据实际要求 和方案，完成 系统的结构、硬件和软件的设计。主要工作和 研究内容 如下 ： 1. 架设 务器，组态硬件，编写可视化过程 画面，实现远程实验控制功能要求。（包括实验台可视化设计，启动，加载，数据实时显示，状态实时显示，实验数据分析，实验报告在线生成。） 2. 架设 务器，使主机提供 现远程访问。 3. 架设 务器，发布 程画面，实现远程实验过程控制。 4. 制作 点，提供远程虚拟实验访问接口。该功能接口包括：主页（提供总接口的整体可视化界面），下载页面（提供实验软件下载，视频教程下载，课件下载，等等资料下载），试验介绍页面（讲解实验原理，提出实验要求，是实验的准备部分），进 行实验页面（点击该页面就会引导进入 程画面，在可视化过程画面下对远程实验室带传动实验台进行操作，完成实验内容，该部分是整个系统的主要部分，还集成了实验数据分析功能和生成实验报告功能），摄像机页面（点击该页面则进入远程视频监控，可是实时真实监控远程实验室带传动实验台）。 5. 编写远程视频监控软件，实验在远程客户机端，打开服务器端摄像头，实时在线监控带传动实验台真实画面。 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 7 页 7 2 带传动虚拟实验系统硬件 结构 作为 带传动的 远程实验，从硬件系统上要分成两大部分： 第一部分是独立的实验 ，利用 制 带传动 实验台 ， 把 计算机服务器连接，可以利用服务器直接给 行编写程序， 挥 实验仪器 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 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 连接在一起的，通过 进行数据的远程传输， 来达 到远程控制 行实验的目的。 带传动实验内容如下： 1 根据不同的转速条件，控制主动轮转速恒定，调节负载大小，分别测定主动轮和从动轮的转速与转矩； 2 根据测定的主动轮和从动轮的转矩与转速，计算输入功率、输出 功率及传动效率； 3根据主动轮和从动轮的转速与轮径， 计算 滑差率； 4在不同的初拉力条件下测量皮带打滑时的转矩； 带传动实验步骤如下： 1 实验时的预紧拉力对传动性能有影响，改变砝码的大小可以改变预紧力。根据实验要求可适当选择砝码的大小，以达到对带传动过程中滑动率和效率的验证。 2 实验时，将电动机调速旋钮逆时针转至“最低速”位置，然后接通电源，按一下“清零”键，将调速旋钮顺时针向高速方向转动，待主动轮电机转速达到1400r/止转速的调节。 3 在空载状态下，调整实验台 背面的“调零”电位器，将被动轮转矩数值调至为 动轮转矩数值调至为 4 在空载时，记录主、被动轮转矩和转速，按“加载”键一次，第一个加载指示灯亮，待数值稳定后记录主、被动轮转矩和转速。重复上述操作，直至 7 个加载指示灯全部亮起，记录下这 8组数据即可得到带传动的滑动率和效率曲线。 5 实验结束后，按下“清零”键，加载显示指示灯全部熄灭，实验台机构处于空载状态。再将主动电机转速和转矩调至零，然后关闭实验台总电源。 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 8 页 8 件装置的组成 本论文的硬件装置是由西门子 公 司的 服务器 （ 务器，务器， 务器） 、网络集线器、网络摄像机、 带传动实验台 、以太网、 和远程 客户 计算机等构成。远程 虚拟 示 : 图 程控制实验结构图 验台 硬件装置 主要 部件 理和 结构 型智能带传动实验台是由主体部分、张紧装置、控制系统、转矩和转速测量装置 、数据采集处理计算机 组成， 如图 及主动轮 的输入转速和从动轮的输出转速，可进行带传动的滑动率与效率的测定。 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 9 页 9 图 现有带传动实验台组成 带传动实验台结构如图 中为 0中电机 1 主动，电机 2 从动。两只电机分别固定在一对支撑架上，从动电机可随支撑架在实验台基座滑道上滑动，以便调整传送带的初拉力。因为电磁力矩作用在转子上，它对转子作用，带动带轮工作，及表现为工作转矩。将转矩传感器分别安装在主动轮、从动轮的转轴上，就可以得到工作力矩和转速。实验台加载原理如下：将电机 2 的转速设计成超过同步转速运行，此时， 电动机便进入发电机运行状态。由于转子导体切割旋转磁场的方向与电机转速的方向相反，成为一个制动转矩。为了维持电机继续运转，必须有外界对转子输入机械转矩，以克服由电磁转矩所造成的制动转矩。两个电动机上分别装有转矩和转速的传感器，连接到实验台内部，对传感器输出的数据进行测量，从而确定带传动实验带的性能。实验台前基座上设有控制带传动的各种功能的操作按钮和显示带传动参数的数码显示器。 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 10 页 10 图 带传动实验台结构图 司 次对带传动实验台改造使用的是西门子公司生产的 列的 据带传动的 实验原理、 实验内容和实验步骤，这次对 件组态 用到模块有 如 下： 1， 负载电源模块（ 07 2A，器示意图如下： 图 源模块 2， 中央处理单元（ 标准 示意图如下： 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 11 页 11 图 央处理器单元 14 装配有： 微处理器 ： 每条二进制指令执行时间约 100条浮点数运行指令约 3s。 扩展存储器 ： 96 速 相当于大约 32 K 的指令 ) 用于执行相关的程序部分，为用户 程序提供充分的空间；微存储卡（最大 8 为程序的装载存储器，也允许在 保存项目（包括完整符号和注解）。 灵活的扩展能力 ： 多达 32 个模块，（ 4 排结构） 。 多点接口 内置 口可以最多同时建立 12 个与 00 或与 连接。在这些连接中，始终分别为 保留一个连接。通过 “全局数据通讯 ”， 以用来建立最多 16 个 成的简单网络。 14 功能 ： 口令保护 ， 用户程序使用密码保护，可防止非法访问 ； 诊断缓冲 ， 最后 100 个故障和中断事件保存在该缓冲区中， 供诊断使用 ； 免维护的数据后备在断电的情况下， 动地将所有数据 (最大 64到微存储卡中，这样，在再次通电时它能保持不变。 （ 详细信息请参见手册 ） 3， 数字量模块： 数字量输入 /输出模块 I 8/ 24V， 数字量输出模块 I 8/ 24V 设计 具有以下特 点 ： 设计 紧凑； 绿色 示输入和输出端的信号状态 ； 前连接器通过前盖板保护 ； 前盖上的标签区 ； 易于安装： 没有插槽规则 。通过插槽定义输出地址。 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 12 页 12 用户友好的接线 ； 数字量输入 /输出模块转换 的 功能 是将 来自过程的外部数字信号电平转换成部信号电平 和 将 内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平。（ 详细信息请参见手册 ） 4， 模拟量输入模块：由于实验中有传感器转矩和转速参数的传输，所以信号模块还需模拟量输入模块 。模拟量输入模块 9/12/14 位分辨率 ，器示意图如下： 图 拟量输入模块 模拟量输入模块 该模块具有如下特 点： 分辨率为 9 到 15 位 +符号位（用于不同的转换时间），可设置 不同的测量范围； 通过量程模块可以机械调整电流 /电压的基本测量范围。用 的 硬件组态工具可进行微调。 中断能力；模块把诊断和超限中断发送到可编程控制器的 。 诊断 ； 模块向 送详细的诊断信息。 （ 详细信息请参见手册 ） 5， 通讯处理模块（ T 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 13 页 13 6， 导轨 ：用于安装所选出来的 模块，其示意图如下 图 轨 最终硬件组态为导轨上 1 号 槽安装电源模块， 中央处理单元 装在 在 2号槽位上 ， 4 至 11 号槽 ，可自由分配信号模块和通讯模块 。 络 硬件装置 部件 服务器 主服务器是网络伺服器，主要是虚拟的网络计算机 （ 伺服器 ） ， 配置要求高，是整个系统的主要任务承担者， 安装 了 务器， 务器， 务器 。 通过 务发布 点，提供远程访问接口和程序，建立远程与实验仪器的连接，进行远程实验。 另外还要配置高的安全策略，保证系统的安全性。 络摄像机 网络摄像机是一 个摄像 头 ，如图 示。通过它远端计算机可以使用 览器窗口立刻看到 制 带传动实验台 的实时运行情况，观察 制 实验台 的效果。 图 摄像 头 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 14 页 14 参数设置后，远程计算机就可以使用 览器打开网络摄像 头 进行观察 作了。 线器 集线器 (对网络进行集中管理的最小单元，像树的主干一样，它是各分枝的汇集点。 一个共享设备，其实质是一个中继器，而中继器的主要功能是对接收到的信号进行再生放大，以扩大网络的传输距离。如图 示是 图 线器 要用于共享网络的组建，是解决从服务器直接到桌面的最佳、最经济的方案。使用 网灵活，它处于网络的一个星型结点，对结点相连的工作站进行集中管理，不让出问题的工作站影响整个网络的正常运行，并且用户的加入和退出也很自由。 依据总线带宽的不同， 为 10M， 100M 和 10/100M 自适应三种 。 在选用 ，还要注意信号输入口的接口类型，与双绞线连接时需要具有 口。如果与细缆相连，需要具有 口。与粗 电 缆相连需要有 口。当局域网长距离连接时，还需要具有与光纤 连接的光纤接口。早期 10般具有 种接口。 100 10/100般只有 口，有些还具有光纤接口。 这里选用 1008 口的 太网 以太网是当今局域网采用的最通用的通信协议标准。该标准定义了在局域网(采用的电缆类型和信号处理方法。以太网技术诞生于 1973 年， 是由 最初的数据传输速率为 着时间的推移，以太网的传输速度从 10步扩展到 10010太网的价格也跟随摩尔定律以及规模经济而迅速下降。如今，以太网已经成为局域 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 15 页 15 网 (的主导网络技术，而且随着吉比特以太网的出现，以太网正在向城域网(步迈进。 以太网主要是指以下三种不同的局域网技术 : 1， 以太网 / 采用同轴电缆作为网络媒体，传输速率达到 102， 100太网 又称为快速以太网，采用双绞线作为网络媒体，传输速率达到 1003， 1000太网 又称为千兆以太网，采用光缆或双绞线作为网络媒体，传输速率达 到 以太网以其高度灵活，相对简单，易于实现的特点，成为当今最重要的一种局域网建网技术。 以太网结构示意图如图 示 : 图 太网结构 作为一种基于竞争机制的网络环境，以太网允许任何一台网络设备在网络空闲时发送信息。因为没有任何集中式的管理措施，所以非常有可能出现多台工作站同时检测到网络处于空闲状态，进而同时向网络发送数据的情况。这时，发出的信息会相互碰撞而导致损坏。工作站必须等待一段时间之后，重新发送数据。补偿算法用来决定发生碰撞后，工作站应当在何时重新发送数 据帧。 在此 以太网 是用来连接服务器、 络摄像机和 ，用以进行局域网内数据交换。 程 客户 计算机 远程 客户 计算机是供远端进行 序设计与控制操作用的计算机，是一台普通计算机 （瘦客户机） ，要求不高，能够上网，打开 览器就可以，在远程计算机上可以打开 页中的各个功能，如虚拟 实验 台来对 实验仪器 操作，网络摄像机来观察 控制 带传动实验台 效果等等。 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 16 页 16 3 远程实验系统 功能与结构设计 在硬件设计的基础上，还要设计软件功能，来完成虚拟的远程 制实验，要在计算机上 设计一个虚拟 制台，使控制台和真实的 板具有相同的控制功能，并且用按钮来做输入和输出控制量。 软件功能设计包括 能简介及功能设计、 设与组态 、 介和组建 务器、摄像机功能 发虚拟实验台界面 组态软件是数据采集监控系统 软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分它具有丰富的设置项目，使 用方式灵活，功能强大 ，如图 示 。组态软件由早先单一的人机界面向数据处理机方向发展，管理的数据越来越大。随着组态软件自身以及控制系统的发展，监控组态软件部分地与硬件发生分离，为自动化软件的发展提供了充分的发挥作用的舞台。 出现，以及现场总线尤其是工业以太网的快速发展，大大简化了异种设备间的互连，降低了开发 I/I/ 实时数据库的作用的进一步加强。实时数据库是 统的核心技术。从软件技术 上讲， 质上就是一个可统一管理的、支持变结构的、支持实时计算的数据结构模型。在实时数据库技术中，还有对工业标准的支持，对分布式计算的支持和对实时数据库系统冗余的支持，等等。 目前看到的所有组态软件都能实现类似的功能：几乎所有运行于 32位 对工业控制系统中的各种资源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑；处理数据报警及系统报警；提供多种数据驱动程序；各类报表的生成和打印输出；使用脚本语言提供二次开发的功能；使用脚本 语言提供二次开发功能；存储历史数据并支持历史数据的查询，等等。 很多新技术将不断被应用到组态软件当中，促使组态软件向更高层次和更广泛发展。其发展方向如下： 1. 多数组态软件提供多种数据采集程序（ 用户可以进行配置。 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 17 页 17 2. 脚本语言是扩充组态系统功能的重要手段。 3. 可扩展性为用户提供了在不改变原有系统的情况下，向系统内增加新的功能的能力。 4. 组态软件的应用具有高度的开放性。 5. 与 6. 现代企业的生产已经趋向国际化、分布式的生产方式。 介 一种可扩展的过程可视化系统 (并按价格和性能进行细分，能高效控制自动化过程。 台，可实现完美的过程可视化，能为各种工业领域提供完备的操作和监视功能，涵盖从简单的单用户系统直到采用冗余服务器和远程 户端解决方案的分布式多用户系统。可方便地与标准程序和用户程序组合在一起使用，建立人机界面，精确地满足实际需要。工厂企业可基于 行系统扩展，通过开放式接口，开发其自已的应用系统。 代化的系统，设计有独特而颇富吸引力的用户界面，可用于办公环境和制造业，可提供成熟而可靠的运行环境以及有效的组态。无论是简单或复杂的任务， 可以对其进行扩展。结合集成过程数据库，使用 可实现跨公司信息交换和垂直集成，通过采用工厂智能，可实现更大的生产透明性。 于 台，能为各种工业领域提供完备的监控与数据采集 (功能，涵盖单用户系统直到支持冗余服务器和远程 户机解决方案的多用户系统。 跨公司垂直集成交换信息的 基础，它采用了工厂智能，可以实现更大程度的生产过程的透明性。 本系统是各种不同应用的核心。它不仅包含开放的编程接口，还包含大量已经开发了的 件 ( 由西门子 A&D 完成 ) 和 加件 ( 由西门子内部和外部合作方完成 )，用于给用户提供各种功能的扩展。 一个模块化、可延展的系统，扩展非常灵活，因而能用于机械工程中的单用户系统，直到复杂的多用户解决方案，甚至是工业和楼宇技术中具有多个 含冗余）服务器和客户机的分布式系统。基本上， 有以下系统组态：单用户系统 、 多用户系统 、 分布式系统 、 户机 、 瘦客户机解决方案 、 归档服务器（ 、 冗余服务器 、 分布式系统 。 除用于操作和监控、报警、记录、归档和管理等功能外， 本系统还 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 18 页 18 包括各种诊断选件。并在标准系统中提供有用于单用户系统或服务器的许多不同连接选件： 7、 5、 05、 P、 源管理器界面如下图所示，它包括以下九大部件 ：（ 1）变量管理器；（ 2）图形编辑器；（ 3）报警记录；（ 4）变量归档；（ 5）报表编辑器；（ 6）全局脚本；（ 7）文本库；（ 8）用户管理器；（ 9）交叉引用表。 图 理器 世界范围内应用越来越广，它具有以下特点： （ 1） 一种面向全球的解决方案 户可以在不同语言之间切换 。另外，用户也可同时以几种目标语言设计用户的项目，并在运行时切换。其基本系统的设计与技术功能和行业无关。事实上，来自工厂和机械工程的所有应用和工业领域的成 功案例都证明了这一点。如制药工业， 在该行业， 以相应选件即可满足要求。 在 供货范围内，还提供有用于连接 制器的最重要的通讯驱动，以及诸如 P/非专有通道。 富的选件以及 于信息交换，支持 商务集成。内置 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 19 页 19 所有 相应的 括： 1. 图形化可视化过程工序和状态 2. 使用菜单和工具栏定制的客户化用户界面，进行设备监控和操作 3. 产生、确认系统 报警和事件 4. 在过程数据库中归档测量值和消息 5. 记录过程变量数据和归档数据 6. 管理用户及其访问权限 7. 系统可连续记录质量相关工序和事件，使系统能够连续验证质量。 8. 组态简便、高效完善的组态功能降低了工程和培训所需时间和工作量： 9. 界面友好、面向对象的图形化编辑器 ， 丰富的库 10. 高效的模块化技术 ， 通过在线组态，可快速修改 （ 2） 一致可扩展性 (包括 为了应付日益增长的要求，用户必须能随时扩展过程可视化，同时又能完成全面重新组态，而不损失最初的投资， 以确保投资安全。 提供上述要求的一致扩展性， 从单用户解决方案，直至集成有中央归档服务器软件和基于 客户机解决方案。 （ 3） 易于集成的开放式标准 于特定技术功能和垂直市场扩展的 件，通过 持其它供应商的通讯驱动，用于应用程序数据库访问的标准接口 ( 集成标准脚本语言 (以及使用开放式开发工具包 (使用应用编程接口 (现数据和系统功能访问，通过 （ 4） 使用集成过程数据库软件进行信息交换 本包直接集成有功能强大、可扩展的基于 005的 件。它为用户提供了很多选择，其范围从当前过程数据和事件的高性能归档，到采用高度数据压缩和后备功能的长期归档，直到以跨公司的 务器形式的集中信息交换。 （ 5） 通过工厂智能 (实现生产更加透明 通过工厂智能，生产型企业可以智能利用工厂信息，来降低成本 ，避免废品，充分利用生产实施，并通过进一步分析，提高效率，改善赢利能力。其所拥有的高级系统功能 (诸如基本系统中测量值和消息的统计分析功能 )、无限制的开放性、集成数据库功能以及丰富的选件，可确保生产过程的更加透明化，以及正确决策。 （ 6） 通过选件和附加件进行扩展 于开放式编程接口，已开发出若干 中国矿业大学 08 届本科生毕业设计（论文） 第 20 页 20 件 (由西门子 A&D 开发 )和 加件 (由西门子内部和外部合作伙伴开发 )。 厂智能 ( 及提高可用性，实现系统扩展，和支持验证和跟踪。 （ 7） 全集成自动化 (重要组成部分 通过 完全集成各种自动化部件，从而能降低工程与组态成本以及寿命周期成本。例如，通过 以直接访问 利用其通讯参数。这样，从一开始，就可避免耗时费力的多次输入，并排除可能出现的故障源。 过与其它 如直接从 程序块和硬件诊断信息，使用 找并消除故障，使用 现预防性维护。 提供了适合于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据使其具有更高的实用性。除了这些功能以外， 使得将 泛的自动化控制解决方案成为可能。可以集成通过 数据访问，以及通过多种控件的对象和文档链接。这些机制使 为 界性能卓越、善于沟通的伙伴。 （ 8） 提供所有的主要 作为标准， 5/05 控制器的通讯通道，还包括 P, 非特定控制器的通讯通道。此外，更广泛可以由选件和附件提供。 （ 9） 与基于 控制器 密接口，软 /插槽式 操作、监控系统在一台 此前提下， C
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