力控组态软件在网络虚拟实验室中的应用

1、力控组态软件在网络虚拟实验室中的应用孙日升孙自强(华东理工大学自动化研究所,上海 200237摘要:虚拟实验室建设是一条完善实践教学的有效途径,把组态软件应用到自动化专业的虚拟实验室建设具有十分重要的意义。通过对三维力控的成功应用实例,阐述了力控组态软件的构成及基本功能。详细描述了力控组态软件的软硬件结构、数据库的建立以及控制策略的生成。在总结目前虚拟实验室实现方法的基础上,提出了一种可行的网络虚拟实验室方案,并进一步介绍了自行开发的控制系统网络虚拟实验室。这一实验系统已经可以在局域网内运行.关键词:三维力控 组态软件 虚拟实验室0 引言随着高校教学对实践教学要求的日益提高,实验室和实验设备的

2、不足已经成为普遍现象,而在自动化专业这个问题尤为严重,例如自动控制理论,即使安排了必要的实验时间,也往往因为不能针对学生的不同要求而难以取得满意的效果。而且,目前许多大学纷纷组建自己的远程教育网站,如何让学员做在校学生才能完成的实验也是一个棘手的问题。网络实验室建设在这方面作了有益的尝试。在自动化领域,功能日益强大的组态软件给我们提供了功能强大且灵活实用的开发平台。近年来组态软件发展迅速,品种繁多,国外的产品有FIX、Intouch等。这些软件虽然功能强大但价格昂贵。以力控等为代表的国产组态软件吸收了国外软件的优点,在功能上等同于国外组态软件,而且具有全中文菜单,符合国人思维习惯,便于使用开发

3、,性价比高,近年来得到了广泛的应用。三维力控组态软件是国内最早用于Internet的软件,也是国内应用案例最多、规模最大,且基于PC的HMI/SCADA的组态软件。作者就是利用三维力控组态软件开发了网络虚拟实验室,并应用于教学实践。1 力控组态软件1.1 力控软件的组成该组态软件主要由:工程管理器、开发系统、运行系统、实时数据库I/O驱动程序、网络通信程序、串行通信程序、拨号通信程序、Web服务器程序及控制策略生成器等。这些组成部分构成一个集成式的软件包,其中所有组件都可以独立分布地运行,并能通过网络服务程序与其他组件交换数据。力控系统具有功能强大的图形开发环境Draw,采用面向对象的图形技术

4、,创建动画式的人机界面系统及高可靠快速的图形界面运行系统View,用来运行Draw创建的图形窗口。先进的分布式实时数据库DB是整个应用系统的核心模块,负责整个力控应用系统的实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警信息处理、数据服务请求处理及完成与过程的双向数据通信。1.2 力控组态软件的特点力控监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件,同其他组态软件一样,其最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成。它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法,只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”,便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能,缩短了自动

5、化工程师的系统集成的时间,大大提高了集成效率。具有实时开放数据库系统。实时数据库是力控软件系统的数据处理核心,是构建分布应用系统的基础,负责实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。用户可以很容易地从实时数据库系统获取信息和将实时数据传送到整个公司的信息系统中去控制系统运行;力控可以与多种I/O设备进行通信。目前支持的I/O设备包括可编程控制器、智能模块、板卡、智能仪表、变频器等。力控与I/O设备之间可以通过串行通讯方式(支持Modem远程通信、板卡方式、网络结点方式、适配器方式、DDE方式、0PC方式等;提供报警和事件。及时将控制过程和系统的运行情况通知操作人员

6、。力控系统支持“过程报警”、“系统报警”和“事件记录”的显示、记录和打印。过程报警是指过程情况的报警;系统报警是有关系统运行错误报警以及I/O设备运行错误或故障报警等;而事件记录则是系统对各种系统状态以及用户操作等信息的记录。报警产生时首先由实时数据库处理和保存,然后可由界面系统显示和确认;提供动画连接。动画连接是指画面中图形对象与变量或表达式的对应关系。建立动画连接后,在界面运行系统中,图形对象将根据变量或表达式的数据变化改变其颜色、大小等外观;提供动作脚本。力控提供动作脚本以增强对应用程序控制的灵活性;提供完备的安全保护机制。用户管理将用户分为操作工、班长、工程师、系统管理员等多个级别,并

7、可根据级别限制当前用户的行为,以有效避免生产过程中的误操作。此外还提供趋势曲线、报表、分布式应用、配方、各种图形、外部通信、各种控件、内置数据表、I/O 设备驱动等各种功能。1.3 功能的实现与其它组态软件一样,力控各种功能也是通过以下几个步骤来实现的,即画面创建、I/O 设备配置、创建数据库、数据连接、建立动画连接。实现方法与应用技巧视具体工程项目而定,不再详述。2 网络虚拟实验室介绍目前,国外许多大学已经建立起各种各样的虚拟实验室网站,研究亦已日趋成熟。通过网络虚拟实验室模拟真实实验,可以减少实验设备的开销,尤其是通过开发远程控制实验还可以最大限度地共享有限的实验室资源,节省人力物力,具有

8、广泛的应用前景。但国内这方面的研究还处于起步阶段。从国外众多的网络虚拟实验室来看,可以把它们分成以下两大类,即纯软件仿真形式的网络虚拟实验室和直接操作远程实验室实验的网络虚拟实验室。2.1 纯软件仿真网络虚拟实验室这类虚拟实验室是实际物理设备及实验过程的软件仿真,可以看成是复杂的交互演示。与单机版实验仿真相比,这类虚拟实验室可以通过网络来访问,所有的内容都集中在服务器上,便于集中管理。对于开发者来说,可以方便地添加新实验,方便地收集用户反馈的信息,及时更新、完善实验内容,对用户使用中存在的问题也可以及时地予以解决。对于使用者来说,无需安装,只需访问网站即可。根据仿真执行方式的不同,又可以把这类

9、纯软件仿真形式的虚拟实验室分成两种,一种是实验界面与仿真算法独立,把仿真代码放在服务器上,在用户端只运行实验操作界面。因此,实验运行时,用户端需要与服务器端保持连接,实时地发送参数信息、接收仿真结果数据。另一种是实验界面集成仿真算法,与前一类实验室相比,这种形式的实验室中实验界面与仿真算法合在一起,都在用户端运行,仿真过程中与服务器端并没有直接的联系,此时相当于单机版的仿真实验,通常不能独立运行。2.2 直接操作远程实验室实验的网络虚拟实验室这类实验通常具有视频和音频反馈,使用者可以耳闻目睹远程实验的运行过程,还可以远程操纵实验室实验的运行,调整相应的参数,观察结果,验证算法。这种方式的远程教

10、育有效地利用了有限的实验室资源,是目前网络虚拟实验室研究发展的一个重要方向。这类实验室与前面的实验室最大的区别在于,它直接控制远程实验室实验设备的运行,其中的实验模型是真实的实验设备。因此,这类实验一次只允许一个用户进行实验。3 网络虚拟实验室的开发3.1 系统概况本实验系统在虚拟实验室开发之前是通过真实的设备来让实验者完成实验,对液位进行单回路PID 控制、串级控制等,控制功能由现场仪表实现。现场操作增强了感性认识,但是也有很多弊端。例如实验设备有限,很难让每个人充分操作;元件参数不稳定的影响、干扰和误差的存在 (在液位与流量的串级控制中尤为明显,不可能得出理想情况下的结果,容易对实验者产生

11、误导;无法为学有余力的实验者安排额外的实验;无法完成较为复杂的控制功能,例如模糊控制等。作者利用力控组态软件开发的网络虚拟实验室较好地解决了上述问题。3.2 硬件结构整套液位控制系统如图1所示,液位控制模块采用福建百特的智能仪表,能进行PID 控制,液位通过液槽底部 压力传感器进行检测。实验室模拟工控现场,信号传输均采用RS485通信方式,因此附加一个RS232/RS485转换接口与现场的计算机串行通信。现场的计算机联入网后即可利用力控的Web 功能,通过设置来实现远程访问与控制。针对具体教学要求,充分利用力控的动画设置就可以准确而形象地模拟实验室真实情况,而不必使用通常的远程实验室所要具备的

12、视频与音频设备。3.3 监控软件设计实时数据库DB 是整个应用系统的核心,是构建分布式应用系统的基础。它负责整个力控应用系统的实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警信息处理、数据服务请求处理,完成与过程数据采集的双向数据通信。数据库根据点名决定数据库的结构,每个点都包含若干参数。一个点可以包含一些系统预定义的标准点参数,还可包含若干个用户自定义参数。点类型是实时数据库DB 根据监控需要而预定义的一些标准点类型, 目前提供的标准点类型有模拟I/O 点、数字I/O 点、累计点、控制点、运算点等。不同的点类型完成的功能不同。比如,模拟I/O 点的输入和输出量为图1 控制系统模拟量,可完成输入

13、信号量程变换、小信号切除、报警检查,输出限值等功能;数字I/O 点输入值为离散量,可对输入信号进行状态检查等等。在本系统中,经创建点参数、定义I/O 设备、数据连接等几个步骤便可完成数据库的建立。使用力控的图形功能,可以在液位控制系统主画面上形象地绘制温度控制系统画面图。为了使静态的画面能随数据库变量的变化而变化,需要进行动画连接。动画连接后,系统的运行状态可以实时地在图形上动态显示。例如液位的变化、实时曲线、阀门的启闭、报警灯的闪烁、管道内液体的流动等等。如此丰富的功能仅仅通过简单的组态就可以完成了。针对虚拟实验室的建设,控制策略的生成是最关键的工作,因为控制策略直接关系到实验者在实验后对知

14、识的理解程度。任何一种实际应用都要或多或少地用到控制策略,如控制方案、联锁保护等等,不再详述。在本系统的开发中,除了一般的控制回路设计以外,还在几个方面进行了尝试,并已经过教学实践的验证,取得了很好的效果。首先,为了更好地完成网络实验室的功能,在 开发中对对象进行了仿真,即用软件仿真代替实际的水槽对象,为此需要设定对象传递函数的阶数和参数。这样,实验者就可以完全脱离实验设备的限制进行实验,而且可以自行调节对象的属性,比如水槽的横截面积对控制过程到底有什么样的影响,又是如何反应于对象的传递函数中的。最重要的是,这种模式可以让多实验者同时进行实验,在获得授权后又可以直接控制真实设备。 其次,为了让

15、实验者更深入地理解自控系统工作的原理,比较理想情况与实际情况的差异,在策略中加入了扰动的模拟,通过在画面中扰动开关来选择是否加入和加入何种扰动,让实验者直观地了解各种扰动对控制过程的影响情况。实现这个功能只需在控制策略中加入随机扰动、正弦扰动等数据库输入变量,再用开关控制器进行选择就可以了。图2就是这种控制策略最简单的实现方法之一。最后,在控制策略中可以实现更加复杂的功能,例如模糊控制等,只要在策略中实现模糊控制的模糊化规则,再进行反模糊化就可以实现。其它复杂控制策略,多数也是可以嵌入到本系统中的。而且,有兴趣的实验者可以将工程项目下载后自行开发,检验不同控制策略的控制效果。3.4 虚拟实验室

16、的Web 实现力控的网络结构是一种分布式结构。用户的应用程序可以分散在网络上的多个服务器,每个服务器分别处理各个监控对象的数据采集、历史数据保存、报警处理等,然后运行在其他工作站上的客户端应用程序,可以通过网络对这些服务器的数据进行统一监控、管理。力控的Web 功能能够使网络中作为客户的PC 机无须安装力控软件而通过浏览器直接浏览力控的工程画面。在Web 服务器端要安装力控软件,通过力控的Web Server 来完HTTP 发布功能,实现了真正的标准瘦客户端。在虚拟实验室的建设中,根据实际需要,作者选择了这种简单的Web 发布方式,但同时提供项目工程的下载,工程运行包的下载,以满足不同用户的要

17、求。通过IE ,实验者可以浏览设备的运行情况,可以下载工程项目进行单机的实验。如有必要,对进行网络变量的设置后是可以进行远程控制的。网络变量的原理很简单。简言之,对于运行系统View ,当它访问本机上的数据库时,本机数据库被视作本地数据源;当它访问远程结点上的数据库时,远程计算机的数据库被视作远程数据源。另外,两台主机上的数据库DB 之间也可以相互通信。此时,一台主机上的数据库对于另一台就是远程数据源。进行最简单的Web 发布需要进行一系列的配置,包括: 配置Web 服务器。这一步骤,需要对Web 根目录、初始画面、IP 地址等进行设置; 设置IE 浏览器。为了保证在IE 浏览器中正确显示力控

18、R 的工程画面,需要对IE 浏览器的部分参数进行设置; 自定义Web 主页。力控OR 提供了一个名为DrawCom 的ActiveX 控件,用户可以在自定义的Web 页面(HTML 文件上插入该控件,然后通过IE 浏览器访问该Web 页面以浏览力控工程画面; 启动力控Web 。为了在远程浏览器上访问力控Web 服务器,必须运行一个Web Server 程序。Web Server 程序可以是力控提供的Web Server ,也可以是其它厂家提供的支持HTTP 协议的Web 服务程序。如果数据库与Web 服务器在同一计算机机上,还要启动数据DB 及网络服务器程序。 4 结束语在分类介绍、比较目前国外各种典型网络虚拟实验室的基础上,提出了一种具体可行的实现方案,把工控图2控制策略软件应用于网络虚