力控組態(tài)軟件在網(wǎng)絡虛擬實驗室中的應用

1、力控組態(tài)軟件在網(wǎng)絡虛擬實驗室中的應用孫日升孫自強(華東理工大學自動化研究所,上海 200237摘要:虛擬實驗室建設是一條完善實踐教學的有效途徑,把組態(tài)軟件應用到自動化專業(yè)的虛擬實驗室建設具有十分重要的意義。通過對三維力控的成功應用實例,闡述了力控組態(tài)軟件的構成及基本功能。詳細描述了力控組態(tài)軟件的軟硬件結構、數(shù)據(jù)庫的建立以及控制策略的生成。在總結目前虛擬實驗室實現(xiàn)方法的基礎上,提出了一種可行的網(wǎng)絡虛擬實驗室方案,并進一步介紹了自行開發(fā)的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡虛擬實驗室。這一實驗系統(tǒng)已經(jīng)可以在局域網(wǎng)內(nèi)運行.關鍵詞:三維力控 組態(tài)軟件 虛擬實驗室0 引言隨著高校教學對實踐教學要求的日益提高,實驗室和實驗設備的

2、不足已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象,而在自動化專業(yè)這個問題尤為嚴重,例如自動控制理論,即使安排了必要的實驗時間,也往往因為不能針對學生的不同要求而難以取得滿意的效果。而且,目前許多大學紛紛組建自己的遠程教育網(wǎng)站,如何讓學員做在校學生才能完成的實驗也是一個棘手的問題。網(wǎng)絡實驗室建設在這方面作了有益的嘗試。在自動化領域,功能日益強大的組態(tài)軟件給我們提供了功能強大且靈活實用的開發(fā)平臺。近年來組態(tài)軟件發(fā)展迅速,品種繁多,國外的產(chǎn)品有FIX、Intouch等。這些軟件雖然功能強大但價格昂貴。以力控等為代表的國產(chǎn)組態(tài)軟件吸收了國外軟件的優(yōu)點,在功能上等同于國外組態(tài)軟件,而且具有全中文菜單,符合國人思維習慣,便于使用開發(fā)

3、,性價比高,近年來得到了廣泛的應用。三維力控組態(tài)軟件是國內(nèi)最早用于Internet的軟件,也是國內(nèi)應用案例最多、規(guī)模最大,且基于PC的HMI/SCADA的組態(tài)軟件。作者就是利用三維力控組態(tài)軟件開發(fā)了網(wǎng)絡虛擬實驗室,并應用于教學實踐。1 力控組態(tài)軟件1.1 力控軟件的組成該組態(tài)軟件主要由:工程管理器、開發(fā)系統(tǒng)、運行系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫I/O驅動程序、網(wǎng)絡通信程序、串行通信程序、撥號通信程序、Web服務器程序及控制策略生成器等。這些組成部分構成一個集成式的軟件包,其中所有組件都可以獨立分布地運行,并能通過網(wǎng)絡服務程序與其他組件交換數(shù)據(jù)。力控系統(tǒng)具有功能強大的圖形開發(fā)環(huán)境Draw,采用面向對象的圖形技術

4、,創(chuàng)建動畫式的人機界面系統(tǒng)及高可靠快速的圖形界面運行系統(tǒng)View,用來運行Draw創(chuàng)建的圖形窗口。先進的分布式實時數(shù)據(jù)庫DB是整個應用系統(tǒng)的核心模塊,負責整個力控應用系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理、報警信息處理、數(shù)據(jù)服務請求處理及完成與過程的雙向數(shù)據(jù)通信。1.2 力控組態(tài)軟件的特點力控監(jiān)控組態(tài)軟件是對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集與過程控制的專用軟件,同其他組態(tài)軟件一樣,其最大的特點是能以靈活多樣的“組態(tài)方式”而不是編程方式來進行系統(tǒng)集成。它提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實現(xiàn)方法,只要將其預設置的各種軟件模塊進行簡單的“組態(tài)”,便可以非常容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功能,縮短了自動

5、化工程師的系統(tǒng)集成的時間,大大提高了集成效率。具有實時開放數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。實時數(shù)據(jù)庫是力控軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心,是構建分布應用系統(tǒng)的基礎,負責實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理、報警處理、數(shù)據(jù)服務請求處理等。用戶可以很容易地從實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)獲取信息和將實時數(shù)據(jù)傳送到整個公司的信息系統(tǒng)中去控制系統(tǒng)運行;力控可以與多種I/O設備進行通信。目前支持的I/O設備包括可編程控制器、智能模塊、板卡、智能儀表、變頻器等。力控與I/O設備之間可以通過串行通訊方式(支持Modem遠程通信、板卡方式、網(wǎng)絡結點方式、適配器方式、DDE方式、0PC方式等;提供報警和事件。及時將控制過程和系統(tǒng)的運行情況通知操作人員

6、。力控系統(tǒng)支持“過程報警”、“系統(tǒng)報警”和“事件記錄”的顯示、記錄和打印。過程報警是指過程情況的報警;系統(tǒng)報警是有關系統(tǒng)運行錯誤報警以及I/O設備運行錯誤或故障報警等;而事件記錄則是系統(tǒng)對各種系統(tǒng)狀態(tài)以及用戶操作等信息的記錄。報警產(chǎn)生時首先由實時數(shù)據(jù)庫處理和保存,然后可由界面系統(tǒng)顯示和確認;提供動畫連接。動畫連接是指畫面中圖形對象與變量或表達式的對應關系。建立動畫連接后,在界面運行系統(tǒng)中,圖形對象將根據(jù)變量或表達式的數(shù)據(jù)變化改變其顏色、大小等外觀;提供動作腳本。力控提供動作腳本以增強對應用程序控制的靈活性;提供完備的安全保護機制。用戶管理將用戶分為操作工、班長、工程師、系統(tǒng)管理員等多個級別,并

7、可根據(jù)級別限制當前用戶的行為,以有效避免生產(chǎn)過程中的誤操作。此外還提供趨勢曲線、報表、分布式應用、配方、各種圖形、外部通信、各種控件、內(nèi)置數(shù)據(jù)表、I/O 設備驅動等各種功能。1.3 功能的實現(xiàn)與其它組態(tài)軟件一樣,力控各種功能也是通過以下幾個步驟來實現(xiàn)的,即畫面創(chuàng)建、I/O 設備配置、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)連接、建立動畫連接。實現(xiàn)方法與應用技巧視具體工程項目而定,不再詳述。2 網(wǎng)絡虛擬實驗室介紹目前,國外許多大學已經(jīng)建立起各種各樣的虛擬實驗室網(wǎng)站,研究亦已日趨成熟。通過網(wǎng)絡虛擬實驗室模擬真實實驗,可以減少實驗設備的開銷,尤其是通過開發(fā)遠程控制實驗還可以最大限度地共享有限的實驗室資源,節(jié)省人力物力,具有

8、廣泛的應用前景。但國內(nèi)這方面的研究還處于起步階段。從國外眾多的網(wǎng)絡虛擬實驗室來看,可以把它們分成以下兩大類,即純軟件仿真形式的網(wǎng)絡虛擬實驗室和直接操作遠程實驗室實驗的網(wǎng)絡虛擬實驗室。2.1 純軟件仿真網(wǎng)絡虛擬實驗室這類虛擬實驗室是實際物理設備及實驗過程的軟件仿真,可以看成是復雜的交互演示。與單機版實驗仿真相比,這類虛擬實驗室可以通過網(wǎng)絡來訪問,所有的內(nèi)容都集中在服務器上,便于集中管理。對于開發(fā)者來說,可以方便地添加新實驗,方便地收集用戶反饋的信息,及時更新、完善實驗內(nèi)容,對用戶使用中存在的問題也可以及時地予以解決。對于使用者來說,無需安裝,只需訪問網(wǎng)站即可。根據(jù)仿真執(zhí)行方式的不同,又可以把這類

9、純軟件仿真形式的虛擬實驗室分成兩種,一種是實驗界面與仿真算法獨立,把仿真代碼放在服務器上,在用戶端只運行實驗操作界面。因此,實驗運行時,用戶端需要與服務器端保持連接,實時地發(fā)送參數(shù)信息、接收仿真結果數(shù)據(jù)。另一種是實驗界面集成仿真算法,與前一類實驗室相比,這種形式的實驗室中實驗界面與仿真算法合在一起,都在用戶端運行,仿真過程中與服務器端并沒有直接的聯(lián)系,此時相當于單機版的仿真實驗,通常不能獨立運行。2.2 直接操作遠程實驗室實驗的網(wǎng)絡虛擬實驗室這類實驗通常具有視頻和音頻反饋,使用者可以耳聞目睹遠程實驗的運行過程,還可以遠程操縱實驗室實驗的運行,調整相應的參數(shù),觀察結果,驗證算法。這種方式的遠程教

10、育有效地利用了有限的實驗室資源,是目前網(wǎng)絡虛擬實驗室研究發(fā)展的一個重要方向。這類實驗室與前面的實驗室最大的區(qū)別在于,它直接控制遠程實驗室實驗設備的運行,其中的實驗模型是真實的實驗設備。因此,這類實驗一次只允許一個用戶進行實驗。3 網(wǎng)絡虛擬實驗室的開發(fā)3.1 系統(tǒng)概況本實驗系統(tǒng)在虛擬實驗室開發(fā)之前是通過真實的設備來讓實驗者完成實驗,對液位進行單回路PID 控制、串級控制等,控制功能由現(xiàn)場儀表實現(xiàn)?，F(xiàn)場操作增強了感性認識,但是也有很多弊端。例如實驗設備有限,很難讓每個人充分操作;元件參數(shù)不穩(wěn)定的影響、干擾和誤差的存在 (在液位與流量的串級控制中尤為明顯,不可能得出理想情況下的結果,容易對實驗者產(chǎn)生

11、誤導;無法為學有余力的實驗者安排額外的實驗;無法完成較為復雜的控制功能,例如模糊控制等。作者利用力控組態(tài)軟件開發(fā)的網(wǎng)絡虛擬實驗室較好地解決了上述問題。3.2 硬件結構整套液位控制系統(tǒng)如圖1所示,液位控制模塊采用福建百特的智能儀表,能進行PID 控制,液位通過液槽底部 壓力傳感器進行檢測。實驗室模擬工控現(xiàn)場,信號傳輸均采用RS485通信方式,因此附加一個RS232/RS485轉換接口與現(xiàn)場的計算機串行通信?，F(xiàn)場的計算機聯(lián)入網(wǎng)后即可利用力控的Web 功能,通過設置來實現(xiàn)遠程訪問與控制。針對具體教學要求,充分利用力控的動畫設置就可以準確而形象地模擬實驗室真實情況,而不必使用通常的遠程實驗室所要具備的

12、視頻與音頻設備。3.3 監(jiān)控軟件設計實時數(shù)據(jù)庫DB 是整個應用系統(tǒng)的核心,是構建分布式應用系統(tǒng)的基礎。它負責整個力控應用系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理、報警信息處理、數(shù)據(jù)服務請求處理,完成與過程數(shù)據(jù)采集的雙向數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)庫根據(jù)點名決定數(shù)據(jù)庫的結構,每個點都包含若干參數(shù)。一個點可以包含一些系統(tǒng)預定義的標準點參數(shù),還可包含若干個用戶自定義參數(shù)。點類型是實時數(shù)據(jù)庫DB 根據(jù)監(jiān)控需要而預定義的一些標準點類型, 目前提供的標準點類型有模擬I/O 點、數(shù)字I/O 點、累計點、控制點、運算點等。不同的點類型完成的功能不同。比如,模擬I/O 點的輸入和輸出量為圖1 控制系統(tǒng)模擬量,可完成輸入

13、信號量程變換、小信號切除、報警檢查,輸出限值等功能;數(shù)字I/O 點輸入值為離散量,可對輸入信號進行狀態(tài)檢查等等。在本系統(tǒng)中,經(jīng)創(chuàng)建點參數(shù)、定義I/O 設備、數(shù)據(jù)連接等幾個步驟便可完成數(shù)據(jù)庫的建立。使用力控的圖形功能,可以在液位控制系統(tǒng)主畫面上形象地繪制溫度控制系統(tǒng)畫面圖。為了使靜態(tài)的畫面能隨數(shù)據(jù)庫變量的變化而變化,需要進行動畫連接。動畫連接后,系統(tǒng)的運行狀態(tài)可以實時地在圖形上動態(tài)顯示。例如液位的變化、實時曲線、閥門的啟閉、報警燈的閃爍、管道內(nèi)液體的流動等等。如此豐富的功能僅僅通過簡單的組態(tài)就可以完成了。針對虛擬實驗室的建設,控制策略的生成是最關鍵的工作,因為控制策略直接關系到實驗者在實驗后對知

14、識的理解程度。任何一種實際應用都要或多或少地用到控制策略,如控制方案、聯(lián)鎖保護等等,不再詳述。在本系統(tǒng)的開發(fā)中,除了一般的控制回路設計以外,還在幾個方面進行了嘗試,并已經(jīng)過教學實踐的驗證,取得了很好的效果。首先,為了更好地完成網(wǎng)絡實驗室的功能,在 開發(fā)中對對象進行了仿真,即用軟件仿真代替實際的水槽對象,為此需要設定對象傳遞函數(shù)的階數(shù)和參數(shù)。這樣,實驗者就可以完全脫離實驗設備的限制進行實驗,而且可以自行調節(jié)對象的屬性,比如水槽的橫截面積對控制過程到底有什么樣的影響,又是如何反應于對象的傳遞函數(shù)中的。最重要的是,這種模式可以讓多實驗者同時進行實驗,在獲得授權后又可以直接控制真實設備。 其次,為了讓

15、實驗者更深入地理解自控系統(tǒng)工作的原理,比較理想情況與實際情況的差異,在策略中加入了擾動的模擬,通過在畫面中擾動開關來選擇是否加入和加入何種擾動,讓實驗者直觀地了解各種擾動對控制過程的影響情況。實現(xiàn)這個功能只需在控制策略中加入隨機擾動、正弦擾動等數(shù)據(jù)庫輸入變量,再用開關控制器進行選擇就可以了。圖2就是這種控制策略最簡單的實現(xiàn)方法之一。最后,在控制策略中可以實現(xiàn)更加復雜的功能,例如模糊控制等,只要在策略中實現(xiàn)模糊控制的模糊化規(guī)則,再進行反模糊化就可以實現(xiàn)。其它復雜控制策略,多數(shù)也是可以嵌入到本系統(tǒng)中的。而且,有興趣的實驗者可以將工程項目下載后自行開發(fā),檢驗不同控制策略的控制效果。3.4 虛擬實驗室

16、的Web 實現(xiàn)力控的網(wǎng)絡結構是一種分布式結構。用戶的應用程序可以分散在網(wǎng)絡上的多個服務器,每個服務器分別處理各個監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)保存、報警處理等,然后運行在其他工作站上的客戶端應用程序,可以通過網(wǎng)絡對這些服務器的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一監(jiān)控、管理。力控的Web 功能能夠使網(wǎng)絡中作為客戶的PC 機無須安裝力控軟件而通過瀏覽器直接瀏覽力控的工程畫面。在Web 服務器端要安裝力控軟件,通過力控的Web Server 來完HTTP 發(fā)布功能,實現(xiàn)了真正的標準瘦客戶端。在虛擬實驗室的建設中,根據(jù)實際需要,作者選擇了這種簡單的Web 發(fā)布方式,但同時提供項目工程的下載,工程運行包的下載,以滿足不同用戶的要

17、求。通過IE ,實驗者可以瀏覽設備的運行情況,可以下載工程項目進行單機的實驗。如有必要,對進行網(wǎng)絡變量的設置后是可以進行遠程控制的。網(wǎng)絡變量的原理很簡單。簡言之,對于運行系統(tǒng)View ,當它訪問本機上的數(shù)據(jù)庫時,本機數(shù)據(jù)庫被視作本地數(shù)據(jù)源;當它訪問遠程結點上的數(shù)據(jù)庫時,遠程計算機的數(shù)據(jù)庫被視作遠程數(shù)據(jù)源。另外,兩臺主機上的數(shù)據(jù)庫DB 之間也可以相互通信。此時,一臺主機上的數(shù)據(jù)庫對于另一臺就是遠程數(shù)據(jù)源。進行最簡單的Web 發(fā)布需要進行一系列的配置,包括: 配置Web 服務器。這一步驟,需要對Web 根目錄、初始畫面、IP 地址等進行設置; 設置IE 瀏覽器。為了保證在IE 瀏覽器中正確顯示力控

18、R 的工程畫面,需要對IE 瀏覽器的部分參數(shù)進行設置; 自定義Web 主頁。力控OR 提供了一個名為DrawCom 的ActiveX 控件,用戶可以在自定義的Web 頁面(HTML 文件上插入該控件,然后通過IE 瀏覽器訪問該Web 頁面以瀏覽力控工程畫面; 啟動力控Web 。為了在遠程瀏覽器上訪問力控Web 服務器,必須運行一個Web Server 程序。Web Server 程序可以是力控提供的Web Server ,也可以是其它廠家提供的支持HTTP 協(xié)議的Web 服務程序。如果數(shù)據(jù)庫與Web 服務器在同一計算機機上,還要啟動數(shù)據(jù)DB 及網(wǎng)絡服務器程序。 4 結束語在分類介紹、比較目前國外各種典型網(wǎng)絡虛擬實驗室的基礎上,提出了一種具體可行的實現(xiàn)方案,把工控圖2控制策略軟件應用于網(wǎng)絡虛