基于西门子自动化技术的自动化类实验远程教学系统

1基于西门子自动化技术的自动化类实验远程教学系统PracticeandExplorationinTheExperimentRemoteTeachingofAutomationSpecialty金文兵（.浙江机电职业技术学院杭州市310053）JinWenbing1,JinJianxiang2,ZhangMing1(1.ZhejiangInstituteofMachanical&ElectricalEngineering,2.ZhejiangUniversity,Hangzhou310053,China)摘要：有些自动化类的实验系统，控制对象价格昂贵、数量少，影响教学效果，如过程控制等实验。在实验设备加上以手机短信方式发送控制指令及改变运行参数、使用网络视频监控系统监控现场的控制效果及设备的运行情况，实验可以通过GSM移动通信及校园网在任何时刻进行，客户端监控计算机只要装有普通的IE浏览器即可进行实验。对于PLC控制实验，也可以在校园网上使用以太网下载PLC控制程序，网络视频监控控制效果来实现PLC控制实验的远程教学。利用实验实训的远程教学系统在充分提高实验设备利用率的基础上，提高了教学效果。Abstract：Thecontrolobjectsaresoexpensiveandfewthattheteachingresultisbadofsomeexperimentalsysteminautomationsuchasprocesscontrolexperiment.TheexperimentcouldbedoneinanywhereandanytimebywaysoftheGSMandtheinternet,iftheordersweretransmittedandtherunningparameterswerevariedbytheshortinformationofmobilecommunication,thescenecontrolresultandtherunningsituationwasmonitoredbynetworkedvideosolutions.TheclientcomputercandoexperimentswiththeIEexplorer.ThePLCcontrolexperimentcanberemotetaughtbyschoolnetwork,thePLCcontrolprogramisdownloadedinEthernet,thePLCcontrolresultismonitoredbynetworkedvideosolutions.Theremoteexperimentteachingsystemcanenhancetheteachresultandtheutilizationratio.关键词：实验教学;网络技术;过程控制技术;远程控制;GSM;手机短信Keywords：experimentteaching;Networktechnique;ProcessControltechnology;Remotecontrol;GSM;ShortMessageService中图分类号：TP2731．引言[1]由于经费等各方面的原因，一般高校价格昂贵的实验实训设备台套数较少，影响教学效果。每个班级分多个批次做实验也不是好的解决办法。有些实验室的实验安排比较困难，或者只能由教师做演示，大家在下面看，效果很差。例如过程控制实验系统价格高，在进行实验时一般需要反复多2次观察过渡过程，甚至需要多次重复做一个实验，以便分析系统的特性，验证和发现控制规律，特别在进行温度PID控制参数的工程整定实验时，其实验时间要花费好几个小时，按常规的安排方式只能是一组多人还得分多批次进行，实验效果极差。要是让实验设备在任何时刻都能利用起来，特别是在晚上及双休日，那就能在充分提高实验设备利用率的基础上，提高教学效果。应用网络技术的实验远程教学系统就具有此特点。2．实例1--通过广域网的PLC过程控制实验远程教学系统2.1系统组成过程控制实验远程教学系统主要由过程控制实验对象、TC35GSM通信套件、S7-200PLC、带云台的摄像机、网络视频服务器、带组态软件的上位计算机等组成，系统接入INTERNET网络。如图1所示。用户是通过手机短信发送指令的，实验的结果信息及现场设备的视频信息是摄像机通过INTERNET网络传送到客户端电脑上的。INTERNET图1过程控制实验远程教学系统示意图Fig.1ThestructureoftheremoteteachingsystemofprocesscontrolexperimentequipmentTC35是德国西门子公司推出的GSM模块,它支持双频(900MHz和1800MHz),可以通过40脚的ZIF借口建立控制接口,使用户可以通过AT指令对TC35模块控制,40个管脚可以划分为5类,即电源,数据输入与输出,SIM卡,音频控制接口和控制。TC35GSM通信套件，用于连接GSM移动电话网（900或1800MHZ），套件包含TC35调制解调器模块、电源电缆、天线电缆以及GSM接收天线。其上位机及组态软件智能仪表S7-200PLCPC/PPI电缆TC35模块数据采集与控制过程控制实验对象球机含云台、云台解码器、摄像机网络视频服务器AV1950客户机上位机及组态软件智能仪表3作用是以手机短信的方式接收用户的指令，如执行各种操作、改变控制参数等，并把执行结果返送用户，也可以根据用户的指令发送回现场的各种参数。达到双向远程控制的目的。由北京先进视讯科技有限公司生产的网络视频服务器AV1950和球机（含云台、云台解码器、摄像机）组成的网络视频监控系统，利用现有的系统，采用嵌入式的“网络视频服务器”，实现从监控点前端、监控中心、监控工作站的数字化处理。网络视频服务器是第三代全数字化远程视频集中监控系统的核心设备，属于最新一类的网络数字化监控产品，利用它可以将传统摄像机捕捉的图像进行数字化编码压缩处理后，通过局域网、广域网、无线网络、INTERNET或其它网络方式传送到网络所延伸到的任何地方，千里之外的网络终端用户通过普通电脑就可以对远程图像进行实时的监控、录像、管理。网络视频服务器基于网络实现动态图像实时传输的特点，使得以往必须局限在区域范围的图像监控系统，变得可以不受时间与地域的限制。上位机既作为视频设备管理服务器，又加装了组态软件（可以是MCGS、组态王、WINCC等）。做过程控制实验时,控制参数的改变、过渡过程的历史曲线和实时曲线、操作步骤、操作提示、实验指导等信息都通过组态软件在上位机上能够显示出来。上位机屏幕上的信息可通过摄像机传送到客户机上。作为视频设备管理服务器上位机装了北京先进视讯科技有限公司开发的网络视频监控管理系统AvinfOiDVRVer3.0，基于目前最流行的Browser/Server构架，可以通过任何IP网络（UNICAST/MULTICAST）进行数字视频/音频的传输和管理；同时提供基于CLIENT/SERVER构架的网络视频监控管理系统。AvinfOiDVRVer3.0服务器端软件可在windows2000pro/2000Server/2003server上运行。系统采用B/S构架，不需要安装客户端软件，IE浏览器会自动安装相应的控件，为远程用户提供了很大的方便。智能仪表与S7-200PLC是实现对现场的控制参数进行采集并按照接收到手机短信发来的指令进行相应的控制，S7-200PLC也可以直接进行温度等过程控制的实验，但是对于流量等的过程控制实验由智能仪表来控制效果更好。过程控制对象为过程控制技术的实验平台，能进行的实验为：温度、流量、压力、水位等过程变量的PID单回路控制、多回路控制、比值控制、前馈控制、纯滞后控制、解藕控制等。2.2系统的控制软件控制系统的软件部分主要由PLC控制程序及上位机的组态监控软件组成。控制步骤如图2所示。PLC控制程序主要控制短信指令的接收编译、各种操作的执行并通过上位计算机改变智能仪表的控4制参数。上位机的组态监控软件主要是显示实验结果如控制参数的实时曲线、历史曲线、操作提示、各种表格信息等，并显示实验介绍、操作说明、实时帮助等信息，方便用户使用。由于是远程实验系统可以实现24小时全天开放，下班时间无人值守，控制软件还加上了紧急停车的功能，如果系统出现故障或有其他危险情况，系统会自动停车，并连续几次向实验室管理人员和用户发出报警的短信。实验管理人员具有最高的控制优先权限，可以随时对现场进行远程监控。控制系统还会随时自动向实验管理人员发送实验设备运行情况的短信。5图2控制系统的软件结构示意图Fig.2Thestructuraldrawingofcontrolsystemsoftware控制系统开始运行被选中的实验项用户通过手机短信发送操作指令、设置控制参数PLC判别密码正确设备空闲预先获取TC35SIM卡帐号用户请求作实验，发送密码到TC35模块以短信的方式告诉用户网络视频服务器的IP地址用户上网打开IE浏览器，键入IP地址，可看到现场及上位机的信息用户在上位机的显示屏上看实验介绍、注意事项、操作说明用户发送短信选择实验项目编号选择好实验项目控制系统接收到控制系统回复“收到”信息，并开启电源使相应的元器件进入工作状态，实验开始用户对结果满意不再继续做实验用户通过短信发出停止指令控制系统回复收到信息，并执行停止操作，切断相应的电源系统收到指令结束63．实例2--通过校园网的PLC控制实验远程教学系统通过校园网的PLC控制实验远程教学系统如图3所示，此系统中S7-200/300/400PLC专门加了一个以太网模块，以太网模块分配的固定IP地址及网络视频服务器的固定IP地址已事先告诉做实验的学生，PLC的控制程序通过校园网进行读写，控制效果可以通过视频系统进行监控,为防止多人同时操作同一台实验设备。当由于程序出错容易引起控制对象出危险时，必须要考虑加上安全预防措施。例如在外电路上加上互锁、联锁装置等。校园网图3通过校园网的PLC控制实验远程教学系示意图Fig.3ThestructureoftheremoteteachingsystemofPLCcontrolexperimentbyschoolnetwork4．应用效果我们在过程控制实验对象基础上加装了PLC控制与远程监控系统，使用者只要用装有IE浏览器的电脑通过INTERNET和普通手机就能在任何时刻、任何地点进行实验，使用者的电脑上不必再加装其他特殊的软件，使用十分方便。使用者还可以在自己的电脑上通过调节远程摄像头观看被控对象的实时情况，也可以听到现场发出的各种声音，就像身临其境一般。该系统可以充分提高实验设备的利用率，还可以实现与其他学校共享自己的实验设备，能收到较高的社会效益。通过校园网进行PLC控制实验的远程教学尽管只能在校园网内进行，但由于实验也可以在任何时刻进行，同样提高了设备利用率和教学效果。以太网模块CP243/343/443数据采集与控制实验对象球机含云台、云台解码器、摄像机网络视频服务器AV1950客户机S7-200/300/400PLC服务器7参考文献:[1].唐鸿儒，宋爱国．基于Internet的远程控制实验室研究．测控技术．2005.25(2)：54-58。[2].关歆；倪行洁；郑伟博等．基于PLC的收集短信远程控制系统．实验技术与管理．2006.23(2)：P61-62。[3].周国祥；周俊；苗玉彬等．基于GSM的数字农业远程监控系统研究与应用．北京农业工程学报，2005Vol.21,No.6:87-91。[4].曹成茂；夏萍；朱张青．无线数据传输在节水灌溉自动控制中的应用．北京农业工程学报，2005Vol.21,No.4:127-130。[5].吴红权．如何设计与实现远程控制中的视频传输．中国科技信息，2006.6:183-184。[6].夏德海．现场总线技术．北京：中国电力出版社，2003.9[7].SIMATIC，S7-300/400的系统软件