PDF《基于 WEB 的远程实验平台设计与实现》

第八届工业仪表与自动化学术会议

1 基于 WEB 的远程实验平台设计与实现 Design and Implementation of the Web-based Remote Experiment Platform 张帆李力雄 费敏锐 (上海大学机电工程与自动化学院,上海 200072) 摘要:总结和借鉴了国内外网络实验室的发展现状和经验,将一套本地实验装置扩展为基于 WEB 的远程实验 平台.

重新设计了原实验装置的控制单元,以现场总线、工业以太网为通信枢纽,OPC 为软硬件通信接口与网 际组态软件 WebAccess 的监控节点相连, 使校园网或 Internet 上的用户能够通过 WebAccess 远程控制锅炉液位和 远程调整控制单元 PID 参数,为构建远程实验平台提供了一种实用的解决方案. 关键词:基于网络 OPC PID 远程调整 Abstract: By summarizing and referring to domestic and overseas networked laboratories, local boiler experimental device is extended to web-based experimental platform. We redesign the control unit of experimental device by using the field bus and industrial Ethernet as its communication methods ,OPC as its communication interface which connects to supervisory node of WebAccess. Remote control of boiler level and remote tuning of PID parameters via campus net or Internet are achieved. A practical resolution for building web-based experimental platform is presented. Key words: Web-based OPC PID Remote tuning

0 引言 从实验室建设的角度来看, 建立远程实验平台对我国的知识创新体系有着重要的意义. 近年 来,随着互联网技术的成熟和计算机的普及,国内己有为数众多的大学开辟了网络虚拟实验室, 比如:华东师范大学电子系的基于网络的电子线路虚拟实验室[1] ,学生可通过互联网登录并访问 实验室服务器,完成各种仿真模型的实验. 然而采用抽象符号表示的虚拟的实验设备往往无法代替真正的实验环境, 无法实现真正的实 物实验. 利用网络开发的另一类教学实验是远程控制实验, 远程控制实验与虚拟实验最大的区别 在于:用户在客户端上的所有实验操作,都通过网络真实作用到相关物理设备,设备再将真实的 实验数据通过网络返回给用户,用户可以得到与真实实验室相同的实验技术锻炼.目前,国外的 远程实验室发展速度很快,例如日本 Hosei 大学基于 WWW 的远程实验平台[2] .近年来,国内的 相关高校也逐步开展了远程实验室的构建工作, 比如清华大学精密测控技术及仪器国家重点实验 室的工程光学远程实验系统[3] 等. 本文构建的正是远程控制实验平台,校园网或者 Internet 上的用户可以远程控制液位并且远 程调整控制单元的 PID 参数.

1 系统架构 原有一套锅炉实验系统,现对其控制单元进行重新设计,以现场总线、工业以太网为通信枢 纽, OPC 为软硬件通信接口与网际组态软件 WebAccess 的监控节点相连,实现了校园网或 Internet 上的用户能够通过 WebAccess 远程控制锅炉液位和远程调整控制单元 PID 参数. 第八届工业仪表与自动化学术会议

2 远程实验平台的系统构架如下图

1 所示. Webaccess工程节点 (学校网站服务器) Webaccess 监控节 点(实验室PC) 校园网 INTERNET 工业以太网模块 智能单元 协议转换器 以太网 DeviceNet Profibus E1 DeviceNet从模块 智能单元 DeviceNet从模块 智能单元 Profibus从模块 智能单元 Profibus从模块 智能单元 D1 D2 P1 P2 小型锅炉系统 出口压力测量 炉内温度测量 夹套温度测量 进口流量的测量 液位的测量和控制 图1系统架构 由图

1 可知,校园网或者 Internet 上的每个授权用户都可以通过网络对一个小型锅炉系统进 行数据采集和控制:节点 D1 负责炉内温度的测量;

节点 D2 负责夹层温度的测量;

节点 P1 负责 液位的测量和控制;

节点 P2 负责进口流量的测量;

节点 E1 负责出口压力的测量.监控节点采 用网际组态软件 WebaAccess 对实际对象进行组态,使用户能够通过网络对锅炉进行监控. WebAccess 是完全基于浏览器的人机界面(HMI)和监控及数据采集(SCADA)软件,全部的工程制 作都可以通过网络在异地使用标准的浏览器(如IE)完成,同时只需在浏览器中输入监控节点 的IP 地址就可以对本地设备进行监控.

2 控制单元的设计与实现 液位的数据采集和控制由 P1 节点的控制单元完成,其硬件部分主要由两块模块组成:一块 是HMS 公司的 Profibus-DP 从站模块 Anybus-s, 上面集成 SPC3(Siemens Profibus Controller)芯片, 能够将应用数据以 Profibus-DP 报文格式发送至 Profibus-DP 主站, 同时可以接收主站数据至应用 程序, 具备从站节点功能;

另一块是自主开发的硬件模块, 其中微处理器采用 WINBOND 的8051 芯片 W78E58,有A/D、D/A 转换电路,以及键盘控制、液晶显示等扩展功能,它主要实现的功 能包括对液位进行数据采集、 设置以及对 Anybus-s 进行操作. 两块模块通过应用接口(Application connector)相连. 第八届工业仪表与自动化学术会议

3 为构建远程实验平台,重新设计的 P1 节点控制单元主要实现了两部分功能. ① 采用离散增量式 PID 控制算法对液位进行控制. 离散增量式 PID 控制算式如下:

1 1

1 2 ( ) (

2 ) ;

k k k p k k i k d k k k p p d i d i p p p k e e ke k e e e k T k T k k T T ? ? ? ? = = ② 实现 PID 参数远程调整. Anybus-s 是Profibus-DP 从站模块,该模块中的双口 RAM 有输入数据区(Input date area,简称IN 区)和输出数据区(Ouput date area,简称 OUT 区) ,其中 IN 区是 Profibus-DP 从站上传至 主站的数据区,OUT 区是主站下传到从站的数据区.原控制单元在两个数据区中各开辟了

10 个 字节,数据格式如图

2 所示. 图2原控制单元 IN 区和 OUT 区的数据格式 图3重新设计的 OUT 区数据格式 对于 OUT 区, 202H 和203H 分别存放液位设定值小数部分的低

8 位和高

8 位;

204H 和205H 分别存放液位设定值整数部分的低

8 位和高

8 位. 因202H 地址

8 位二进制数存放小数部分已经足够,所以将 203H 地址存放的数值作为标志 位,当标志位为 01H、02H、03H 时,代表 Kp、Ti、Td 的值;

当为其他值时,代表液位设定值. 其中 204H 和205H 分别存放设定值整数部分的低

8 位和高

8 位,202H 存放设定值小数部分. 重新设计的 OUT 区数据格式,调整控制单元 PID 参数的程序流程图如图

3 所示. 图4调整 PID 参数的流程 通过重新设计 OUT 区数据格式,调整控制单元 PID 参数的程序流程图如图

4 所示. 第八届工业仪表与自动化学术会议

4 SetKp SetTi、SetTd 完成的功能是将用户设置的 Kp、Ti、Td 的值存入相应的地址.自主开发 的模块中有块地址从 4000H 到5FFFH 的SRAM,其中 5C00H 开始的

4 个地址存放 Kp,5C04H 开始的

4 个地址存放 Ti,5C08H 开始的

4 个地址存放 Td,增量式 PID 控制算法中的参数都取自 这里.

3 OPC 的配置 OPC 即OLE for process control,它的出现建立了一套符合工业控制要求的通信接口规范, 使控制软件可以高效、 稳定地对硬件设备进行数据存取操作, 系统应用软件之间也可以灵活地进 行信息交互, 极大提高了控制系统的互操作性和适应性. 它是由世界领先的自动化厂商与微软合 作制定的一项工业标准,它以组件对象模型(COM/DCOM)技术为基础,采用客户/服务器 (Client/Server)模式,定义了一组 COM 对象及其接口规范. 如图

5 所示,通过 COM 接口,OPC 客户程序可以和一个或多个提供商的 OPC 服务器连接, 同时一个 OPC 服务器也能同多个客户程序相连,形成多对多的关系.任何支持 OPC 的产品都可 以无缝地实现系统集成. SCADA OPC接口 HMI OPC接口 OPC客户 ... OPC服务器1 OPC服务器n ... 现场设备 现场设备 ... 现场设备 现场设备 ... 图5通过 OPC 实现的系统集成 本文采用的 OPC 服务器是 Intellution 公司的 MBE OPC Server. 首先在 OPC 服务器中对传输 到上位机的所有 I/O 点进行了设置,包括起始地址,终止地址以及数据类型等,相关参数保存在 专用配置文件中. 然后在 WebAccess 监控节点下配置通信端口为 OPC, 启动 WebAccess 自带的 OPCTool 软件, 即可将 MBE 中设置的 I/O 点全部导入 WebAccess. 通过组态,在WebAccess 中对液位进行监控以及远程调整 PID 参数(图6) ,图7为远程控 制液位为 100mm 的液位变化曲线.

4 结束语 本文重新设计了原实验装置的控制单元,通过现场总线、工业以太网以及 OPC 接口与 WebAccess 的监控节点相连,实现了校园网或 Internet 上的用户能够远程控制锅炉液位和远程调整 控制单元 PID 参数.该过程中的某些思想和方法也可以应用到其他各种远程实验平台建设中, 具有非常重要的意义. 同时,远程实验平台也为研究网络控制系统以及延时分析与处理提供了算法验证的平台. 目前,在客户端编写智能控制算法自整定调整 PID 参数正在进行中. 第八届工业仪表与自动化学术会议

5 图6PID 参数远程设置 图7锅炉液位变化曲线 参考文献 1. 韩定定,王淑仙,张亦楠,周B.电子线路虚拟实验室的 Java 实现[J].计算机工程,2006,32(21):264-269 2. Hideki Hirano,Daisuke Yoshizawa1 and Masami Iwatsuki, A Remote Experiment System on Robot Vehicle Control for Engineering Educations Based on World Wide Web[C].35th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference,October

19 C22, 2005, Indianapolis. 3. 周亚辉,朱昊,周爱平,邓焱.基于 LABVIEW 的工程光学远程实验系统设计[J].实验技术与管理,2006,23(10),63-66 4. 丁磊.Profibus-DeviceNet 间嵌入式协议转换技术研究及其芯片级实现[D].上海:上海大学学报,2006. 5. 赵长德.MCS-51/98 单片机原理与应用[M].机械工业出版社. 6. 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,2000. 7. 李京,宋真君等.OPC 规范的产生和发展[J].自动化仪表,2002,23(4),68-70. 本项目得到上海市重大科技攻关项目(04DZ11008) 、上海市科委重点基础研究项目(04JC14038) 、上海市电站自动化技术重点实 验室和上海市重点学科(T0103)资助. 第一作者张帆,男,1983 年生,主要研究方向为网络控制系统.