乔丙立 姜建芳 徐 慧
南京理工大学自动化学院 江苏南京 210094
PLC控制系统远程实验室的设计与实现
乔丙立 姜建芳 徐 慧
南京理工大学自动化学院 江苏南京 210094
针对远程教育中实验环节的教学问题,讨论了学习者通过Internet远程完成PLC控制系统实验的解决方案。首先讨论了远程实验室的构成,包括其网络结构设计、网站设计及仿真被控对象设计,最后讨论了远程实验室的测试。通过MPS供料站的实验测试表明:远程客户端通过VPN连接实验室服务器可远程操控完成实验,证明了设计方案的可行性。
远程实验;可编程序控制器;虚拟专用网络;LabVIEW
随着互联网的普及和网络技术的快速发展,远程教育也进入了快速发展时期,但目前远程教育注重于理论知识的教学,缺少对学生动手实践能力的培养,实践环节在远程教育中显得非常薄弱。究其原因,接受远程教育的学生多是在职学习且分布在不同的地区,他们很难到传统的实验室内完成实验。为解决这一问题,设计了可通过Internet远程完成实验的PLC实验室,使学生的理论学习与实践能力培养相结合,有助于提高远程教育的教学质量。
PLC远程实验室是通过计算机网络技术、计算机仿真技术、OPC技术及VPN技术等构建而成,实验室内的实验平台采用半硬件半软件仿真方式实现,即由真实的PLC控制器和计算机仿真的被控对象组成。
采用半硬件半软件仿真方式实现远程实验室的特点:使用了真实的S7-300PLC,可以实现全软件仿真方式下PLCSIM不能实现的功能,该方式下控制系统的仿真能力增强;被控对象利用LabVIEW开发,可以根据实际教学需要设计,实验灵活性较大;实验系统采用B/S模式,它是基于HTTP协议的,远程客户端通过浏览器即可观察和控制仿真被控对象,且仿真被控对象的更新相对C/S模式较为简单。
PLC远程实验室的硬件设计模拟了实际工厂中的网络拓扑结构,分为四层,即客户机层、服务器层、控制和监控层、设备层,如图1所示。下面分别对4层网络结构进行介绍。
2.1 客户机层
客户机层包括各个连接至VPN服务器的远程客户端。在建立连接之前,远程用户需要在电脑上创建虚拟专用网络连接(即VPN连接)。为保证数据的传输安全,VPN客户端与服务器之间的数据进行了加密处理。
2.2 服务器层
服务器层包括VPN服务器、系统管理计算机、数据库服务器及监控管理计算机,各服务器通过网线连接到交换机。VPN服务器供远程客户端连接,连接成功后为远程客户端分配一个内网IP,远程客户端可以访问与交换机相连计算机的内网资源;系统管理计算机上运行实验室网站,实现对实验室的管理,如实验时间查询与预约等;数据库服务器用于存储用户名密码、实验预约信息以及用户实验数据等。
图1 远程实验室硬件结构
2.3 控制和监控层
控制和监控层有STEP7编程计算机(ES、工程师站)、WinCC监控计算机(OS、操作员站)以及S7-300 PLC(AS、自动化站)。ES和OS均通过PROFINET与S7-300 PLC通信,用于对PLC控制系统的编程与监控。
2.4 设备层
设备层为运行仿真被控对象(如供料站、检测站、加工站等)的计算机,其上插有CP5611板卡,通过PROFIBUS与S7-300 PLC连接,仿真被控对象的传感器和执行器信号通过OPC与PLC控制器的输入/输出映像区实现信息交互。
在PLC控制系统远程实验室中,控制和监控层以及设备层组成的仿真系统是基于实际控制系统设计,其对应关系如图2所示。在仿真控制系统中,仿真计算机上的被控对象应用LabVIEW软件设计完成,其作为OPC客户端读/写OPC服务器中的数据,而OPC服务器则通过PROFIBUS实现与S7-300 PLC输出/输入映像区的数据交换。
由于学习者要通过Internet远程完成实验,因此仿真计算机还必须与交换机连接实现远程客户端对仿真被控对象的访问。
图2 实际控制系统与仿真系统总体结构对比
PLC远程实验室的软件设计主要包括网站设计和仿真被控对象设计,下面分别就两部分设计加以说明。
3.1 网站设计
远程实验室的Web网站是用户获取实验信息的中心,也是指导教师管理实验的平台,因此其在整个远程实验室中发挥了重要的作用。用户登录网站后可实现的功能有:获取实验信息,如查看实验指导书;预约实验时间;提交实验报告等。实验指导教师利用该网站可实现:管理实验,如添加、修改、删除实验及实验指导书;管理实验时间;查看实验报告完成评分等。网站总体功能结构如图3所示。
实验室网站运行在服务器层的系统管理计算机上,网站使用PHP+MySQL设计完成,在利用PHP开发时采用了基于MVC设计模式的PHP框架—ThinkPHP。
图3 网站功能结构图
3.2 仿真被控对象设计
PLC远程实验室中被控对象由LabVIEW设计完成,因此其更新维护相对实际被控对象较简单。设计仿真被控对象时,首先分析实际被控对象的工艺流程,根据工艺流程将其划分为几个模块,然后针对各模块分别设计LabVIEW程序。各模块设计完成后依据总的工艺流程联合调试,此时将实际被控对象中与PLC相连的传感器和执行器设计为输入/输出量,但不与PLC建立连接。根据工艺流程,手动控制输入量,观察仿真被控对象的运行情况,若运行结果与实际被控对象的动作不同,则加以修改,若相同则将输入/输出量与PLC的输入/输出映像区通过OPC建立连接,最后在前面板隐藏多余的输入量。
为便于远程实验系统的测试,以MPS(Modular Production System,模块化生产加工系统)供料站为例进行了仿真被控对象设计。通过对供料站工艺流程的分析,按照模块之间低耦合性和模块内部高内聚性的原则,在设计时将其划分为4个模块:伸缩缸设计、料仓内物料变化设计、摆动缸设计、控制按钮及显示控件设计。仿真被控对象设计完成后的前面板如图4所示。
图4 仿真被控对象前面板
仿真被控对象设计完成后,需要完成远程发布,使其可通过浏览器访问和控制。首先对LabVIEW的Web服务器进行配置,然后进入Web发布工具,选择远程发布的VI(如图5所示),点击下一步,设置完成后点击保存至磁盘,至此则完成了仿真被控对象的远程Web发布。在浏览器中输入该电脑的IP地址、端口号及该VI的网页名称即可加载仿真被控对象页面。
图5 仿真被控对象的远程发布
PLC远程实验室构建完成后,需要测试远程实验室的运行情况,先在实验室内部进行本地测试,在编程计算机上编写PLC控制程序,然后通过PROFINET将其下载至S7-300,在仿真计算机上运行仿真被控对象观察实验现象,仿真被控对象运行与实际被控对象一致,表明该实验室在本地运行正常。
完成本地测试后,再进行远程测试。远程客户端连接至Internet后,在VPN客户端输入VPN服务器上设置的用户名和密码,接入VPN服务器后,即成为VPN客户端,在STEP 7中设置下载地址为PLC的IP地址,可将控制程序下载至S7-300中,然后在浏览器中输入仿真被控对象的地址即可访问,在该页面上右击鼠标选择申请获得控制权,可在浏览器中操作被控对象并观察其运行情况(如图6所示)。若远程客户端未安装LabVIEW,则需安装LabVIEW Run-Time Engine插件后才能通过浏览器访问仿真被控对象。
图6 仿真被控对象远程控制页面
S7-300 PLC与仿真被控对象组成的远程实验室方案设计与实现,使学习者能够通过Internet远程操控完成PLC控制系统实验。在此基础上可基于LabVIEW设计更多难易程度不同的仿真被控对象以组成不同的控制系统,方便学习者根据不同的知识点选择。远程实验室设计方案解决了远程教育中实践环节的实验问题,对我国终身教育、自主学习的发展有较大的推动作用和较高的实用价值,对同类系统设计具有较高的参考价值。
[1] 聂斌斌.我国当前高校远程教育的发展现状以及前景分析[J].华章,2013(36):148.
[2] 张建龙.水力控制系统训练平台设计与实现[D].南京:南京理工大学,2012.
[3] 王艳.基于MPS的离散控制系统的仿真实现与研究[D].南京:南京理工大学,2007.
[4] 姜建芳.西门子S7-300/400 PLC工程应用技术[M].北京:机械工业出版社,2012.
Design and Implementation of the Remote Laboratory of PLC Control System
Qiao Bingli, Jiang Jianfang, Xu Hui
Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, 210094, China
The paper proposes a solution to complete PLC control system experiments through the Internet for the experimental teaching problem in distance education. At first it discusses the structure of the remote laboratory, including the network structure design, the laboratory site design and design of the controlled device simulation. It discusses the test of the remote laboratory at last. It shows by the experiment of MPS distributing station that remote clients can complete experiments when they log on to the server in the lab through VPN,and it proves the feasibility of the design scheme.
remote experiment; PLC; VPN; LabVIEW
2014-06-25
乔丙立,在读硕士研究生。姜建芳,硕士,教授。徐慧,在读硕士研究生。