PLC控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

喬丙立 姜建芳 徐 慧

南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 江蘇南京 210094

PLC控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

喬丙立 姜建芳 徐 慧

南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 江蘇南京 210094

針對(duì)遠(yuǎn)程教育中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)問題，討論了學(xué)習(xí)者通過Internet遠(yuǎn)程完成PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的解決方案。首先討論了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)成，包括其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、網(wǎng)站設(shè)計(jì)及仿真被控對(duì)象設(shè)計(jì)，最后討論了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試。通過MPS供料站的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：遠(yuǎn)程客戶端通過VPN連接實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器可遠(yuǎn)程操控完成實(shí)驗(yàn)，證明了設(shè)計(jì)方案的可行性。

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)；可編程序控制器；虛擬專用網(wǎng)絡(luò)；LabVIEW

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，遠(yuǎn)程教育也進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，但目前遠(yuǎn)程教育注重于理論知識(shí)的教學(xué)，缺少對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)，實(shí)踐環(huán)節(jié)在遠(yuǎn)程教育中顯得非常薄弱。究其原因，接受遠(yuǎn)程教育的學(xué)生多是在職學(xué)習(xí)且分布在不同的地區(qū)，他們很難到傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。為解決這一問題，設(shè)計(jì)了可通過Internet遠(yuǎn)程完成實(shí)驗(yàn)的PLC實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生的理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐能力培養(yǎng)相結(jié)合，有助于提高遠(yuǎn)程教育的教學(xué)質(zhì)量。

1 PLC控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

PLC遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室是通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、OPC技術(shù)及VPN技術(shù)等構(gòu)建而成，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用半硬件半軟件仿真方式實(shí)現(xiàn)，即由真實(shí)的PLC控制器和計(jì)算機(jī)仿真的被控對(duì)象組成。

采用半硬件半軟件仿真方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)：使用了真實(shí)的S7-300PLC，可以實(shí)現(xiàn)全軟件仿真方式下PLCSIM不能實(shí)現(xiàn)的功能，該方式下控制系統(tǒng)的仿真能力增強(qiáng)；被控對(duì)象利用LabVIEW開發(fā)，可以根據(jù)實(shí)際教學(xué)需要設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)靈活性較大；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用B/S模式，它是基于HTTP協(xié)議的，遠(yuǎn)程客戶端通過瀏覽器即可觀察和控制仿真被控對(duì)象，且仿真被控對(duì)象的更新相對(duì)C/S模式較為簡(jiǎn)單。

2 PLC控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)計(jì)

PLC遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)計(jì)模擬了實(shí)際工廠中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分為四層，即客戶機(jī)層、服務(wù)器層、控制和監(jiān)控層、設(shè)備層，如圖1所示。下面分別對(duì)4層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

2.1 客戶機(jī)層

客戶機(jī)層包括各個(gè)連接至VPN服務(wù)器的遠(yuǎn)程客戶端。在建立連接之前，遠(yuǎn)程用戶需要在電腦上創(chuàng)建虛擬專用網(wǎng)絡(luò)連接(即VPN連接)。為保證數(shù)據(jù)的傳輸安全，VPN客戶端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了加密處理。

2.2 服務(wù)器層

服務(wù)器層包括VPN服務(wù)器、系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)，各服務(wù)器通過網(wǎng)線連接到交換機(jī)。VPN服務(wù)器供遠(yuǎn)程客戶端連接，連接成功后為遠(yuǎn)程客戶端分配一個(gè)內(nèi)網(wǎng)IP，遠(yuǎn)程客戶端可以訪問與交換機(jī)相連計(jì)算機(jī)的內(nèi)網(wǎng)資源；系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)上運(yùn)行實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理，如實(shí)驗(yàn)時(shí)間查詢與預(yù)約等；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)用戶名密碼、實(shí)驗(yàn)預(yù)約信息以及用戶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

圖1 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室硬件結(jié)構(gòu)

2.3 控制和監(jiān)控層

控制和監(jiān)控層有STEP7編程計(jì)算機(jī)(ES、工程師站)、WinCC監(jiān)控計(jì)算機(jī)(OS、操作員站)以及S7-300 PLC(AS、自動(dòng)化站)。ES和OS均通過PROFINET與S7-300 PLC通信，用于對(duì)PLC控制系統(tǒng)的編程與監(jiān)控。

2.4 設(shè)備層

設(shè)備層為運(yùn)行仿真被控對(duì)象(如供料站、檢測(cè)站、加工站等)的計(jì)算機(jī)，其上插有CP5611板卡，通過PROFIBUS與S7-300 PLC連接，仿真被控對(duì)象的傳感器和執(zhí)行器信號(hào)通過OPC與PLC控制器的輸入/輸出映像區(qū)實(shí)現(xiàn)信息交互。

在PLC控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室中，控制和監(jiān)控層以及設(shè)備層組成的仿真系統(tǒng)是基于實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。在仿真控制系統(tǒng)中，仿真計(jì)算機(jī)上的被控對(duì)象應(yīng)用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)完成，其作為OPC客戶端讀/寫OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，而OPC服務(wù)器則通過PROFIBUS實(shí)現(xiàn)與S7-300 PLC輸出/輸入映像區(qū)的數(shù)據(jù)交換。

由于學(xué)習(xí)者要通過Internet遠(yuǎn)程完成實(shí)驗(yàn)，因此仿真計(jì)算機(jī)還必須與交換機(jī)連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端對(duì)仿真被控對(duì)象的訪問。

圖2 實(shí)際控制系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)對(duì)比

3 PLC控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的軟件設(shè)計(jì)

PLC遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的軟件設(shè)計(jì)主要包括網(wǎng)站設(shè)計(jì)和仿真被控對(duì)象設(shè)計(jì)，下面分別就兩部分設(shè)計(jì)加以說明。

3.1 網(wǎng)站設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的Web網(wǎng)站是用戶獲取實(shí)驗(yàn)信息的中心，也是指導(dǎo)教師管理實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，因此其在整個(gè)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室中發(fā)揮了重要的作用。用戶登錄網(wǎng)站后可實(shí)現(xiàn)的功能有：獲取實(shí)驗(yàn)信息，如查看實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書；預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間；提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師利用該網(wǎng)站可實(shí)現(xiàn)：管理實(shí)驗(yàn)，如添加、修改、刪除實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書；管理實(shí)驗(yàn)時(shí)間；查看實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成評(píng)分等。網(wǎng)站總體功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站運(yùn)行在服務(wù)器層的系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)上，網(wǎng)站使用PHP+MySQL設(shè)計(jì)完成，在利用PHP開發(fā)時(shí)采用了基于MVC設(shè)計(jì)模式的PHP框架—ThinkPHP。

圖3 網(wǎng)站功能結(jié)構(gòu)圖

3.2 仿真被控對(duì)象設(shè)計(jì)

PLC遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室中被控對(duì)象由LabVIEW設(shè)計(jì)完成，因此其更新維護(hù)相對(duì)實(shí)際被控對(duì)象較簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)仿真被控對(duì)象時(shí)，首先分析實(shí)際被控對(duì)象的工藝流程，根據(jù)工藝流程將其劃分為幾個(gè)模塊，然后針對(duì)各模塊分別設(shè)計(jì)LabVIEW程序。各模塊設(shè)計(jì)完成后依據(jù)總的工藝流程聯(lián)合調(diào)試，此時(shí)將實(shí)際被控對(duì)象中與PLC相連的傳感器和執(zhí)行器設(shè)計(jì)為輸入/輸出量，但不與PLC建立連接。根據(jù)工藝流程，手動(dòng)控制輸入量，觀察仿真被控對(duì)象的運(yùn)行情況，若運(yùn)行結(jié)果與實(shí)際被控對(duì)象的動(dòng)作不同，則加以修改，若相同則將輸入/輸出量與PLC的輸入/輸出映像區(qū)通過OPC建立連接，最后在前面板隱藏多余的輸入量。

為便于遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試，以MPS(Modular Production System，模塊化生產(chǎn)加工系統(tǒng))供料站為例進(jìn)行了仿真被控對(duì)象設(shè)計(jì)。通過對(duì)供料站工藝流程的分析，按照模塊之間低耦合性和模塊內(nèi)部高內(nèi)聚性的原則，在設(shè)計(jì)時(shí)將其劃分為4個(gè)模塊：伸縮缸設(shè)計(jì)、料倉(cāng)內(nèi)物料變化設(shè)計(jì)、擺動(dòng)缸設(shè)計(jì)、控制按鈕及顯示控件設(shè)計(jì)。仿真被控對(duì)象設(shè)計(jì)完成后的前面板如圖4所示。

圖4 仿真被控對(duì)象前面板

仿真被控對(duì)象設(shè)計(jì)完成后，需要完成遠(yuǎn)程發(fā)布，使其可通過瀏覽器訪問和控制。首先對(duì)LabVIEW的Web服務(wù)器進(jìn)行配置，然后進(jìn)入Web發(fā)布工具，選擇遠(yuǎn)程發(fā)布的VI(如圖5所示)，點(diǎn)擊下一步，設(shè)置完成后點(diǎn)擊保存至磁盤，至此則完成了仿真被控對(duì)象的遠(yuǎn)程Web發(fā)布。在瀏覽器中輸入該電腦的IP地址、端口號(hào)及該VI的網(wǎng)頁名稱即可加載仿真被控對(duì)象頁面。

圖5 仿真被控對(duì)象的遠(yuǎn)程發(fā)布

4 PLC控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試

PLC遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建完成后，需要測(cè)試遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行情況，先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部進(jìn)行本地測(cè)試，在編程計(jì)算機(jī)上編寫PLC控制程序，然后通過PROFINET將其下載至S7-300，在仿真計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真被控對(duì)象觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，仿真被控對(duì)象運(yùn)行與實(shí)際被控對(duì)象一致，表明該實(shí)驗(yàn)室在本地運(yùn)行正常。

完成本地測(cè)試后，再進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)試。遠(yuǎn)程客戶端連接至Internet后，在VPN客戶端輸入VPN服務(wù)器上設(shè)置的用戶名和密碼，接入VPN服務(wù)器后，即成為VPN客戶端，在STEP 7中設(shè)置下載地址為PLC的IP地址，可將控制程序下載至S7-300中，然后在瀏覽器中輸入仿真被控對(duì)象的地址即可訪問，在該頁面上右擊鼠標(biāo)選擇申請(qǐng)獲得控制權(quán)，可在瀏覽器中操作被控對(duì)象并觀察其運(yùn)行情況(如圖6所示)。若遠(yuǎn)程客戶端未安裝LabVIEW，則需安裝LabVIEW Run-Time Engine插件后才能通過瀏覽器訪問仿真被控對(duì)象。

圖6 仿真被控對(duì)象遠(yuǎn)程控制頁面

5 結(jié)束語

S7-300 PLC與仿真被控對(duì)象組成的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使學(xué)習(xí)者能夠通過Internet遠(yuǎn)程操控完成PLC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上可基于LabVIEW設(shè)計(jì)更多難易程度不同的仿真被控對(duì)象以組成不同的控制系統(tǒng)，方便學(xué)習(xí)者根據(jù)不同的知識(shí)點(diǎn)選擇。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案解決了遠(yuǎn)程教育中實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)問題，對(duì)我國(guó)終身教育、自主學(xué)習(xí)的發(fā)展有較大的推動(dòng)作用和較高的實(shí)用價(jià)值，對(duì)同類系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較高的參考價(jià)值。

[1] 聶斌斌.我國(guó)當(dāng)前高校遠(yuǎn)程教育的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景分析[J].華章，2013(36)：148.

[2] 張建龍.水力控制系統(tǒng)訓(xùn)練平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[3] 王艷.基于MPS的離散控制系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)與研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2007.

[4] 姜建芳.西門子S7-300/400 PLC工程應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)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

喬丙立，在讀碩士研究生。姜建芳，碩士，教授。徐慧，在讀碩士研究生。