基于Web的虛擬控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李彩云,韓 芳,孔維健,王直杰

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201600)

基于Web的虛擬控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李彩云,韓 芳,孔維健,王直杰

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201600)

針對(duì)學(xué)生對(duì)工業(yè)控制實(shí)驗(yàn)缺乏直觀體驗(yàn)和實(shí)踐機(jī)會(huì)等問(wèn)題,提出基于Web的虛擬控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。虛擬控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為分布式控制系統(tǒng)(DCS)硬件部分及實(shí)驗(yàn)管理軟件部分,利用組態(tài)技術(shù)和Web等技術(shù)構(gòu)建遠(yuǎn)程虛擬控制類實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。

分布式控制系統(tǒng)(DCS)；虛擬實(shí)驗(yàn)室；組態(tài)軟件

0 引言

近年來(lái),由于大部分高校響應(yīng)國(guó)家號(hào)召進(jìn)行了擴(kuò)招,學(xué)生數(shù)量的迅速增長(zhǎng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺的矛盾日益突出,成為全國(guó)各大工科院校目前亟待解決的問(wèn)題?；赪eb的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為一種全新的解決方案,為高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了新的途徑。相比于普通的高校實(shí)驗(yàn)室,虛擬實(shí)驗(yàn)室的出現(xiàn)有著十分重要的意義。

在國(guó)外,利用仿真技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室非常多,比如美國(guó)德克薩斯州建立的虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)象是一個(gè)倒立擺,學(xué)生可以通過(guò)Web進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)；美國(guó)與日本合作開發(fā)“基于DVTS的高速跨洋遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室”,該虛擬實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字視頻會(huì)議系統(tǒng)采用15MB/s的帶寬,這可能是該領(lǐng)域目前最為突出的研究成果,構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室更像是一個(gè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究還處于起步階段。清華大學(xué)、西安交大、上海交大等都開始進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建。我國(guó)現(xiàn)有的一些遠(yuǎn)程教育資源在內(nèi)容上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的教學(xué)單元,但仍然遜色于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。國(guó)內(nèi)的虛擬實(shí)驗(yàn)資源并不是很豐富,只有部分高校設(shè)有電子教室,其中極少數(shù)的電子教室具有虛擬實(shí)驗(yàn)功能。我國(guó)關(guān)于虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究和開發(fā)還有很長(zhǎng)的一段路要走。

1 虛擬控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

遠(yuǎn)程虛擬控制實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)主要分為DCS[1]硬件和實(shí)驗(yàn)管理軟件兩部分。在虛擬控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,DCS集散控制系統(tǒng)采用分散控制、集中管理思想,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的高效管理,廣泛應(yīng)用于電力、化工等行業(yè)。DCS硬件部分主要負(fù)責(zé)真實(shí)實(shí)驗(yàn)器材的布置與連接,它可以通過(guò)硬件自身具有的網(wǎng)絡(luò)模塊控制網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的連接與監(jiān)控[7]。DCS硬件與遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)的通訊主要是通過(guò)Virtual Machine技術(shù)[2]和Terminal Service Web[3]方式實(shí)現(xiàn)通訊,用戶只需具備基本的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)條件以及虛擬機(jī)的IP地址,就可以隨時(shí)隨地通過(guò)遠(yuǎn)程終端的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)管理軟件部分是基于Access數(shù)據(jù)庫(kù)建立的實(shí)驗(yàn)管理軟件,系統(tǒng)采用B/S[4]三層結(jié)構(gòu)即客戶端、服務(wù)器端和數(shù)據(jù)庫(kù)端,可實(shí)現(xiàn)用戶管理、信息查詢、在線學(xué)習(xí)、在線測(cè)試、實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳、留言板和虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的管理,將實(shí)驗(yàn)室以更加友好的方式呈現(xiàn)在服務(wù)對(duì)象面前,確保虛擬實(shí)驗(yàn)室的良好運(yùn)行。系統(tǒng)管理軟件部分的前端頁(yè)面使用HTML、CSS和JavaScript等前端技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì),后端數(shù)據(jù)庫(kù)使用ASP.NET和SQL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和處理。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建立是通過(guò)DCS硬件配套的組態(tài)軟件組態(tài)完成的,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程并行訪問(wèn)且該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有人機(jī)界面、算法處理、數(shù)據(jù)保存以及報(bào)警等多種功能,支持學(xué)生硬件實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 遠(yuǎn)程虛擬控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)搭建

硬件平臺(tái)選取的是DCS硬件平臺(tái),集散控制系統(tǒng)(DCS)作為大型工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的硬件設(shè)施,能夠更好地滿足學(xué)生進(jìn)行各種綜合實(shí)驗(yàn)的需求。集散控制系統(tǒng),顧名思義即集中管理、分散控制。一般DCS硬件可分為控制站、操作站和工程師站。其中控制站在與下位機(jī)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和信息傳遞中起著至關(guān)重要的作用,控制站和下位機(jī)設(shè)備的通訊是通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。操作站一般是與管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊,一般管理人員命令的傳遞及命令結(jié)果返回等都是通過(guò)操作站進(jìn)行，操作站和管理系統(tǒng)之間的通訊是通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。集散控制系統(tǒng)[5]大致分為控制模塊、監(jiān)視模塊和通信模塊。控制模塊主要通過(guò)算法模塊對(duì)下位機(jī)設(shè)備進(jìn)行控制,監(jiān)視模塊通過(guò)人機(jī)界面、報(bào)警系統(tǒng)等功能進(jìn)行監(jiān)視,通訊模塊由控制網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成,每層網(wǎng)絡(luò)都起著不同的作用,但都是完成數(shù)據(jù)和信息的傳遞。典型的DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 典型的DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟硬件的搭建分為兩部分：控制站搭建和操作站/工程師站搭建。搭建過(guò)程如下：

(1)控制站搭建?？刂普臼秦?fù)責(zé)DCS控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制的設(shè)備,控制功能具體由控制器實(shí)施,具有連續(xù)控制、順序控制及其它算法控制等功能。

功能塊是執(zhí)行控制功能的基本功能單元,可以根據(jù)實(shí)際要求實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能,一般的系統(tǒng)均提供 FBD 功能塊圖編輯器實(shí)施算法編輯功能,如圖3所示。

圖3 FBD功能塊

控制程序是完成某一控制功能的程序,若干個(gè)程序組成控制功能,每個(gè)程序?yàn)椴捎媚愁惪刂普Z(yǔ)言編輯的具有獨(dú)立運(yùn)算周期的控制算法集。順序控制功能是指按照預(yù)先設(shè)定的順序按次序?qū)Ω麟A段進(jìn)行執(zhí)行操作,順控程序多用于處理順序控制,如圖4所示。

連續(xù)控制功能用于連續(xù)過(guò)程的反饋控制功能,系統(tǒng)提供了相應(yīng)的 FBD 功能塊用于實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制功能?？刂泼姘迨菍⒍鄠€(gè)功能集成為一個(gè)便于操作識(shí)別的、具有人機(jī)接口功能的功能塊，如PID調(diào)節(jié)面板。

圖4 順序控制示例

(2)操作站/工程師站搭建。操作站/工程師站主要負(fù)責(zé)配套組態(tài)軟件運(yùn)行系統(tǒng)的監(jiān)視功能,運(yùn)行系統(tǒng)由畫面運(yùn)行系統(tǒng)和實(shí)時(shí)運(yùn)行軟件兩部分組成。畫面運(yùn)行系統(tǒng)提供了用戶操作的常用功能,這些功能包括實(shí)時(shí)流程畫面、安全管理、趨勢(shì)分析、報(bào)表、故障診斷等。

2.2 實(shí)驗(yàn)管理軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)管理軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于通訊?；谶h(yuǎn)程桌面Web方式能夠讓學(xué)生遠(yuǎn)程控制虛擬機(jī),通過(guò)虛擬機(jī)自主構(gòu)建實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。遠(yuǎn)程桌面Web連接主要通過(guò)ActiveX控件[6]嵌入HTML網(wǎng)頁(yè)中加以實(shí)現(xiàn)。ActiveX 控件相當(dāng)于遠(yuǎn)程終端的客戶端,該控件就是為了在Web中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操縱而設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)遠(yuǎn)程Web桌面連接的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)安裝一個(gè)ActiveX控件。

(2)注冊(cè)ActiveX控件。對(duì)未注冊(cè)過(guò)的ActiveX控件使用Regsvr32.exe程序?qū)ctiveX控件進(jìn)行注冊(cè),外來(lái)的ActiveX控件要應(yīng)用到自己的程序中也必須進(jìn)行注冊(cè)。

(3)查找ActiveX控件的CLSID。HTML網(wǎng)頁(yè)調(diào)用ActiveX控件時(shí),要獲取到ActiveX的CLSID(即ClassID)。每一個(gè)ActiveX 控件都會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的CLSID,該ID是唯一的。通過(guò)OBJECT的CLASSID屬性指定ActiveX Control的ID,然后瀏覽器就可以根據(jù)CLSID找到相應(yīng)的ActiveX Control。這個(gè)CLSID是注冊(cè)到系統(tǒng)里的,而不是工程中自己設(shè)置的標(biāo)簽ID。

(4)HTML調(diào)用ActiveX控件。將ActiveX控件嵌入到HTML網(wǎng)頁(yè)中的方法十分簡(jiǎn)單,在網(wǎng)頁(yè)的適當(dāng)位置添加如下代碼：

為了能夠找到ActiveX控件,每一個(gè)ActiveX控件都必須先注冊(cè),再使用。ActiveX 控件的注冊(cè)和反注冊(cè)可以通過(guò)實(shí)用工具regsvr32來(lái)完成,但并不需要這么做,因?yàn)楫?dāng)IE發(fā)現(xiàn)