基于Web的虚拟控制实验系统设计

李彩云,韩 芳,孔维健,王直杰

(东华大学 信息科学与技术学院,上海 201600)

基于Web的虚拟控制实验系统设计

李彩云,韩 芳,孔维健,王直杰

(东华大学 信息科学与技术学院,上海 201600)

针对学生对工业控制实验缺乏直观体验和实践机会等问题,提出基于Web的虚拟控制实验系统。虚拟控制实验系统分为分布式控制系统(DCS)硬件部分及实验管理软件部分,利用组态技术和Web等技术构建远程虚拟控制类实验室系统。

分布式控制系统(DCS)；虚拟实验室；组态软件

0 引言

近年来,由于大部分高校响应国家号召进行了扩招,学生数量的迅速增长和实验设备短缺的矛盾日益突出,成为全国各大工科院校目前亟待解决的问题。基于Web的虚拟实验系统作为一种全新的解决方案,为高校教学实验提供了新的途径。相比于普通的高校实验室,虚拟实验室的出现有着十分重要的意义。

在国外,利用仿真技术构建的虚拟实验室非常多,比如美国德克萨斯州建立的虚拟实验室对象是一个倒立摆,学生可以通过Web进行远程实验；美国与日本合作开发“基于DVTS的高速跨洋远程实验室”,该虚拟实验室的数字视频会议系统采用15MB/s的带宽,这可能是该领域目前最为突出的研究成果,构建的虚拟实验室更像是一个真实的实验室。目前国内相关研究还处于起步阶段。清华大学、西安交大、上海交大等都开始进行远程实验室的构建。我国现有的一些远程教育资源在内容上已经实现了实验性质的教学单元,但仍然逊色于西方发达国家。国内的虚拟实验资源并不是很丰富,只有部分高校设有电子教室,其中极少数的电子教室具有虚拟实验功能。我国关于虚拟实验室的研究和开发还有很长的一段路要走。

1 虚拟控制实验系统构成

远程虚拟控制实验软件系统主要分为DCS[1]硬件和实验管理软件两部分。在虚拟控制实验系统中,DCS集散控制系统采用分散控制、集中管理思想,实现大规模、复杂工业过程的高效管理,广泛应用于电力、化工等行业。DCS硬件部分主要负责真实实验器材的布置与连接,它可以通过硬件自身具有的网络模块控制网络、系统网络、管理网络来实现下位机的连接与监控[7]。DCS硬件与远程虚拟实验软件系统的通讯主要是通过Virtual Machine技术[2]和Terminal Service Web[3]方式实现通讯,用户只需具备基本的计算机、网络条件以及虚拟机的IP地址,就可以随时随地通过远程终端的方式进行实验。

系统实验管理软件部分是基于Access数据库建立的实验管理软件,系统采用B/S[4]三层结构即客户端、服务器端和数据库端,可实现用户管理、信息查询、在线学习、在线测试、实验报告上传、留言板和虚拟实验项目的管理,将实验室以更加友好的方式呈现在服务对象面前,确保虚拟实验室的良好运行。系统管理软件部分的前端页面使用HTML、CSS和JavaScript等前端技术实现网页设计,后端数据库使用ASP.NET和SQL语言实现数据的分析和处理。虚拟实验模块实验项目的建立是通过DCS硬件配套的组态软件组态完成的,可以实现远程并行访问且该实验项目具有人机界面、算法处理、数据保存以及报警等多种功能,支持学生硬件实验和仿真实验。系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计

2 远程虚拟控制实验系统软件设计

2.1 系统软硬件平台搭建

硬件平台选取的是DCS硬件平台,集散控制系统(DCS)作为大型工业现场的硬件设施,能够更好地满足学生进行各种综合实验的需求。集散控制系统,顾名思义即集中管理、分散控制。一般DCS硬件可分为控制站、操作站和工程师站。其中控制站在与下位机设备进行数据交互和信息传递中起着至关重要的作用,控制站和下位机设备的通讯是通过控制网络进行。操作站一般是与管理系统进行通讯,一般管理人员命令的传递及命令结果返回等都是通过操作站进行，操作站和管理系统之间的通讯是通过系统网络进行。集散控制系统[5]大致分为控制模块、监视模块和通信模块。控制模块主要通过算法模块对下位机设备进行控制,监视模块通过人机界面、报警系统等功能进行监视,通讯模块由控制网络、系统网络和管理网络三层网络结构组成,每层网络都起着不同的作用,但都是完成数据和信息的传递。典型的DCS系统结构如图2所示。

图2 典型的DCS系统结构

系统软硬件的搭建分为两部分：控制站搭建和操作站/工程师站搭建。搭建过程如下：

(1)控制站搭建。控制站是负责DCS控制系统现场控制的设备,控制功能具体由控制器实施,具有连续控制、顺序控制及其它算法控制等功能。

功能块是执行控制功能的基本功能单元,可以根据实际要求实现复杂的控制功能,一般的系统均提供 FBD 功能块图编辑器实施算法编辑功能,如图3所示。

图3 FBD功能块

控制程序是完成某一控制功能的程序,若干个程序组成控制功能,每个程序为采用某类控制语言编辑的具有独立运算周期的控制算法集。顺序控制功能是指按照预先设定的顺序按次序对各阶段进行执行操作,顺控程序多用于处理顺序控制,如图4所示。

连续控制功能用于连续过程的反馈控制功能,系统提供了相应的 FBD 功能块用于实现连续控制功能。控制面板是将多个功能集成为一个便于操作识别的、具有人机接口功能的功能块，如PID调节面板。

图4 顺序控制示例

(2)操作站/工程师站搭建。操作站/工程师站主要负责配套组态软件运行系统的监视功能,运行系统由画面运行系统和实时运行软件两部分组成。画面运行系统提供了用户操作的常用功能,这些功能包括实时流程画面、安全管理、趋势分析、报表、故障诊断等。

2.2 实验管理软件设计

实验管理软件设计的关键在于通讯。基于远程桌面Web方式能够让学生远程控制虚拟机,通过虚拟机自主构建实验项目进行实验。远程桌面Web连接主要通过ActiveX控件[6]嵌入HTML网页中加以实现。ActiveX 控件相当于远程终端的客户端,该控件就是为了在Web中实现远程操纵而设计。本系统远程Web桌面连接的实现步骤如下：

(1)安装一个ActiveX控件。

(2)注册ActiveX控件。对未注册过的ActiveX控件使用Regsvr32.exe程序对ActiveX控件进行注册,外来的ActiveX控件要应用到自己的程序中也必须进行注册。

(3)查找ActiveX控件的CLSID。HTML网页调用ActiveX控件时,要获取到ActiveX的CLSID(即ClassID)。每一个ActiveX 控件都会有一个对应的CLSID,该ID是唯一的。通过OBJECT的CLASSID属性指定ActiveX Control的ID,然后浏览器就可以根据CLSID找到相应的ActiveX Control。这个CLSID是注册到系统里的,而不是工程中自己设置的标签ID。

(4)HTML调用ActiveX控件。将ActiveX控件嵌入到HTML网页中的方法十分简单,在网页的适当位置添加如下代码：

为了能够找到ActiveX控件,每一个ActiveX控件都必须先注册,再使用。ActiveX 控件的注册和反注册可以通过实用工具regsvr32来完成,但并不需要这么做,因为当IE发现