基于物聯(lián)網(wǎng)的在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李晨晨 黃仕龍 張超 徐鐸林 胡冬梅

摘要：本項(xiàng)目利用組態(tài)軟件技術(shù)、PLC技術(shù)和工業(yè)組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)一套在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備虛擬化網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課堂可以靈活有趣的調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)對(duì)高校的實(shí)驗(yàn)資源有力的擴(kuò)充。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；遠(yuǎn)程控制；組態(tài)軟件

1、背景：

在各高等院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)室大型昂貴實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺，能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是少之又少，學(xué)生僅僅限于書本知識(shí)不能把所有的實(shí)驗(yàn)都動(dòng)手操作。為了解決這一問題創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用組態(tài)軟件、PLC、工業(yè)組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)虛擬的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅僅解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題，而且能有培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新能力，提高學(xué)習(xí)者的興趣愛好。

2、系統(tǒng)實(shí)施方案

本研究設(shè)計(jì)是為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)提供的個(gè)性化的綜合物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共分為三層：數(shù)據(jù)采集層（適配器）、數(shù)據(jù)分析顯示層、應(yīng)用層?；诳偩€的智慧工業(yè)物聯(lián)信息平臺(tái)設(shè)計(jì)分三步實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)總線部分設(shè)計(jì)，無(wú)線通信部分設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的設(shè)計(jì)。

2.1 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的總線組網(wǎng)

現(xiàn)場(chǎng)總線部分實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的控制，同時(shí)為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)信息，信息采用無(wú)線通信方式傳輸，需要解決PLC和無(wú)線通信適配器之間的協(xié)議打通。數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器當(dāng)中，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，編輯監(jiān)控分析軟件，實(shí)現(xiàn)WEB發(fā)布、大屏顯示和APP查詢功能。

2.2 無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

穩(wěn)定的無(wú)線通信組網(wǎng)是系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行前提條件。由于PLC和觸摸屏的廣范使用，分布各地的設(shè)備出現(xiàn)問題無(wú)法及時(shí)更改，導(dǎo)致的后果很嚴(yán)重。GR M530能實(shí)現(xiàn)梯形圖的上傳下載、組態(tài)畫面的監(jiān)控、出現(xiàn)問題時(shí)可以通過短信提示，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)情況僅僅通過手機(jī)應(yīng)用監(jiān)控就可以看到，非常的方便高效。該模塊只要在有網(wǎng)的環(huán)境下就可以進(jìn)行。應(yīng)用的領(lǐng)域非常的廣泛，在自動(dòng)化生產(chǎn)的工業(yè)、環(huán)境保護(hù)方面、鐵路運(yùn)行方面、城市供水方面等都用使用。

1）遠(yuǎn)程PLC的硬件配置和連接

GRM530內(nèi)設(shè)有兩個(gè)網(wǎng)口可以用來(lái)連接PLC和觸摸屏。想要連接根多的設(shè)備需要添加邏輯開關(guān)。不同的設(shè)備需要不同的網(wǎng)口來(lái)連接，PLC和儀表需要特殊的網(wǎng)口RS485來(lái)連接。該模塊沒有固定的IP地址，只要在有網(wǎng)的區(qū)域就能運(yùn)行，應(yīng)用該模塊時(shí)安裝好網(wǎng)絡(luò)就行。

2）計(jì)算機(jī)對(duì)遠(yuǎn)程PLC梯形圖下載和監(jiān)控

工程師在只需能上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上登陸GRM530的模塊序號(hào)和密碼，使用PLC編程軟件如博途，即可遠(yuǎn)程下載、調(diào)試、上傳梯形圖。對(duì)于檔較大觸摸屏和要求回應(yīng)速度的運(yùn)動(dòng)控制器均可流暢下載調(diào)試。

3）利用組態(tài)軟件對(duì)遠(yuǎn)程PLC監(jiān)控

遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)連接因特網(wǎng)，并且電腦上安裝OPCS ERVER，就可以獲取到當(dāng)前正在運(yùn)行的設(shè)備數(shù)據(jù)。啟動(dòng)組態(tài)軟件中的OP C，就可以遠(yuǎn)程操作組態(tài)畫面監(jiān)控與調(diào)試。模塊支持亞控，力控，昆侖通態(tài)，WINCC，INTOUCH，IFIX等各種組態(tài)，也可使用巨控免費(fèi)的無(wú)限點(diǎn)組態(tài)軟件。

4）短信、網(wǎng)頁(yè)、APP遠(yuǎn)程監(jiān)控

手機(jī)上安裝相應(yīng)APP軟件，只要出現(xiàn)設(shè)備故障就會(huì)通過短信報(bào)警，及時(shí)解決問題，夜間完全不需要留人看守。用手機(jī)監(jiān)控非常的方便，無(wú)論在哪，只要打開手機(jī)安裝的軟件就可以查看。

2.3 信息管理服務(wù)器設(shè)計(jì)

信息管理服務(wù)器系統(tǒng)由歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)分析監(jiān)控服務(wù)器，和WEB發(fā)布服務(wù)器組成。

1）歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)計(jì)

歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，長(zhǎng)期存儲(chǔ)原始?xì)v史數(shù)據(jù)，不經(jīng)處理以便還原歷史現(xiàn)場(chǎng)。并為數(shù)據(jù)分監(jiān)控服務(wù)器提供數(shù)據(jù)。利用通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)的儀表、PLC系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)等的通信接口，可采用各種儀表協(xié)議、MODBUS、DNP3.0、IEC60870-5-101、IEC60870-5-102、IEC60870-5-104 等；軟、硬件支持雙通道冗余處理，通訊連接具有自恢復(fù)功能，具有保持通訊穩(wěn)定暢通，對(duì)通訊報(bào)文原碼進(jìn)行監(jiān)視、存儲(chǔ)和調(diào)用等功能；

2）數(shù)據(jù)分析監(jiān)控服務(wù)器設(shè)計(jì)

人機(jī)會(huì)話功能，全中文圖形顯示，采用多窗口技術(shù)，支持多類型畫面的動(dòng)態(tài)顯示，可以提供趨勢(shì)圖、棒圖等；根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，提供事故追憶和事故重演等功能；各類報(bào)表的統(tǒng)計(jì)功能，可分班、日、月、季、年統(tǒng)計(jì)；計(jì)劃考核管理功能、計(jì)算超欠值和超欠率并產(chǎn)生超欠報(bào)警等；

3）WEB發(fā)布服務(wù)器設(shè)計(jì)

客戶端可通過IE等瀏覽器查閱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息、報(bào)警信息、歷史數(shù)據(jù)、各種圖形信息、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、能源實(shí)績(jī)報(bào)告等，界面與實(shí)時(shí)系統(tǒng)的人機(jī)會(huì)話界面風(fēng)格一致，WEB瀏覽具有權(quán)限限制，合法登錄的用戶才可以訪問和使用系統(tǒng)。

2.4 大屏顯示和手機(jī)APP組態(tài)監(jiān)控功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于云架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)集中監(jiān)控管理，提供設(shè)備端、電腦和手機(jī)端、公有云端一站式解決方案，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)管理物聯(lián)網(wǎng)云組態(tài)，支持桌面、大屏、手機(jī)、安卓平板、移動(dòng)端等組態(tài)功能。

3 、結(jié)論

本文主要研究了以可編程控制器為主控制器，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)等技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備信息進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)備的遠(yuǎn)程操作。本系統(tǒng)采用PLC+總線結(jié)構(gòu)比無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)更穩(wěn)定，更適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。利用原有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，改造更容易。幫助組建高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提高設(shè)備使用壽命和工作效率。有利于提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣和設(shè)備升級(jí)改造。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：北華大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院）

作者簡(jiǎn)介：李晨晨（1997.11.02），性別：男；籍貫：河南；民族：漢；學(xué)歷：本科；職稱：無(wú)；職務(wù)：學(xué)生；研究方向：測(cè)控技術(shù)與儀器。