基于Web的虛擬控制實驗系統設計

李彩云,韓 芳,孔維健,王直杰

(東華大學 信息科學與技術學院,上海 201600)

基于Web的虛擬控制實驗系統設計

李彩云,韓 芳,孔維健,王直杰

(東華大學 信息科學與技術學院,上海 201600)

針對學生對工業控制實驗缺乏直觀體驗和實踐機會等問題,提出基于Web的虛擬控制實驗系統。虛擬控制實驗系統分為分布式控制系統(DCS)硬件部分及實驗管理軟件部分,利用組態技術和Web等技術構建遠程虛擬控制類實驗室系統。

分布式控制系統(DCS)；虛擬實驗室；組態軟件

0 引言

近年來,由于大部分高校響應國家號召進行了擴招,學生數量的迅速增長和實驗設備短缺的矛盾日益突出,成為全國各大工科院校目前亟待解決的問題。基于Web的虛擬實驗系統作為一種全新的解決方案,為高校教學實驗提供了新的途徑。相比于普通的高校實驗室,虛擬實驗室的出現有著十分重要的意義。

在國外,利用仿真技術構建的虛擬實驗室非常多,比如美國德克薩斯州建立的虛擬實驗室對象是一個倒立擺,學生可以通過Web進行遠程實驗；美國與日本合作開發“基于DVTS的高速跨洋遠程實驗室”,該虛擬實驗室的數字視頻會議系統采用15MB/s的帶寬,這可能是該領域目前最為突出的研究成果,構建的虛擬實驗室更像是一個真實的實驗室。目前國內相關研究還處于起步階段。清華大學、西安交大、上海交大等都開始進行遠程實驗室的構建。我國現有的一些遠程教育資源在內容上已經實現了實驗性質的教學單元,但仍然遜色于西方發達國家。國內的虛擬實驗資源并不是很豐富,只有部分高校設有電子教室,其中極少數的電子教室具有虛擬實驗功能。我國關于虛擬實驗室的研究和開發還有很長的一段路要走。

1 虛擬控制實驗系統構成

遠程虛擬控制實驗軟件系統主要分為DCS[1]硬件和實驗管理軟件兩部分。在虛擬控制實驗系統中,DCS集散控制系統采用分散控制、集中管理思想,實現大規模、復雜工業過程的高效管理,廣泛應用于電力、化工等行業。DCS硬件部分主要負責真實實驗器材的布置與連接,它可以通過硬件自身具有的網絡模塊控制網絡、系統網絡、管理網絡來實現下位機的連接與監控[7]。DCS硬件與遠程虛擬實驗軟件系統的通訊主要是通過Virtual Machine技術[2]和Terminal Service Web[3]方式實現通訊,用戶只需具備基本的計算機、網絡條件以及虛擬機的IP地址,就可以隨時隨地通過遠程終端的方式進行實驗。

系統實驗管理軟件部分是基于Access數據庫建立的實驗管理軟件,系統采用B/S[4]三層結構即客戶端、服務器端和數據庫端,可實現用戶管理、信息查詢、在線學習、在線測試、實驗報告上傳、留言板和虛擬實驗項目的管理,將實驗室以更加友好的方式呈現在服務對象面前,確保虛擬實驗室的良好運行。系統管理軟件部分的前端頁面使用HTML、CSS和JavaScript等前端技術實現網頁設計,后端數據庫使用ASP.NET和SQL語言實現數據的分析和處理。虛擬實驗模塊實驗項目的建立是通過DCS硬件配套的組態軟件組態完成的,可以實現遠程并行訪問且該實驗項目具有人機界面、算法處理、數據保存以及報警等多種功能,支持學生硬件實驗和仿真實驗。系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計

2 遠程虛擬控制實驗系統軟件設計

2.1 系統軟硬件平臺搭建

硬件平臺選取的是DCS硬件平臺,集散控制系統(DCS)作為大型工業現場的硬件設施,能夠更好地滿足學生進行各種綜合實驗的需求。集散控制系統,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設備進行數據交互和信息傳遞中起著至關重要的作用,控制站和下位機設備的通訊是通過控制網絡進行。操作站一般是與管理系統進行通訊,一般管理人員命令的傳遞及命令結果返回等都是通過操作站進行，操作站和管理系統之間的通訊是通過系統網絡進行。集散控制系統[5]大致分為控制模塊、監視模塊和通信模塊。控制模塊主要通過算法模塊對下位機設備進行控制,監視模塊通過人機界面、報警系統等功能進行監視,通訊模塊由控制網絡、系統網絡和管理網絡三層網絡結構組成,每層網絡都起著不同的作用,但都是完成數據和信息的傳遞。典型的DCS系統結構如圖2所示。

圖2 典型的DCS系統結構

系統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。搭建過程如下：

(1)控制站搭建。控制站是負責DCS控制系統現場控制的設備,控制功能具體由控制器實施,具有連續控制、順序控制及其它算法控制等功能。

功能塊是執行控制功能的基本功能單元,可以根據實際要求實現復雜的控制功能,一般的系統均提供 FBD 功能塊圖編輯器實施算法編輯功能,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,若干個程序組成控制功能,每個程序為采用某類控制語言編輯的具有獨立運算周期的控制算法集。順序控制功能是指按照預先設定的順序按次序對各階段進行執行操作,順控程序多用于處理順序控制,如圖4所示。

連續控制功能用于連續過程的反饋控制功能,系統提供了相應的 FBD 功能塊用于實現連續控制功能。控制面板是將多個功能集成為一個便于操作識別的、具有人機接口功能的功能塊，如PID調節面板。

圖4 順序控制示例

(2)操作站/工程師站搭建。操作站/工程師站主要負責配套組態軟件運行系統的監視功能,運行系統由畫面運行系統和實時運行軟件兩部分組成。畫面運行系統提供了用戶操作的常用功能,這些功能包括實時流程畫面、安全管理、趨勢分析、報表、故障診斷等。

2.2 實驗管理軟件設計

實驗管理軟件設計的關鍵在于通訊。基于遠程桌面Web方式能夠讓學生遠程控制虛擬機,通過虛擬機自主構建實驗項目進行實驗。遠程桌面Web連接主要通過ActiveX控件[6]嵌入HTML網頁中加以實現。ActiveX 控件相當于遠程終端的客戶端,該控件就是為了在Web中實現遠程操縱而設計。本系統遠程Web桌面連接的實現步驟如下：

(1)安裝一個ActiveX控件。

(2)注冊ActiveX控件。對未注冊過的ActiveX控件使用Regsvr32.exe程序對ActiveX控件進行注冊,外來的ActiveX控件要應用到自己的程序中也必須進行注冊。

(3)查找ActiveX控件的CLSID。HTML網頁調用ActiveX控件時,要獲取到ActiveX的CLSID(即ClassID)。每一個ActiveX 控件都會有一個對應的CLSID,該ID是唯一的。通過OBJECT的CLASSID屬性指定ActiveX Control的ID,然后瀏覽器就可以根據CLSID找到相應的ActiveX Control。這個CLSID是注冊到系統里的,而不是工程中自己設置的標簽ID。

(4)HTML調用ActiveX控件。將ActiveX控件嵌入到HTML網頁中的方法十分簡單,在網頁的適當位置添加如下代碼：

為了能夠找到ActiveX控件,每一個ActiveX控件都必須先注冊,再使用。ActiveX 控件的注冊和反注冊可以通過實用工具regsvr32來完成,但并不需要這么做,因為當IE發現