基于云的可組態PLC實驗評判系統設計

張世榮， 童 博

（武漢大學電氣與自動化學院，武漢430072）

0 引 言

可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）編程簡單、靈活，價格適中，可靠性高［1］，是工業領域自動化系統應用最為廣泛的控制裝置。目前，國內大部分高校自動化本科專業培養方案都將PLC 列為專業必修（選修）課程，并配套開設了課時數較多的教學實驗。在實驗平臺建設方面，網絡化實驗、遠程實驗和虛擬實驗是PLC 實驗平臺改革的新方向。崔桂梅等［2］設計了基于PROFIBUS-DP 和工業以太網的西門子PLC網絡化實驗平臺。董天放［3］選用S7-1200 ／1500 PLC設計并實現了涵蓋管理級、控制級和現場級的3 級網絡綜合實驗平臺。為了打破地域限制，使學生能加方便地使用實驗室，PLC 遠程實驗應運而生。Saygin等［4］設計了基于Web的遠程PLC實驗室，學生可以通過Internet 遠程使用該實驗室，完成制造自動化實驗。Buinac等［5］將Web技術與PLC結合，實現了工業過程控制系統的遠程實驗。Aydogmus 等［6］利用PLC和Matlab OPC Server搭建了基于網頁的遠程實驗系統。孫蓉等［7］利用Windows 的遠程桌面功能建立了基于西門子PLC 的遠程教學平臺。胡慧慧等［8］結合校園網的實際情況，以西門子PLC 作為核心實驗設備，結合交換機、網絡攝像頭和服務器等網絡設備設計構建了一套完整的遠程實驗平臺，可實現實驗預約、遠程在線實驗、實驗報告提交和審閱以及后臺管理維護等一系列功能。虛擬PLC實驗室的出現，進一步提高了實驗的靈活性，并能有效節省實驗教學成本。王超［9］以組態軟件為平臺設計了虛、實結合的PLC 實驗平臺。李繼芳等［10］基于Wed3D、數學建模及PLC 仿真軟件，實現了全虛擬及半虛擬PLC 實驗。許雯娜等［11］針對三菱PLC，結合PLC 編程軟件、OPC 接口軟件和組態軟件實現了全虛擬的仿真教學平臺。

在實驗對象研制方面，充分體現了行業特征和對象的多樣性。例如，湯偉等［12］設計了適合PLC實驗的過程控制實驗平臺；陳毓莉等［13］設計了帶觸摸屏的PLC試驗臺。

可見，目前PLC實驗室建設只著眼于實驗平臺和實驗設備建設方面，但在實驗案例建設、結果評判等方面還遠遠不夠。PLC 課程注重學生實踐能力的培養，故配套的實驗時數多，實驗內容繁雜。自動評判在各種在線測試系統中早已開始使用，例如課程設計［14］、C語言程序設計［15-16］等；但在文獻中尚未有針對PLC 實驗結果進行自動評判的研究報道。本文基于云平臺設計可組態式PLC實驗結果自動評判系統，旨在將指導教師從繁瑣的評判工作中解脫出來，并為學生提供更加準確的評判結果和更加豐富的實驗反饋。

1 基于云的評判系統設計

1.1 系統總體構架

PLC是一門應用性強的課程，必須充足的課程實驗以培養學生的實踐動手能力，實驗室是PLC 課程建設的重點內容。目前某些高校采用虛擬化理念建設PLC實驗室，充分利用其成本優勢和靈活性特征。虛擬化實驗不適合首次接觸PLC 的本科生，這樣會讓他們缺乏對PLC的直觀認識，難以消除對新控制器的神秘感。在建設自動化專業的PLC 實驗室時，仍采用傳統模式，配備了S7-1500 PLC、試驗箱和編程計算機，在圖1 中標注為本地實驗室。

圖1 基于云的PLC實驗評判系統總體結構

本文設計的基于云的結果自動評判系統如圖1 所示。本地實驗室路由器連接多臺S7-1500 PLC和編程計算機組成局域網，路由器通過Internet連接云服務器，實驗開始后服務器將實時采集并存儲學生的實驗數據，這些數據可用于過程回放并作為結果評判的依據。本文選用阿里云服務器ECS 搭建云端評判系統，ECS配置如下：CPU4 核，內存8GB，操作系統Windows Server 2008 R2 企業版。ECS安裝Apache以完成Web服務器功能，并安裝MySQL數據庫對系統數據進行存儲和管理。教師和學生都通過Web 訪問云端評判系統，以完成各自角色所賦予的定制功能。

1.2 系統功能設計

（1）用戶管理。系統設計了用戶管理功能，以管理指派了實驗任務的班級和學生；系統同時也對指導教師進行管理。用戶管理的基本功能和實現方式與一般管理系統類似。

（2）實驗組態。這是為指導教師定制的功能，在Web頁上的操作完成，用于對多個實驗進行配置和組態。指導教師利用此功能，可以新建、編輯、復制、刪除實驗，并組態每個實驗所需的開關量時序和模擬量波形。為了便于指導教師檢查組態的合理性和正確性，組態時序和波形還可以以曲線簇的形式顯現出來。從結果評判的角度上看，實驗組態給出了每個實驗的標準答案。

實驗組態是結果評判系統的核心環節，會隨著實驗項目的增減及控制功能的升級而變化。若采用傳統單機版形式，則每次修改都需要在各臺電腦上進行升級，這樣會帶來大量的工作量且極易導致版本混亂。采用云平臺，則每次修改只需對云服務器上的組態數據進行升級皆可。且可以方便收集和管理多人次的實驗結果，通過對這些數據的進一步分析和挖掘可以發現學生對PLC課程學習的規律，將有助于提升課程的學習效果。

（3）學生實驗管理。學生用此功能模塊登記管理每個實驗，以便系統進行有效的數據采集和存儲。此功能通過Web頁完成，學生需要選擇或填寫確認的信息見表1。為了便于表述，以“交通燈PLC 控制”實驗為例進行說明。在PLC 實驗數據讀取時，選用OPC UA開放性協議，IP地址或鏈接地址是云平臺連接S7-1500 OPC UA服務器的必備參數。PLC程序的運行與其外部接線密切相關。若指定外接線順序，必然會簡化平臺設計，但也會限制學生程序設計的自由，干擾實驗過程。表1 中的接線指定則可以在不影響學生實驗的同時，建立實際接線與實驗組態信號之間的對應關系。

表1 學生實驗管理信息

（4）數據傳輸與管理。數據傳輸是本系統的紐帶，如圖1 所示，S7-1500 PLC、編程計算機通過路由器組成局域網，局域網通過Internet 連接阿里云ECS 服務器。編程計算機通過登錄Web 網站完成實驗信息提交、結果查詢和錯點分析等功能，ECS服務器上運行的OPC UA客戶將連接S7-1500 的內置OPC UA 服務器遠程訪問PLC實驗數據。

（5）結果評判。通過數據傳輸和管理，學生的實驗數據都存入MySQL 數據庫。當學生完成實驗并提交后，調度程序將啟動評判功能模塊進行結果評判，給出評判分數，并標記錯點。

2 基于OPC UA的系統通信

系統包含了多個模塊，且這些模塊分布在就地實驗室和云端，通信是系統的數據紐帶，合適的通信規約是系統的關鍵之一。選用OPC UA規約，它是OPC 基金會近年提出的OPC統一架構［17-18］，它將OPC Classic規范的所有功能集成到一個可擴展框架中。OPC UA與平臺無關，可運行于嵌入式設備，具備從傳感器到云的可擴展性。在SIMATIC S7-1500 控制系統中集成了OPC UA服務器功能，可以實現基于OPC UA 的完整M2M通信。用戶不僅可以讀取或寫入控制系統的OPC UA 變量，還可通過OPC UA 啟動復雜的功能序列。

在圖1 所示的系統配置中，按照以下步驟即可實現云端OPC UA 客戶與S7-1500 OPC UA 服務器的連接和數據獲取：

步驟1在編程計算機中啟動Tia Portal軟件并創建PLC項目。

步驟2在項目中添加對應的PLC選型并配置組態信息，主要是IP地址配置。

步驟3若就地實驗室分配了公網IP地址，則需要在路由器中配置好S7-1500 PLC 的端口映射，這樣云端客戶就能遠程連接S7-1500 OPC UA服務器。

步驟4若實驗室路由器未分配公網IP，則云端OPC UA客戶無法直接連接S7-1500 PLC，但可以借助花生殼等內網穿透軟件來實現連接。在編程計算機上安裝花生殼客戶端軟件，將S7-1500 PLC 的內網IP 及端口與花生殼提供的外網IP 和域名進行對應配置。配置成功后，云端OPC UA 客戶即可利用花生殼生成的訪問地址（例如：20873a00x1． imwork． net：44116）連接S7-1500 PLC。

步驟5云端調度程序查詢到學生的實驗請求后，將啟動一個線程來連接此實驗所用的S7-1500 PLC。若本地路由器有公網IP，則采用類似如下的URL：＂ opc． tcp：／ ／ 202． 114． 102． xx＂ 連接S7-1500 PLC OPC UA；若實驗室采用花生殼軟件，則S7-1500 OPC UA 服務器的URL 將具有如下形式＂ opc． tcp：／ ／20873a00x1． imwork． net：44116＂。云端OPC UA 客戶線程成功連接S7-1500 PLC后，按照表1 所填的“接線指定”讀取或訂閱數據。實驗結束后，調度程序結束對應線程，釋放程序資源。

云端OPC UA客戶程序的設計可以采用多種SDK完成，在VS 2012 平臺上使用OpcUaHelper SDK 來設計云端OPC UA 客戶程序。OpcUaHelper 是一個通用的OPC UA客戶端類庫，基于官方OPC UA 基金會跨平臺庫創建，封裝了節點讀寫、批量節點讀寫、引用讀取、特性讀取、歷史數據讀取、方法調用、節點訂閱、批量訂閱等操作。

3 實驗組態及管理

云端評判系統中，教學實驗可組態，具備開放性特征。實驗組態即按照實驗目標生成輸入、輸出端口的時序曲線，這些曲線將作為學生實驗結果評判的標準答案。

為方便實驗案例的組態，設計了基于Web的波形編輯器，指導教師可以方便地組態實驗。指導教師首先分析用自然言語、圖表或曲線描述的實驗要求，然后使用波形編輯器編輯標準實驗結果曲線，包括實驗所需的所有開關量輸入、模擬量輸入、開關量輸出和模擬量輸出曲線。編輯器同時提供復制、粘貼、修改等功能，指導教師通過復制并進行少量修改即可組態生成近似的實驗結果。

為了便于將實驗組態存入數據庫中，將實驗結果的全程波形分解為多個“段”，各“段”按時間順序串聯起來；每個“段”的波形用預設的幾種基本波形模式描述。圖2 為開關量和模擬量分別預設了7 種基本波形模式。選取模式及時間幅值參數，PLC 控制器的任何開關量、模擬量波形都可以用這些基本波形合成。這樣一來，數據庫只需存儲數量不多的時間和幅值參數即可呈現出實驗結果的全程波形。

圖2 信號基本波形模式

以“交通燈PLC 控制”實驗為例來具體化實驗的組態過程。表2 為“交通燈PLC 控制”實驗所需的所用控制信號，除Q 啟動為輸入信號外，其余燈的控制信號皆為輸出。

表2 交通燈PLC控制實驗的控制信號

分析實驗的控制功能可知交通燈控制為循環過程，其一次循環的輸入輸出信號時序如圖3 所示。實驗組態時只需對單次循環波形進行組態，再將單次循環波形重復執行即可呈現出實驗的全程波形。按照波形特征，圖3 所示波形可以分為6 個“段”，記為S1 ～S6。利用基本波形模式及其參數，圖3 所示波形被簡潔地描述為表3 所示實驗組態，且表3 非常適合數據庫的存儲和管理。組態完成后，實驗組態將被存入云端MySQL數據庫。模擬量波形的描述與開關量類似，只是每個段所存儲的參數稍多。為了便于及時檢查和修正波形組態，編輯器還能及時顯示波形組態，實現“所見即所得”。

圖3 交通燈PLC控制實驗的信號時序

表3 交通燈控制實驗組態

4 實驗過程及結果評判

4.1 實驗過程

指導教師首先在系統中組態好實驗，系統將標準結果曲線存入數據庫。再將需要開展實驗的班級和學生姓名導入系統，學生即可利用系統進行實驗記錄和自動結果評判了。

學生進入實驗室按照安排就座后，需要登錄部署在阿里云ECS 上的網站系統并填入表1 所示的管理信息，系統成功驗證學生實驗信息后將其寫入數據庫。云端調度程序通過查詢數據庫獲得實驗請求后，即啟動一個OPC UA 客戶線程，并用此線程連接對應S7-1500 OPC UA服務器并完成數據讀取。

信息登錄成功后，學生即可利用S7-1500 PLC 連接實驗箱并完成實驗內容。此階段評判系統透明化，完全不影響學生的實驗過程，也不約束學生的編程思想。評判系統僅在后臺實時采集學生實驗時的輸入、輸出數據，并存入對應的數據表中以供后續結果評判。

4.2 結果評判

由于不對學生接線進行限制，故同一個實驗其結果也不盡相同，取決于不同的輸入、輸出接線順序。因此，云端評判系統采集的實驗數據尚不能直接用于結果評判，需要先進行“去接線化”處理。在表1 中指明了接線代表的物理意義，利用該信息即可對原始采集數據“去接線化”。去除接線帶來的影響后，實驗數據與標準曲線所代表的信號意義完全相同，才可以進行對比判斷。去接線化后，實驗結果數據首先與標準曲線同步時標，再進行比對完成實驗結果的評判。在評判的同時，還需要將存在差別的時標點記錄下來，以便進行錯點分析。

實驗評判完成后，學生可以從Web頁查看評判結果和錯點，頁面用不同顏色的曲線呈現標準曲線和實驗曲線，以輔助學生查找問題，加深對實驗的理解。以上基于比對的評判方法適用于開關量邏輯控制系統，目前已經在評判系統上實現并開始試運行。而模擬量系統的評判功能模塊則更加復雜，需要與閉環控制系統的性能分析和評估結合起來。在本科階段，PLC 實驗主要針對開關量控制系統開展，而模擬量閉環控制較少涉及，故以上基于曲線比對的評判方法可以解決大部分PLC實驗結果的評判問題。

5 結 語

針對PLC實驗結果人工評判費時、工作量大且不準確的問題，設計了基于云的自動評判系統。系統以阿里云ECS 為平臺，結合OPC UA 協議、Web 服務和數據庫管理。在系統框架設計基礎上，設計了云端多線程OPC UA客戶程序，遠程連接S7-1500 OPC UA服務器以實時獲取學生的實驗數據。實驗的可組態性將評判系統打造成為了一個開放平臺，具有較好的擴展性。本系統可以大大減輕指導教師對實驗結果評判的工作量。學生也可以從系統獲得更加準確的評判結果和更加全面的反饋信息，以加深對實驗的理解。本文基于云的平臺設計、基于OPC UA 的通信規范性以及可組態理念可為其他實驗系統提供借鑒，也可以為其他遠程監控系統設計提供參考。