鄭云波，趙文春，劉勝道

（海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

基于web的消磁電源訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制

鄭云波，趙文春，劉勝道

（海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

針對消磁電源訓(xùn)練模擬系統(tǒng)，從總體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面設(shè)計(jì)了基于 web的遠(yuǎn)程控制方案。該設(shè)計(jì)有效地將實(shí)驗(yàn)室與各消磁站有機(jī)地聯(lián)系在一起，構(gòu)成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，便于廣大學(xué)員自由在線進(jìn)行消磁電源模擬訓(xùn)練以及專家提供在線支持。

Internet遠(yuǎn)程控制消磁電源訓(xùn)練模擬系統(tǒng)PLC

0　引言

艦船消磁是指通過消磁電源往艦船外敷設(shè)的線圈中通強(qiáng)電流，利用此電流產(chǎn)生的磁場讓艦船鋼板及內(nèi)部設(shè)備的磁結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而消除艦船固定磁場[1]?？梢姡谙徘趧?wù)中，消磁電源的地位十分重要。我們在實(shí)驗(yàn)室制作了消磁電源模擬柜，通過PLC控制來模擬消磁電源運(yùn)作，同時(shí)連接到PC機(jī)，通過PC機(jī)對其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制?？紤]到電源所需的穩(wěn)定性及安全性，我們并沒有采取現(xiàn)在最新的無線連接，而是采用電纜連接PC機(jī)和模擬電源柜。而在遠(yuǎn)程客戶端則通過PC機(jī)登陸瀏覽器，讀取對該模擬電源柜的實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程操作。本論文主要介紹消磁模擬電源基于web的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1　消磁模擬電源遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.1消磁電源訓(xùn)練模擬系統(tǒng)

消磁電源訓(xùn)練模擬系統(tǒng)主要是模擬消磁站實(shí)際消磁電源，利用可編程控制器PLC進(jìn)行程序控制，使消磁電源模擬輸出正負(fù)交替、逐漸衰減的間歇脈沖電流[2]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用西門子公司的S7-200 CPU226系列PLC。其作為一種小型PLC，具有多種功能模塊和人機(jī)界面，可以很容易組成PLC網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)集成也非常方便，可以較好地完成消磁電源所需要的各種控制。

1.2系統(tǒng)需求分析

隨著計(jì)算機(jī)、通信等技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制越來越多的應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)控制等領(lǐng)域。西門子公司S7-200系列PLC目前主要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有現(xiàn)場總線控制方式和以太網(wǎng)的控制方式，現(xiàn)在還有最新的紅外控制、藍(lán)牙控制等。而最新的紅外控制和藍(lán)牙控制，并不能確保數(shù)據(jù)的完整性和安全性，在遠(yuǎn)距離信息傳輸方面會(huì)有信息延遲和信息遺失，不能保證實(shí)驗(yàn)的可靠性。鑒于此，本實(shí)驗(yàn)最終通過 Internet將部隊(duì)各地消磁站和學(xué)校消磁實(shí)驗(yàn)室連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，采用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)/圖像/聲音實(shí)施采集和遠(yuǎn)程控制，在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和獲取學(xué)員操作信息?；?Internet的遠(yuǎn)程控制充分利用了實(shí)驗(yàn)室的消磁模擬電源，讓廣大官兵和學(xué)員可以不受時(shí)間和地點(diǎn)的約束[3]，自由練習(xí)操作技能，熟練操作方法，可有效地降低實(shí)際消磁電源的誤操作。

1.3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PLC具備多種數(shù)據(jù)通信接口和較為完善的數(shù)據(jù)通信能力，可以與其他PLC或者其他設(shè)備構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制要求。本實(shí)驗(yàn)采取基于B/S的上位連接系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。上位連接系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)化綜合管理系統(tǒng)。服務(wù)器收集和管理上位機(jī)發(fā)送來的信息數(shù)據(jù)，并發(fā)送相關(guān)命令控制上位機(jī)運(yùn)行。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)上位計(jì)算機(jī)通過串行接口與PLC相連，對PLC進(jìn)行監(jiān)視和管理，構(gòu)成集中管理、分散控制的分布式多級控制系統(tǒng)。而客戶端和上位計(jì)算機(jī)之間通過瀏覽器/服務(wù)器模式進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。瀏覽器-服務(wù)器（B/S）模式是以web技術(shù)為基礎(chǔ)，基于HTTP超文本傳輸協(xié)議完成的，如圖2所示。這種模式要求遠(yuǎn)程客戶端PC機(jī)通過HTTP通信協(xié)議向WEB服務(wù)器發(fā)出相應(yīng)指令，服務(wù)器得到指令后，將指令轉(zhuǎn)換為SQL語言訪問數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，對指令進(jìn)行對比校驗(yàn)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，將最終的數(shù)據(jù)結(jié)果傳回web服務(wù)器，服務(wù)器對結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，必要時(shí)加入一些相關(guān)信息，并最終轉(zhuǎn)換成HTML頁面，顯示在客戶端PC機(jī)的瀏覽器界面上。

圖2　B/S工作模式

2　硬件結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的基于web的消磁電源訓(xùn)練模擬系統(tǒng)是以實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為模板，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。從地理位置上劃分，基于web 的 PLC模擬消磁電源訓(xùn)練系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)和本地實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)；從硬件結(jié)構(gòu)上劃分，該訓(xùn)練系統(tǒng)分為客戶端層、服務(wù)器層、控制器層。在此需要說明的是，本實(shí)驗(yàn)利用了PLC直接模擬實(shí)際設(shè)備工作情況，故在本次實(shí)驗(yàn)中不存在設(shè)備層。在本實(shí)驗(yàn)中，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)即為相對應(yīng)的客戶端層及其相關(guān)網(wǎng)絡(luò)器件，本地實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)則包括服務(wù)器層和控制器層。

2.1客戶端層

客戶端層，即指接入Internet的遠(yuǎn)程客戶端，在本實(shí)驗(yàn)中包括管理者工作站、指導(dǎo)老師工作站和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)工作站。遠(yuǎn)程用戶可以在 PC機(jī)上打開通用瀏覽器，在客戶端web瀏覽器所提供的人機(jī)交互界面中登錄到系統(tǒng)服務(wù)器中，在授權(quán)驗(yàn)證后，方可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作以及數(shù)據(jù)信息查詢等功能。服務(wù)器在接收到客戶端的指令后，將指令傳達(dá)給PLC 200?？蛻舳艘沧鳛榻邮斩?，接收傳遞上來的反饋信息和數(shù)據(jù)信息，并顯示在瀏覽器頁面上。客戶端層主要與服務(wù)器進(jìn)行通訊連接，完成傳遞指令、接收信息、對操作人員的身份進(jìn)行驗(yàn)證等功能。

對于瀏覽器-服務(wù)器模式的控制方式而言，遠(yuǎn)程客戶端要求非常簡單，只需要配備一臺電腦，能夠運(yùn)行PLC編程軟件，遠(yuǎn)程用戶即可在通用瀏覽器上進(jìn)行模擬操作。

圖3　消磁控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制硬件結(jié)構(gòu)

2.2服務(wù)器層

服務(wù)器層是整個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的核心，也是這個(gè)系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)站[4]，它連接客戶端層的 PC機(jī)和控制層的PLC：一方面將消磁模擬電源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息、運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)保存到數(shù)據(jù)庫中，再向遠(yuǎn)程客戶端發(fā)送；另一方面將客戶端發(fā)出的指令傳送給控制層，同時(shí)完成HTTP協(xié)議的轉(zhuǎn)換及操作者的授權(quán)認(rèn)證。在本實(shí)驗(yàn)中，服務(wù)器層包括web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WinCC服務(wù)器、音頻/視頻服務(wù)器、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)代理服務(wù)器。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，所以將WinCC服務(wù)器、web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器都集中在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)代理服務(wù)器上，即實(shí)驗(yàn)室本地 PC，音頻/視頻服務(wù)器作為實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)擴(kuò)展功能。

Web服務(wù)器是專門用于為遠(yuǎn)程客戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的服務(wù)器。該服務(wù)器運(yùn)行為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的網(wǎng)站。操作者通過普通瀏覽器打開該網(wǎng)站，進(jìn)行身份驗(yàn)證登陸后即可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作以及信息查詢。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是以數(shù)據(jù)庫表為依托，專門用于存放實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及一些用戶信息。數(shù)據(jù)庫通過以太網(wǎng)，接收PLC和客戶端之間傳遞的指令和數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)保存和整理功能。除此之外，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器還提供設(shè)備故障報(bào)警信息。數(shù)據(jù)庫保存著用戶信息、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等大量重要信息，因此，數(shù)據(jù)庫的安全性也是至關(guān)重要，關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全問題。

WinCC服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)是依托于西門子公司的組態(tài)軟件 WinCC及其組件 WinCC Web Navigator。它不僅是遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)服務(wù)器，對遠(yuǎn)程客戶端的命令和參數(shù)進(jìn)行解析執(zhí)行，將結(jié)果反饋給遠(yuǎn)程客戶端，也可作為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)代理服務(wù)器，對實(shí)驗(yàn)室模擬電源進(jìn)行現(xiàn)場控制，與連接在工業(yè)以太網(wǎng)的控制設(shè)備進(jìn)行通信，對 PLC進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果等保存到數(shù)據(jù)庫中。

音頻/視頻服務(wù)器主要是提供現(xiàn)場聲音及圖像，讓遠(yuǎn)程用戶在做實(shí)驗(yàn)時(shí)效果更直觀，同時(shí)作為一個(gè)模擬消磁電源訓(xùn)練系統(tǒng)，更接近于實(shí)際消磁電源。

3.3控制器層

控制器層的作用是對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行過程控制，為可視化單位提供數(shù)據(jù)并接受其控制命令。本實(shí)驗(yàn)中，西門子公司的S7系列200PLC，既作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，也能自動(dòng)控制。STEP7為西門子公司旗下的 PLC編程軟件，可以方便地對 S7-200 CPU進(jìn)行編程、下載、上傳和監(jiān)控等操作。

3　軟件結(jié)構(gòu)

基于web的消磁電源訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制軟件結(jié)構(gòu)主要有：web服務(wù)器、遠(yuǎn)程控制服務(wù)器、遠(yuǎn)程音頻/視頻服務(wù)器。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.1 Web服務(wù)器

Web服務(wù)器是遠(yuǎn)程客戶端與控制服務(wù)器的接口。在web服務(wù)器中運(yùn)行設(shè)計(jì)的網(wǎng)站頁面上，操作者在界面上完成注冊登錄后，可以進(jìn)入到遠(yuǎn)程控制界面完成消磁模擬電源訓(xùn)練，也可以進(jìn)入到數(shù)據(jù)查詢界面進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，管理者也可以進(jìn)行用戶信息管理。

圖4　消磁控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制軟件結(jié)構(gòu)

3.2遠(yuǎn)程控制服務(wù)器

遠(yuǎn)程控制服務(wù)器的設(shè)計(jì)有兩種方法：其中一種就是利用數(shù)據(jù)庫之間數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)，將數(shù)據(jù)先傳到數(shù)據(jù)庫中，然后在遠(yuǎn)程客戶界面上顯示所需的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或者歷史數(shù)據(jù)，從而為用戶提供相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制界面；另一種指的是運(yùn)用WinCC Web Navigator發(fā)布的遠(yuǎn)程控制平臺，其服務(wù)器如圖5所示。WinCC是西門子和微軟合作開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是目前最常用的三大SCADA Supervisory Control And Data Acquisit I/On，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng))之一[5]。該平臺接收遠(yuǎn)程客戶端的命令和參數(shù)，將必要的數(shù)據(jù)和命令保存到數(shù)據(jù)庫中，而遠(yuǎn)程客戶端則通過 WinCC Web Navigator客戶端輸入各種命令和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場控制對象PLC的控制[6]。

圖5　WinCC服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖

4　結(jié)束

本論文主要通過對消磁電源訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的研究，提出了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路，從總體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面設(shè)計(jì)了其基于web的消磁電源訓(xùn)練模擬系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制方案，該設(shè)計(jì)能有效地將實(shí)驗(yàn)室與各消磁站有機(jī)地聯(lián)系在一起，構(gòu)成消磁系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，便于廣大學(xué)員在線進(jìn)行消磁電源模擬訓(xùn)練以及專家提供在線支持。

[1] 趙文春. 一種新型消磁電源系統(tǒng)的模擬研究[J]. 艦船電子工程，2011，(5): 157-159.

[2] 嚴(yán)孟奎. 消磁電源訓(xùn)練模擬系統(tǒng)研究[D]. 武漢:海軍工程大學(xué)碩士論文，2010，(11).

[3] 唐鴻儒. 基于 Internet的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室研究[J].測控技術(shù)，2005，25(2): 54-58.

[4] 孫承志. 西門子 S7-200/300/400PLC基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5] 趙德瑞. 基于Web的PLC控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的研究[D]. 河北: 河北工業(yè)大學(xué)2010.

[6] 武立甲. 基于WEB的PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].合肥: 太原科技大學(xué)2013.

Remote Control of Degaussing Power Training/Simulation System Based on Web

Zheng Yunbo，Zhao Wenchun，Liu Shengdao
(College of Electrical Eng.，Naval Univ. of Engineering，Wuhan 430033，China)

The remote control scheme of degaussing power training/simulation system is designed in terms of overall structure，software and hardware based on the web. This design connects lab and degaussing station together to be a system network，which is convenient for the students to have online degaussing power simulation training freely and the experts to give online support.

Internet; remote control; degaussing power training/simulation system; PLC

TP391.9

A

1003-4862（2015）12-0077-04

2015-10-08

鄭云波（1990-），女，碩士。專業(yè)方向：消磁電源的控制。