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哈尔滨工业大学 罗克韦尔自动化实验室 林景波 李凤阁 许峰 梁慧敏
摘要 基于NetLinx的嵌入式远程教学实验系统是工业控制现场总线控制系统与多媒体教学有机结合的产物，通过Internet实现了各种庞大的教学演示系统在课堂上的交互式演示，直接对系统及设备进行各种操作，并以最优的角度、最佳的效果，生动、直观地将设备的运行情况展示出来，更有利于学生掌握相关知识。该系统在多媒体教学上的成功应用必将推进多媒体教学及远程实验系统在教学上进一步发展。
关键词 NetLinx 现场总线 远程操作 多媒体教学
1引言
多媒体教学是特指运用多媒体计算机并借助于预先制作的多媒体教学软件来开展的教学活动过程，又称为计算机辅助教学（computer assisted instruction，即CAI）[1]。多媒体计算机辅助教学利用多媒体计算机，综合处理和控制符号、语言、文字、声音、图形、图像、影像等多种媒体信息，把课本知识生动、直观地展示出来，使学生更易于掌握，这是传统教学模式所无法比拟的。通信技术的迅猛发展和计算机网络的广泛应用,促进了网络型CAI的发展，即远程多媒体教学。远程教育克服了传统教育在空间、时间、地域和教育者在年龄、教育环境等方面的限制，学生可以根据自己的实际情况，安排学习进度，选择完成学业的时间，更好地完成学习任务。
基于NetLinx的嵌入式远程教学实验系统利用计算机网络和多媒体教学系统，将庞大的实验装置通过网络搬进了课堂, 解决了目前教学与演示、实验相分离的问题，并为远程多媒体教学提供了远程实验平台，让学生可以通过Internet直接操作和控制各种远程仪器设备，完成各种实验。
2系统概述
NetLinx是罗克韦尔自动化推出的一种开放式网络体系，它不是单一的网络结构，而是一种不依赖于网络介质的网络体系。NetLinx将网络服务、通用协议和开放式软件接口有机结合,它保证了控制数据高效传输，并实现了信息从底层的设备网到上层信息网络的无缝流动。
基于NetLinx的嵌入式远程教学实验系统是以NetLinx网络体系为基础建立起来的用于教学实验的现场总线控制系统，包括了现场总线系统信息层、控制层、设备层三层网络，即EtherNet、ControlNet、DeviceNet，实现了实时可靠的控制功能，并提供了开放的网络接口。系统采用罗克韦尔RSView32作为上位机监控软件，并将视频数据嵌入到监控界面中，利用RSView32 ADS（Active Display System）控件的服务器端软件（ADS Server）构建数据服务器，与远程终端进行实时数据交换。局域网或Internet网络上的远程终端计算机，以IE浏览器等方式调用嵌入WEB的客户端(ADS Client)控件，访问系统的开放网络接口与服务器进行数据交换，实时监控系统的运行情况。实现了远程网络访问演示装置，并能对演示装置进行各种控制，如同在装置前直接操作，同时可直接从演示装置中读取各个设备的运行参数，对设备参数进行修改、调试，通过嵌入式的视频服务功能，还可利用现场摄像机观察装置的实际运行情况。
RSView32 ADS 系统是Rsview32的一个ActiveX控件，在上位机上运行其Server端软件，远程终端计算机可通过IE浏览器访问服务器，调用嵌入WEB的Client软件来与服务器进行通信，也可直接运行Client软件。ADS系统采用动态分配访问端口形式建立链接，具有良好的安全性能，并具有与Rsview32相同的用户权限设置，只有授权用户可以登陆系统，并在相应的权限下对控制系统进行操作。
3系统组成
基于NetLinx嵌入式远程教学实验系统由两部分组成：NetLinx现场总线控制系统和嵌入式视频服务系统。NetLinx现场总线控制系统包括：用于提供网络数据服务的工控机、提供逻辑控制演示的基于DeviceNet的仿真电梯PLC控制系统、用于过程控制演示的基于DeviceNet的过程控制系统及由PLC-5热备系统控制的摄像机，嵌入式视频服务系统用于提供实时视频发布服务，系统的结构如图1所示。
仿真电梯控制系统采用罗克韦尔自动化新一代的混合式控制器－ControlLogix控制器，系统共有30路信号输入，19路信号输出，分别连接到Flex I/O输入模块1794-IB16、输出模块1794-OB16上，通过DeviceNet通信模块1794-ADN连接到DeviceNet网络上。变频器1336-Plus通过1203-GK5连接到DeviceNet网络上。仿真电梯PLC控制系统能够完成仿真电梯的自动定向、加速和减速运行、顺向截梯、自动开关门等功能，并利用变频器S曲线加速和减速，对速度变化提供平滑控制，使得电梯运行有较好的舒适感。
基于DeviceNet的过程控制系统有6路数字量输入信号，连接到1794-IB16，采集操作面板上的控制按钮信号；1路模拟量输入信号，连接到1794-IE4XOE2，采集压力变送器的信号；3路输出信号连接到1794-OB16上，分别用于控制水泵直接启动、软启动、及变频器启动运行；这些信号通过1794-ADN连接到DeviceNet网络上。变频器1305通过1203-GK5连接到DeviceNet网络上，从DeviceNet网络上接受起停控制命令和频率控制命令。系统还具有一个现场的操作员终端RediPanel-2705，通过Remote I/O连接到ControlLogix控制器。该系统具有比较3中不同启动方式的功能，在变频器运行模式下构成了闭环过程控制系统，用于演示过程控制参数对系统运行影响及调节器参数的整定方法。
一体式摄像机有11路控制信号，包括上下、左右、聚焦远近、对焦虚实、光圈大小及自动控制信号，连接到1794-OB16，并通过1794-ASB模块连接到Remote I/O网络上，由PLC-5热备系统控制。通过摄像机可观察到现场设备实际运行情况。
工控机通过ControlNet网络和DH＋网络实时采集ControlLogix和PLC-5控制器的数据，并与远程计算机进行通信，发送系统运行参数，接受控制信号，并将控制命令发送到控制器中。
视频服务器上装有视频采集卡，采集摄像机视频信号，并将图像嵌入到RSView32组态界面中，实时发送到远程终端计算机。
系统具有现场总线控制系统开放性，具有很强的可扩展功能，可以十分方便地扩展其他控制对象。
图1 基于NetLinx的嵌入式远程教学实验系统结构
4系统应用
现场总线技术与计算机网络技术及多媒体教学系统的有机结合，为教学演示及远程教育实验提供了一种新的模式。
4.1 教学演示
在传统教学过程中，由于实验演示系统比较庞大而无法在课堂上进行演示，或只能通过播放录像、动画等方式来进行，使得教学与演示实验相脱节。该实验系统将庞大的实验装置通过网络及多媒体系统展示到课堂上，为教学上进行一些比较复杂的互动性演示实验，更生动地展示实验过程以及进行远程实验提供了网络平台。同时，传统实验演示中的各种问题也都随之解决，如演示过程中，学生无法从各个角度全方位地观察实验的进行，而且只有少数人能够直接接触到设备的各种运行参数。该系统以最优的角度拍摄演示装置的运行情况，显示到计算机屏幕上和投影屏幕上，并可将目前设备的运行参数、PLC控制程序的运行等显示出来，让学生有亲临其境的感觉，达到良好的演示效果。
在生产过程自动控制中，PID控制是历史最长、生命力最强的基本控制方式。系统的参数整定是系统稳定运行的关键，也是自动控制理论课程的重要组成部分。在传统的教学中，PID参数对系统的影响及PID参数的整定方法是无法在课堂上进行演示的，基于NetLinx的嵌入式远程教学实验系统中的过程控制子系统则将此直观的展现出来，如图2所示。
过程控制演示系统通过DeviceNet采集压力变送器的压力值，进行PID指令运算，得出控制结果输出给变频器，形成闭环控制系统。上位机Rsview32组态软件通过ControlNet进行实时监控，并利用ADS Server将监控界面发送到远程终端，并接收远程终端发送的控制命令，输出到控制器。在远程终端上可以显示与上位机一致的监控界面，观察系统的当前压力，设定点以及输出控制比例，并可以对过程控制系统进行远程起停控制，设置PID调节的有关参数，如：比例增益、积分系数、微分系数、偏移量、死区范围及系统设定点等各项相关参数。教师在课堂上即可演示不同PID调节参数对系统运行的影响，并通过趋势图直观显示出来，使学生更加深刻地掌握PID参数的调节。并可以通过采集系统动态响应曲线，利用计算法计算出调节器参数，也可演示各种不同的调节器参数工程整定方法，如稳态边界法、衰减曲线法等。通过RSLinx Gateway 的强大功能，远程计算机可通过OPC服务读取ControlLogix控制器参数，用罗克韦尔自动化软件RSTune进行方便的PID参数自整定功能，并可对系统各种动态响应过程进行深入分析。
系统同时也可为利用基于DeviceNet的PLC控制仿真电梯进行逻辑控制远程演示操作，如图3所示。
图2 过程控制演示实验界面
图3 逻辑控制演示实验界面
4.2 远程实验
基于NetLinx的嵌入式远程教学实验系统为远程实验操作提供了开放的网络平台。利用罗克韦尔自动化的演示版软件RSLinx Lite、RSView32 Demo、RSNetworx for ControlNet/DeviceNet Demo，即可访问远程服务器，并通过服务器访问访问现场设备，进行设备参数设置、工作参数整定，进行网络组建，并进行上位机程序编写，实现远程操作实验。
在罗克韦尔自动化授权软件的支持下，还可对处理器进行程序编写、调试，对系统进行远程设备访问、故障诊断、远程系统组建、调试，进行远程系统维护，为工业控制系统的组建、维护提供了一种崭新的模式。
5结束语
基于NetLinx的嵌入式远程教学试验系统以罗克韦尔自动化NetLinx网络体系为基础，以罗克韦尔自动化软件为平台，构建了过程控制远程教学演示系统控、逻辑控制教学演示系统以及远程教学实验操作系统，并提供了开放式接口，可以方便地根据需要对系统进行扩展。系统通过Internet将各种庞大的教学演示装置搬到了课堂上，将各种演示实验生动、直观的展示出来，使学生更深入地理解课本知识。基于NetLinx远程教学实验系统的成功应用，为各种教学演示、远程实验开创了一种新的模式。通过哈工大罗克韦尔自动化实验室的教学演示，获得了广大学生的好评，达到良好的效果，并获得2003年哈尔滨工业大学教学实验装置评估一等奖。