基于多層網絡的PLC模擬仿真實訓系統設計與應用*

滕麗娟

（浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

基于多層網絡的PLC模擬仿真實訓系統設計與應用*

滕麗娟

（浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

針對原有PLC實訓系統的諸多缺陷，在單層網絡的基礎上增加了基于C/S的局域網構架和基于B/S的開放式構架，形成了基于多層網絡的PLC模擬仿真實訓系統。在系統的設計中，采用了多層網絡構架技術、資源控制和管理技術、多系統集成和優化技術等關鍵技術，使該系統具有PLC數據相互通訊、數據管理和存儲、權限并發控制、資源開放與共享等特殊功能。

多層網絡；PLC；模擬仿真；系統；控制

浙江同濟科技職業學院于2006年4月升為高職，原來的中專模式下的PLC實驗室不能滿足高職的教學需要，主要體現在以下幾個方面：（1）原實訓室零散PLC未進行網絡化集成，各PLC之間不能相互通信，不利于資源共享和集成；（2）沒有數據庫服務器和教師工作站，且不能與學生工作站互聯，不利于教學資源的積累、管理和調用；（3）沒有集成安裝多媒體系統，不能實施“理實一體化”的教學模式，不利于發揮其網絡性、系統性和現代性。

網絡信息化技術、通信技術、多媒體技術、數據庫技術的發展和交融，為解決上述問題提供了可能，本設計利用原有系統的單層網絡，在其基礎上增加雙層以太網的多層網絡設計，既節約了投資成本又體現了先進性和現代性，可以為其他同類院校的實訓室升級和設計提供很好的借鑒。

一、總體設計

原來的實訓室單層網絡采用現場總線網絡，采用RS－232串行通訊接口，通訊方式采用“全雙工”通訊方式。[1]原實訓室的控制模型僅有電機控制模型、電梯控制仿真模型、天塔之光控制模型、交通燈控制模型等6個仿真控制模型，為了滿足高職的教學要求，本次設計在原來基礎上增加了成型機控制模型、機器手控制模型、倉庫控制模型等6個模型，合計達到12個仿真控制模型。原單層網絡之上增加教師工作站、數據庫服務器、多媒體系統等子系統，PLC和教師工作站之間采用以太網形成C/S構架模式，數據庫服務器與教師工作站及學生工作站也采用以太網形成B/S構架模式，[2]使原來的單層網絡升級為多層網絡，從而使系統具有PLC數據相互通訊功能、數據管理和存儲功能、權限并發控制功能、資源開放與共享功能等功能，其網絡拓撲結構如圖1所示。

二、功能分析

通過多層網絡的設計，本系統除了一些基本的功能之外，還具備了一些特殊的功能，如PLC數據相互通訊功能、數據管理和存儲功能、權限并發控制功能、資源開放與共享功能等。

1.PLC數據相互通訊功能

一般的實訓室建設PLC之間不能相互通訊，這樣不利于資源的共享，例如當采用分組合作方式把學生組建為項目小組，小組中多個學生采用不同的PLC進行編程，每個學生編譯一個模塊，當需要把各個模塊組態為一個關聯程序并相互調用自定義過程或函數時，就需要PLC之間能夠相互通訊，否則采用外存儲器進行相互復制和銜接，就很難保持程序的一致性和完整性。

PLC相互通訊是通過以太網＋教師工作站的C/S構架來實現的，把教師工作站作為Server端，PLC作為Client端，在教師工作站中安裝PLC程序組態管理軟件，項目整體程序框架構建在教師工作站上，學生的PLC程序過程和函數[3]作為子模塊（SUB）統一上傳和集成到教師工作站項目整體程序框架之內，所有PLC子站都可以通過C/S以太網共享SUB。

2.數據管理與存儲功能

數據管理與存儲功能是通過數據庫服務器來實現的。一般的實訓室系統沒有設置數據庫服務器，不能進行資源的積累、管理和調用。本數據庫服務器安裝了Microsoft SQL Server數據庫管理系統，可以管理學生編譯的程序、典型教學案例、學生優秀作品、項目過程等資源，其數據管理和存儲流程如圖2所示。[4]

3.權限并發控制功能

依據現場總線＋以太網的構架模式，多個學生可能控制同一個仿真模型，當兩個或兩個以上學生通過不同的控制器（PLC）控制相同的仿真模型時，稱為并發控制。并發控制可能對仿真模型產生比較大的損害，因此必須禁止并發控制的發生。本設計在教師工作站中安裝了權限管理系統，該系統可以通過總線監測仿真模型的運行狀態。當某一仿真模型正在運行時，系統將辨別該模型的控制器（PLC）型號，即監測到哪臺PLC控制了該模型，同時把對應的學生工作站權限設置為1，而其他的學生工作站權限設置為0，權限為 0的學生工作站就不能再控制仿真模型，從而避免了并發控制的發生。僅當該模型停止運行，并確認退出調試時，系統再對學生工作站的權限全部清零，以等待下一個調試運行者。

4.資源開放與共享功能

本設計通過B/S構架，在服務器中安裝了基于Web的網絡站點，該站點與數據庫相鏈接，站點具有共享和展示學生編譯的程序、典型教學案例、學生優秀作品、項目過程等資源的功能，學生不但在實訓室中可以訪問站點中的這些資源，同時通過瀏覽器在任何能夠上網的地方下載和閱讀這些資源，使得實訓室的資源共享性大大提高，形成了基于網絡的開放實訓室。

通過以太網站點開放與共享教學資源需要關注網絡的安全性問題，本系統在未配置防火墻的條件下，采用軟件安全程序，在Web站點的初始頁和數據庫中配置安全加密模塊以保障系統的安全性。[5]

三、關鍵技術

本設計是網絡信息化技術、通信技術、多媒體技術、數據庫技術的融合和協同，在此對一些通用的技術本文不作論述，而只介紹多層網絡構架技術、資源控制和管理技術、系統集成和優化技術等關鍵技術。

1.多層網絡構架技術

本設計由現場總線和雙層以太網構架的多層次系統，現場總線保證了PLC與仿真模型之間通訊的快速性；由C/S以太網構成的局域網保證了PLC之間的相互通訊和資源的共享性；由B/S以太網構成的廣域網使系統具有很好的開放性。

（1）PLC相互通訊管理軟件。PLC相互通訊管理軟件是實現PLC之間的相互通訊的核心，它安裝在教師工作站中，由MCGS6.5開發工具開發而成。

（2）Web站點。為實現B/S以太網的構架，在服務器中開發了Web站點。本站點采用ASP.NET進行開發，采用Microsoft SQL Server 2005作為鏈接數據庫。

（3）C/S和B/S接口。C/S和B/S接口程序安裝在服務器中，它由Microsoft Visual C++6.0開發，一共有4個接口程序，分別為：PLC接口程序（COMPLC）；通用單元接口程序（ComUnit）；教師工作站接口程序（COMTeach）；學生工作站接口程序（COMSTU）。

2.資源控制和管理技術

資源控制和管理技術是實現數據存儲和管理、權限并發控制等功能的關鍵技術。在信息時代，有用的數據集成即是資源，資源按照性質可以分為軟資源和硬資源，如學生編譯的程序、典型案例等為軟資源，而教師工作站、學生工作站、服務器等為硬資源。

（1）軟資源控制與管理。軟資源的控制與管理依托數據庫管理系統（DBMS），在 Microsoft SQL Server 2005中基于SQL數據庫引擎，提供了存儲過程、數據函數、數據表、數據視圖等數據管理工具和方法，通過選擇不同的管理形式對軟資源進行管理。如學生的程序資源采用了表字段存儲的路徑＋外存儲文件的形式進行管理，工作站信息則采用了數據視圖進行管理。

（2）硬資源控制與管理。硬資源控制與管理采用獨立開發的權限管理系統進行管理，也采用Microsoft Visual C++6.0進行開發。其管理流程大致為：先把各個學生工作站的IP地址、對應的PLC識別信息、PLC的狀態信息等存儲到數據表中，并通過點對點監聽程序對PLC的狀態進行監測，一旦發現PLC為運行狀態，則觸發數據庫的存儲過程，置對應的學生工作站權限表數據為1，其他工作站權限為0。

3.系統集成和優化技術

要實現資源開放與共享功能離不開系統集成和優化技術，本設計的系統集成包括：（1）系統的12個仿真模型通過基于RS-232C串行接口的現場總線進行集成，現場總線的協議采用了國際有名的MODBUS通訊協議，使資源數據傳輸更具實時性。（2）軟資源的集成通過Microsoft SQL Server 2005數據庫開發，采用基于以太網的C/S網絡設計，加強了資源的共享性；（3）學生工作站的集成通過Web站點的開發，結合數據庫管理和安全設計，實現了基于B/S的網絡資源開放性；（4）資源配置的優化管理采用獨立的權限管理系統，實現并發控制和仿真模型的優化利用。其設計的集成和優化策略如圖3所示。

四、應用研究

經過精心的設計與構架，不但使本實訓室的功能達到并超過了教學的需求，同時節約投資達30%。本實訓室是浙江省省級示范實訓基地建設的重要內容，其成功開發可為電氣自動化專業、機電一體化專業、發電廠及電力系統專業和數控專業服務。本系統自運行以來性能穩定，可完成PLC課程的實驗實訓、維修電工（中級、高級）PLC部分的培訓/考核、PLC培訓、畢業設計、創新制作等教學及實踐任務。具有PLC和變頻器設計、安裝、調試、檢修等多種技能實訓功能，可實現仿真化、信息化、網絡化實訓教學和真實職業技能訓練；具有教師、學生進行電氣控制技術實訓、產品研發及教學研究功能；可承擔職業院校、企業、技能鑒定站/所的PLC、變頻器、電機與電氣控制實際操作和技能鑒定考核。為學生課程設計、課外科技活動、PLC設計競賽和畢業設計等提供了場地。

[1]Information Systemsand ControlFoundation[S].IT Governance Institute.COBIT 3rd Edition Control Objectives,2000-7.

[2]李乃夫.可編程控制器原則·應用·實驗[M].北京:中國輕工業出版社，2005：22-27.

[3]American Institute of down-to-earth quality of learning.Microsoft SQL Server 2005 Based Technology[M].World Book Publishing Company，2007.

[4]余金山.SQL SERVER 2000編程指南[M].北京:北京希望電子出版社,2001.

[5]Matthew Macdonald.ASP.NET完全手冊[M].北京:電子工業出版社,2003.

G434

B

1673-8454（2011）03-0085-03

浙江省教育廳科技計劃項目（Y200805955）。

（編輯：金冉）