基于物聯網的在線實驗教學系統設計

李晨晨 黃仕龍 張超 徐鐸林 胡冬梅

摘要：本項目利用組態軟件技術、PLC技術和工業組網技術，設計一套在網絡上實現實驗課程的網絡實驗系統。實驗設備虛擬化網絡實驗課堂可以靈活有趣的調動學生實驗的積極性，提高學生的實踐能力和創新能力，同時對高校的實驗資源有力的擴充。

關鍵詞：網絡實驗系統；物聯網；遠程控制；組態軟件

1、背景：

在各高等院校的實驗教學中實驗室大型昂貴實驗設備短缺，能進行的實驗項目是少之又少，學生僅僅限于書本知識不能把所有的實驗都動手操作。為了解決這一問題創建網絡實驗系統，利用組態軟件、PLC、工業組網技術構建一個虛擬的網絡實驗平臺，不僅僅解決了實驗教學問題，而且能有培養學習者的動手操作能力和創新能力，提高學習者的興趣愛好。

2、系統實施方案

本研究設計是為高校實驗教學設計提供的個性化的綜合物聯網教學實驗平臺，本系統采用分層結構設計，共分為三層：數據采集層（適配器）、數據分析顯示層、應用層。基于總線的智慧工業物聯信息平臺設計分三步實現，現場總線部分設計，無線通信部分設計和數據中心服務器的設計。

2.1 實驗室設備的總線組網

現場總線部分實現實驗室設備的控制，同時為遠程監控系統提供數據信息，信息采用無線通信方式傳輸，需要解決PLC和無線通信適配器之間的協議打通。數據傳送到數據中心服務器當中，設計數據庫系統，編輯監控分析軟件，實現WEB發布、大屏顯示和APP查詢功能。

2.2 無線物聯網組網設計

穩定的無線通信組網是系統能夠穩定運行前提條件。由于PLC和觸摸屏的廣范使用，分布各地的設備出現問題無法及時更改，導致的后果很嚴重。GR M530能實現梯形圖的上傳下載、組態畫面的監控、出現問題時可以通過短信提示，對實驗設備的運行狀態和實驗實習情況僅僅通過手機應用監控就可以看到，非常的方便高效。該模塊只要在有網的環境下就可以進行。應用的領域非常的廣泛，在自動化生產的工業、環境保護方面、鐵路運行方面、城市供水方面等都用使用。

1）遠程PLC的硬件配置和連接

GRM530內設有兩個網口可以用來連接PLC和觸摸屏。想要連接根多的設備需要添加邏輯開關。不同的設備需要不同的網口來連接，PLC和儀表需要特殊的網口RS485來連接。該模塊沒有固定的IP地址，只要在有網的區域就能運行，應用該模塊時安裝好網絡就行。

2）計算機對遠程PLC梯形圖下載和監控

工程師在只需能上網的計算機上登陸GRM530的模塊序號和密碼，使用PLC編程軟件如博途，即可遠程下載、調試、上傳梯形圖。對于檔較大觸摸屏和要求回應速度的運動控制器均可流暢下載調試。

3）利用組態軟件對遠程PLC監控

遠程計算機連接因特網，并且電腦上安裝OPCS ERVER，就可以獲取到當前正在運行的設備數據。啟動組態軟件中的OP C，就可以遠程操作組態畫面監控與調試。模塊支持亞控，力控，昆侖通態，WINCC，INTOUCH，IFIX等各種組態，也可使用巨控免費的無限點組態軟件。

4）短信、網頁、APP遠程監控

手機上安裝相應APP軟件，只要出現設備故障就會通過短信報警，及時解決問題，夜間完全不需要留人看守。用手機監控非常的方便，無論在哪，只要打開手機安裝的軟件就可以查看。

2.3 信息管理服務器設計

信息管理服務器系統由歷史數據服務器，數據分析監控服務器，和WEB發布服務器組成。

1）歷史數據服務器設計

歷史數據服務器實時采集設備運行數據，長期存儲原始歷史數據，不經處理以便還原歷史現場。并為數據分監控服務器提供數據。利用通訊網絡實現與現場的儀表、PLC系統、DCS系統等的通信接口，可采用各種儀表協議、MODBUS、DNP3.0、IEC60870-5-101、IEC60870-5-102、IEC60870-5-104 等；軟、硬件支持雙通道冗余處理，通訊連接具有自恢復功能，具有保持通訊穩定暢通，對通訊報文原碼進行監視、存儲和調用等功能；

2）數據分析監控服務器設計

人機會話功能，全中文圖形顯示，采用多窗口技術，支持多類型畫面的動態顯示，可以提供趨勢圖、棒圖等；根據歷史數據，提供事故追憶和事故重演等功能；各類報表的統計功能，可分班、日、月、季、年統計；計劃考核管理功能、計算超欠值和超欠率并產生超欠報警等；

3）WEB發布服務器設計

客戶端可通過IE等瀏覽器查閱系統的實時信息、報警信息、歷史數據、各種圖形信息、生產統計報表、能源實績報告等，界面與實時系統的人機會話界面風格一致，WEB瀏覽具有權限限制，合法登錄的用戶才可以訪問和使用系統。

2.4 大屏顯示和手機APP組態監控功能

系統設計了基于云架構物聯網集中監控管理，提供設備端、電腦和手機端、公有云端一站式解決方案，實現實驗管理物聯網云組態，支持桌面、大屏、手機、安卓平板、移動端等組態功能。

3 、結論

本文主要研究了以可編程控制器為主控制器，結合現場總線數據傳輸、網絡組態等技術，對實驗室設備信息進行采集，實現對實驗設備設備的遠程操作。本系統采用PLC+總線結構比無線傳感網絡更穩定，更適合工業現場。利用原有實驗設備，改造更容易。幫助組建高校實驗教學網絡系統，提高設備使用壽命和工作效率。有利于提高學生實驗學習興趣和設備升級改造。

參考文獻：

[1] 孫繼元，苑廣軍.工程對象教學法培養創新能力的應用研究[J].實驗技術與管理， 2014， 31（02）： 21-22+68.

[2] 苑廣軍，孫繼元，白晶.基于工程對象法的微機原理課程教學實踐[J].計算機教育， 2016 （04）： 127-128+132.

[3] 杜艷麗，趙瑩，胡冬梅，苑廣軍.MATLAB在《電路理論》課程教學中的應用[J].科技信息，2013（02）：57+60.

（作者單位：北華大學電氣與信息工程學院）

作者簡介：李晨晨（1997.11.02），性別：男；籍貫：河南；民族：漢；學歷：本科；職稱：無；職務：學生；研究方向：測控技術與儀器。