控制教育远程实验的TwinCAT和EJS系统开发

第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012年EasyJavaSimulations满足TwinCAT：使用可编程逻辑控制器的E. Besada-Portas洛佩斯-奥罗斯科大学德拉托雷酒店J.M.德拉克鲁斯西班牙马德里evabes@dacya.ucm.es完全jalo@dacya.ucm.es计算机和自动化建筑学博士（电子邮件：www.example.com，www.example.com，jmcruz@fis.ucm.es）。计算机科学与自动化系，西班牙公开赛西班牙马德里大学（电子邮件：ldelatorre@dia.uned.es）摘要：本文提出了一种基于TwinCAT和Easy Java Simulations（EJS）相结合的方法来开发系统工程和自动化控制课程的远程实验TwinCAT系统用于使用其可编程逻辑控制器（PLC）关闭所选工厂的控制回路，而EJS用于开发小程序来观察/参数化PLC的行为，从而根据教师和学生的命令改变工厂的行为TwinCAT PLC + EJS小程序策略为控制器提供实时支持，并为其用户提供友好的远程访问关键词：控制教育，远程实验室，实时控制器。1. 介绍工程教育的进步得到更好的，如果挑战得到妥善处理，机会是有益的exploited，并对未来趋势的猜测是仔细推理，昂（2007年）。在控制教育方面，这些进步与教育工作者使用新的信息技术进行教学的方式密切相关。数字媒体（如模拟，交互式屏幕实验或远程实验室）可以积极影响学生的知识，技能和态度，Kozma（1994）。这项工作的重点是在一个新的方式开发和部署实时远程实验室的控制工程教育。远程实验在工程领域已经广泛应用了十多年（Salzmann和Gillet（2007））。Web的出现促进了远程实验的广泛采用，因为Web浏览器是无处不在地执行客户端应用程序的理想工具。因此，基于Web的控制环境部署有利于最终用户和开发人员（过程控制工程师，教师，学生等）。这些教学资源让用户可以使用真实的系统，从而获得真实的数据.用户可以远程控制，测量变量，并通过图形用户界面（GUI）与实验进行交互，该界面可用于许多系统。最后，实验的教学设置可以由能够为正在使用的硬件创建测量和控制应用的任何编程语言本地最后，实时实验提供了时间约束必须满足的问题，这是控制工程的一个重要课题。总而言之，在没有设备限制的情况下进行实验的可能性和容易进行实验是使用实时远程实验室的两个主要由于它们，学生可以1）与系统交互改变参数，2）观察他们的操作结果，3）进行大量的实验，几乎没有任何限制，4）研究在传统（动手）实验室中不可能研究的现象，以及5）提供广泛的实验，即使是那些必须满足实时限制的实验。控制工程中典型的远程实验是水箱系统中的水位控 制 （ Dormido 等 人 （ 2008 ） 、 Stefanovic 等 人（2011）、Casini等人（2003）以及Grau和Bolea（2008））、热交换器（Lazar和Carari（2008））以及伺服电机的位置和/或速度控制（Vargas等人（2008）和Casini等人（2003））。所有这些工作都使用昂贵的，有时很难组装，教学设置，并专注于调整PID控制器的参数，以实现实际工厂的精细控制。此外，以前的作品都不然而，使用没有考虑到这种可能性的方法，限制了可以被删除的实践的范围。尽管已经做了一些工作来实现远程实验中的实时控制（Farias et al.（2008）），但这仍然是一个悬而未决的问题，没有简单的解决方案。这项工作提出了一种开发和部署实时远程实验室的新方法，涉及控制工程和教育领域两种著名软件工具的使用和连接：TwinCAT© 2012 IFAC 294 10.3182/20120619-3-RU-2024.000372012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会295系 统由Beckhoff 和Easy Java Simulations （EJS ） 提供。集合使用这两个工具，instruc- tors可以很容易地准备与TwinCAT可编程逻辑控制器（PLC）的真实实验和学生可以参数化/观察控制器的行为使用友好的GUI实现为EJS小程序。使用我们的方法，PLC程序部署在具有TwinCAT运行时系统的PC（下文称为本地PC或PLC-PC）中，而EJS小应用程序可以在本地PC、教师远程TwinCAT注册PC（下文称为注册PC）或具有支持Java的Web浏览器的任何学生远程PC（未注册PC）中运行。为了更好地示意我们开发和部署方法中不同元素的方式，我们将使用本文中的以下颜色方案以图形方式区分这三种类型的PC：白色表示连接到本地/PLCPC（连接有EtherCAT终端）的显示器/键盘，紫色表示远程注册PC，绿色表示反馈机械系统TwinCAT系统带有本地PLC和EtherCAT终端(a) 本地编程/配置/部署/运行反馈机械系统TwinCAT系统（编程可视化工具）TwinCAT部署TwinCAT PLC远程未注册的PC。注册PC带EtherCAT终端本文的其余部分组织如下。第2节介绍了用于创建和部署远程实验室的两个软件工具。第3节简要解释了以前的软件工具如何在它们之间进行通信和交互，以提供所需的服务。第4节介绍了使用选定的工具和方法准备的控制工程实验。最后，第5节包含了我们对这项工作的结论。2. 软件工具本节解释了用于开发第4节中介绍的远程访问实时控制器的两种软件工具的主要特性和功能，重点介绍了对其开发特别有用的软件工具。TwinCAT（第2.1节）用于编程和运行控制器，而EJS（第2.2节）用于为学生提供实验室GUI，除了具有Java支持的Web浏览器外，无需客户端任何软件即可访问和使用该GUI。2.1 TwinCAT系统Bechkoff 1的TwinCAT系统是一个功能强大的编程和运行时工具，1）为不同类型的工业控制器开发软件，2）直接在适当配置的兼容PC上执行开发的软件。 为此，其编程端支持PLC，数控系统（NC）和计算NC（CNC）的软件开发，而其运行时端支持将Windows作为实时系统的PC配置为部署和执行所设计的控制器。此外，其配置端允许用户定义控制器输入/输出信号与通过不同类型总线（如EtherCAT，EtherNET和CAN）连接到PC的不同类型终端/卡的输入/输出信号的连接。此外，它还提供了一个调试和可视化工具，让用户观察和图形化地表示PLC程序在执行过程中所选变量的演变。最后，TwinCAT系统还1http：//www. beckhof f. de/eng li sh. asp？不会的。htm(b) 远程编程/配置/部署/运行Fig. 1. TwinCAT系统提供不同编程语言的数据通信库，以便能够在控制器和其他Windows应用程序。为了对PLC进行编程，TwinCAT支持同时使用IEC6113-3 标 准 的 多 种 编 程 语 言 ， 例 如 IL （ 指 令 列表），LD（梯形图）和ST（结构化文本）。为了执行代码，TwinCAT系统支持1）在同一台PC上运行4台PLC，每台PLC最多运行4个不同的任务，和/或2）在PC和Beckhoff PLC2网络中分布。TwinCAT编程和配置工具也可用于编程和配置本地或远程PC/PLC。图1示意了这两种可能性。远程的可能性，这是特别有用的，以建立一个网络多PLC系统从一个独特的PC，需要一个先前的注册步骤一致的配置（紫色）PC的信息提供给部署运行时系统，反之亦然。这一双重注册步骤可以保护部署运行时系统免受不希望的远程重新编程和重新配置的影响，也是能够从远程（紫色）PC中的Windows应用程序使用数据通信库所必需的整个TwinCAT系统的本地/远程编程、配置、实时运 行 、 调 试 和 可 视 化 工 具 可 用 于 系 统 工 程 和Automatica课程，以实现不同类型的控制器作为PLC，运行其代码以实时控制连接到PC终端/卡的不同物理系统的行为，并观察物理系统的运行情况。2Beckhoff的PLC是不同类型的PC，安装了支持TwinCAT运行时系统和通信库的Windows版本其Windows CE PC是部署最终系统的最佳选择，因为它们的成本较低，而且是实时操作系统，而其其他Windows PC更适合开发阶段。2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会296TwinCAT通信库+TCP套接字运行EJS小程序的部署TwinCAT PLC（控制器参数化和演化可视化）反馈机械系统带EtherCAT终端图二. EJS和TwinCAT的关系系统和控制器的发展。然而，不同的TwinCAT工具支持的广泛的可能性，这是受欢迎的行业开发复杂的控制任务，可能会导致学生的入门控制科目压倒。此外，为了让他们直接使用TwinCAT系统远程修改控制器参数，整个系统必须安装在远程编程/配置PC中，并且这些PC必须在物理系统连接的PC/PLC中注册。为了克服压倒性的安装困难，并利用TwinCAT时间运行系统的实时运行能力，我们选择要求教授将控制器实现为PLC程序，并让学生使用EJS开发的友好小程序访问控制器的参数化和演变变量，并利用TwinCAT数据通信库。为了避免双重注册步骤，我们开发了第二种类型的EJS小程序，其通过TCP套接字与部署在注册PC中的中间应用程序连接，并且负责1）接收和解释来自EJS小程序的读/写指令，2）使用TwinCAT数据通信库函数与PLC进行所需的通信，以及3）将PLC的信息返回到EJS小程序。图2示意了这种处理方式以及所使用元素之间的关系，用黄色显示了远程注册/未注册的PC，其中运行两种类型的EJSapplet之一2.2 Java模拟（EJS）EJS3是一个用Java开发的免费开源工具，专为创建离散计算机模拟而设计（Esquembre（2004）），特别适用于编程技能较低的用户，因为它提供了一种简单，图形化和直观的创建模拟的方式。EJS应用程序的创建分为两个主要步骤：1）使用EJS内置的模拟机制对要模拟的模型进行规范; 2）构建视图，该视图显示模型状态，并包含用户交互元素以修改模型行为。这两个步骤在图3所示的EJS界面的Model和View工作面板中执行。此外，描述工作面板允许创建可在.jar applet文件中部署的信息页面（例如，模拟的简要描述）;信息面板用于导入Java库3http://www.um.es/fem/EjsWiki/图三. EJS用户界面。（如果需要） 或 设 置 模 拟 器 的 任 务 栏 ; 任 务 栏提 供 运 行 、 保 存 和 加 载 模 拟 的 选 项 ; 消 息 区 域返回有关模拟运行过程的一些有用信息。EJS也是一个非常有用的工具，可以创建任何类型的Java GUI applet，用于交互/控制任何其他应用程序。当遵循该策略时，前面提到的两个主要开发步骤被简化，因为开发者应该主要关注视图的定义和与其交互元素相关联的通信调用，而模型定义仅用于执行EJS小程序必须与受控应用程序建立的周期性通信调用。我们决定遵循第二种策略来开发友好的EJS JAVA小程序，这些小程序可以交互/参数化PLC的行为，并定期观察它们的一些变量的演变。换句话说，我们的EJS小程序不执行任何模拟，而是直接或通过中间应用程序与TwinCAT PLC进行通信。因此，通过使用EJS，我们主要受益于他们的创作，文档和视觉环境设施。最后，值得注意的是，在构建远程实验室时，将EJS 与 Matlab （ Farias et al. （ 2008 ） ） 或 LabView（Dormido et al.（2008），Vargas et al.（2008）和de la Torre et al.（2011））。因此，我们的方法，它使用TwinCAT系统作为底层控制元素，而不是Matlab或LabView，打开了一个新的可能性远程实验室开发与EJS小程序前端。3. EJS与TWINCAT PLC的为了开发友好的EJS小程序来参数化作为TwinCATPLC实现的控制器并可视化物理系统和控制器变量的演变，当EJS小程序需要获取/修改某些PLC变量的值时，我们使用Java TwinCAT ADS数据在本地PLC-PC中注册使用TwinCAT通信库的远程PC的要求使我们考虑了以下小节中介绍的两种不同类型的EJS-TwinCAT PLC连接2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会297反馈机械系统带有TwinCAT运行时（本地PLC）的PC和使用DBNC库（TwinCAT ADS库）运行EJS小程序（控制器参数化和演化可视化）的EtherCAT终端(a) 当地反馈机械系统PLC时，它调用（利用相应的PLC信息）与之建立连接的库的函数;每当EJS小程序需要读/写变量的值时，它调用提供所选PLC中的任务和变量的名称的库的读/写函数;并且为了启动/运行/停止/复位PLC的运行，EJS小程序调用相应的启动/运行/停止/复位库函数。Java DBNC库支持使用具有注册/直接PLC连接的EJS 小 程 序 ， 只 能 在 部 署 PLC 系 统 中 注 册 的Windows PC上或在部署系统本身上运行也就是说，这些EJS小程序可以远程或本地使用，前提是调用它们的远程Windows PC已注册。图4示意了这两种可能性。此外，运行这些类型的EJS小程序的远程PC需要在没有安装TwinCAT的情况下至少安装两个TwinCAT dll，并从运行EJS小程序的注册PC（控制器参数化和演化可视化）使用EtherCAT终端TwinCAT仅注册应用程序。由于注册和Windows的要求，(b) 远程见图4。已注册/定向的无保护连接图4和图6总结了它们的主要特征，其中注册的PC使用TwinCAT通信库与PLC-PC通信，未注册的PC使用TCP套接字与中间应用程序通信。请注意，本地PLC-PC有时也运行EJS小程序或中间应用程序。3.1 注册/直接无保护教师连接在注册的Windows PC上运行的EJS小程序可以直接访问调用TwinCAT Java ADS库函数的PLC变量。TwinCAT ADS库的Java函数支持访问PLC的不同内存区域，方法是对由其起始内存位置和字节数定义的区域执行低级C读/写函数调用因此，尽管Beckhoff提供的信息中有很好的文档记录，但它的直接使用对于新手来说并不简单，需要了解PLC的内存映射。此外，TwinCAT ADS库函数的直接用户还需要调用不同数据类型之间的数据转换函数（例如浮点数到字节数组，反之亦然）。为了克服这些困难，我们封装了读取，写入和数据转换函数调用所需的访问变量的名称和启动/运行/停止/重置PLC，以及连接/断开功能，在Java的直接按名称通信（DBNC）库。简而言之，DBNC库的读写功能可以很容易地从任何Java应用程序（包括EJS小程序）中使用，以访问所选PLC的任务变量，给定PLC程序中的任务和变量的名称;而其启动/运行/停止/重置功能则在PLC上执行这些功能。通过开发的DBNC库，EJS小程序和TwinCAT PLC之间的连接变得简单明了。当EJS applet想要连接到这些类型的EJS小应用程序可以使用的远程PC，这是一个非常普遍的做法，因为这些小应用程序通常是由PC/笔记本电脑执行一些类演示。此外，我们决定不注册任何实验室PC，因为DBNC或TwinCATADS库都不能确保唯一PLC任务的变量不会被两个EJS小程序同时修改。出于这个原因，我们也将这种类型的连接标记为不受教师保护。3.2 未注册/间接受保护的学生连接在远程未注册PC中运行的EJS小程序可以使用中间应用程序间接访问PLC的变量，该中间应用程序负责接收/解释EJS小程序的命令，执行相应的TwinCAT JavaADS通信命令函数调用以访问PLC所需的存储器区域，并将函数调用的结果返回给EJS小程序。该中间应用程序也已在Java中实现，以便在与PLC的通信中使用DBNC库函数（参见第3.1节EJS小应用程序和中间应用程序之间的通信是1）使用TCP套接字和2）交换文本消息来实现的，该文本消息对中间应用程序必须发送到PLC的订单和数据的类型以及中间应用程序返回到EJS小应用程序的数据或指令确认进行编码。这个中间应用程序的高级行为如图5所示：它开始打开一个套接字并等待，直到一个EJS小程序（客户端）连接到它。接下来，它等待并接收来自所连接的EJS小程序的文本命令/请求，使用DBNC库函数将它们传递给PLC，将PLC的信息返回给EJS小程序，并等待另一个消息请求。当中间应用程序接收到“EN D“连接消息时，如果该任何其他applet尝试DBNC库（TwinCAT ADS库）2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会298Poner EJS形容词已注册的Windows PC中间应用IBSC图书馆（套接字文本消息）DBN（Tw未注册的PC反馈机械系统READ#Main.Uk客户订单运行EJS小程序的未注册PC（控制器参数化和演化可视化）带有TwinCAT运行时（本地PLC）和EtherCAT终端的PC，运行中间应用程序并使用DBNC库（TwinCAT ADS库）(a) 远程与本地中间应用程序V=Read反馈机械系统ZEADη回答客户DBNC库指令C库nCAT ADS（同上）图五.中间应用程序模式化行为当已经有另一个连接的EJS小程序时，连接到中间应用程序被忽略，运行EJS小程序（控制器参数化和演化可视化）使用EtherCAT终端通过这种行为，只有一个小程序可以改变和观察PLC的行为。因此，我们也将这种类型的连接标记为受保护。由于此中间应用程序通过调用我们的DBNC库函数来使用JAVA ADS库函数，因此它必须在远程注册的Windows PC中运行，或者在运行PLC的同一PC中本地运行图6示意了这两种可能性。此外，在远程PC上运行中间应用程序之前，我们必须将其注册到TwinCAT专用注册应用程序中，并在远程PC上安装两个TwinCAT DLL最后，在PLC-PC中部署中间应用程序消除了中间PC需求。EJS applet可以在任何可以运行JAVA应用程序的远程PC上运行，因为它的通信只需要使用TCP套接字函数。 为了简化这些函数的使用，我们还将它们的步骤封装在一个JAVA间接套接字通信（IBSC）库中，EJS applet调用IBSC库的函数来打开/关闭通信套接字，并通过它发送/接收文本消息。由于缺乏注册和操作系统的要求，个人电脑，这些类型的EJS小程序可以使用，教师和学生可以调用他们从任何PC。此外，通过包含中间应用程序提供的受保护的访问，让学生可以随时尝试建立连接，因为只有当PLC尚未被任何其他EJS小程序参数化/观察时，他们的请求才会被接受。出于这些原因，这种类型的连接也被标记为学生4. 控制器示例：PID EJS-PLC遵循拟议的方法并使用工具4在前面的部分中，我们已经1）实现了4更准确地说，我们一直使用EJS版本4.3.3和Twin- CAT版本2.11作为软件工具，配备多个EtherCAT卡的Beckhoff工业PCC6920作为PLC运行系统。(b) 远程与远程中间应用见图6。未注册/间接受保护连接Wittenmark等人（2002）中的PID控制器作为以结构化文本编写的PLC程序，以及2）开发了其相应的EJS小程序的直接和间接版本，以在PID PLC运行时参数化PID PLC行为，并观察其一些变量的演变为了简单起见，这两个开发的EJS小程序具有类似的GUI。但是，它们使用DBNC或IBSC库的函数启动/运行/停止/重置PLC执行或写入/读取其某些变量的值。周期性运行以实现离散PID控制器功能的PLC代码非常简单：它使用定时器来确定何时必须读取机械单元的输出以及何时必须更新和应用控制信号，以及其他定时器来确定何时内部参考必须改变其值。此外，根据PLC参数化变量的值，它从外部输入获得参考信号或在内部计算其值，并将参考或控制信号应用于机械单元输入。EJS小程序的GUI如图7所示，其中与PLC交互的元素被放置在顶层面板中，变量的演变被呈现在底层面板中。此外，EJS小程序还显示了由PID PLC控制的机械单元中聚焦的IP摄像机收集的图像。当按下左边的按钮时，调用DBNC或UBSC库函数来建立连接、运行/停止/重置PLC或断开连接。中间的元件用于显示/选择参考信号的值（外部或内部，最后一个是具有选定幅度和周期Ts的方波信号）、控制器的类型（手动/PID）或PID参数（比例常数Kp、积分常数tem，以及机械单元33-100和模拟单元33-110通过反馈作为待控制的系统。中间应用String s = String（）;留言内容是的进程（消息）写/读/复位/启动/停止PLCSystem. out. println（）;WaitingForClientMessage（）StartingPLC连接器（）WaitingForClientConnounts（）CreatingSocket（）IBSC图书馆(TCP套接字文本消息）等待连接连接等待2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会299见图7。PID EJS小程序Ti、导数常数Td和采样时间T），而中间的更新按钮调用库函数以在PLC中写入与所有这些元件相关联的变量的值。最后，EJS小程序定期调用读取PLC变量值的函数，这些变量存储参考、控制和测量信号，并在底部图形中表示这些值与PLC中更新这些值的时间的关系。 也就是说，底部曲线显示PLC的实际时间和信号值。结合使用所有开发的元件，1）TwinCAT PLC关闭所选工厂的实时控制回路此外，有时出现在EJS小程序中PLC变量演变的可视化中的网络通信延迟实际上使用TwinCAT作为PLC部署工具还有一些额外的优势。例如，PID控制器的EJS和PLC代码可以直接应用于不同的工厂，而无需更改，通过使用TwinCAT系统管理器重新分配输入/输出PLC信号到卡终端的其他端口此外，在同一台PC上执行多个任务和运行多个PLC的可能性可以让我们从它们连接多个控制系统，或者使用一些任务来模拟系统的行为，以在PLC中生成信息来比较模拟和真实实验。5. 结论本文提出了一种基于TwinCAT PLC和EJS小程序相结合的方法来开发系统工程和自动化控制课程的远程第一个元素用于对控制任务进行编程，并在TwinCAT运行时系统上实时运行它们第二个元素用于通过对TwinCAT通信库的不同类型的调用来我们的方法让我们在不同类型的PC上部署PLC和EJS小程序：而PLC必须在具有TwinCAT运行时系统的PC中执行，教师和学生的EJS小程序必须分别在注册的Windows PC或任何PC上运行。最后，TwinCAT系统提供的模拟和多任务可能性的探索可以被认为是我们未来工作中探索的一个奖励。确认这项工作得到了西班牙国家研究项目DPI 2009 -14552和马德里康普顿斯大学创新教育项目PIMCD-2010/2011-211的支持。引用Aung，W.（编辑）（2007年）。 创新2007：工程教育和研究的世界创新。国际工程教育和研究网。Casini，M.，Prattichizzo，D.，和Vicino，A.（2003年）的报告。自动控制远程实验室：一个用户友好的远程学习界面。IEEE Transactions on Education，46，252德拉托雷湖Sanchez，J.，Sanchez，J.P.，Yuste，M.，和Carreras，C.（2011年）。 fisl@bs网络的两个基于 网 络 的 实 验 室 ： 虎 克 斯 和 斯 内 尔 定 律 。EuropeanJournalofPhysics，32，571- 584.多尔米多河巴尔加斯，H.，Duro，N.，Sanchez，J.，，Dormido-Canto，S.，Farias，G.，Esquembre，F.，和Dormido，R.（2008年）。为自动化技术人员开 发 基 于 Web 的 控 制 实 验 室 ： 三 罐 系 统 。IEEETRANSACTIONSONEDUCATION，51，35- 44.Esquembre，F.（2004年）。Easy java simulations：一个 用 java 创 建 科 学 模 拟 的 软 件 工 具 。ComputerPhysicsCommunications，156（6），199-204.Farias，G.，Cervin，A.，rzn，K.，Dormido，S.，和Esquem-bre，F. （2008年）。 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