Web技术在控制教学中的应用

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德基于Web的工业过程监控系统在控制教学中的应用Marjan Golob，BozidarBratina马里博尔大学，电气工程和计算机科学学院，马里博尔，斯洛文尼亚; Smetanova ulica 17，2000年，马里博尔，斯洛文尼亚（电子邮件：marjan. um.si）。翻译后摘要：基于Web的技术，使工业厂房的远程监控和控制的实施。本文介绍了在控制教学中使用分布式过程控制系统的一些解决方案和优点。在过程控制教学领域，实践经验起着重要的作用，基于Web的技术使远程实验能够在真实的实验室或工业系统上实施，从而实现有效的工程教育。我们提出了我们的经验，两个远程实验的基础上实现的分布式控制系统的实验室系统。第一个实验的用户界面由专业的监控工具实现，并使用基于Web的SCADA技术。在第二个实验中，我们讨论了开发故障检测和隔离应用程序的在线和远程教育的过程中使用的工业设备从Web技术支持的过程技术（批量，连续）的领域。通过该课程，学生可以使用OPC技术在Matlab/ Simulink中远程开发和测试基于模型和数据驱动的FDI方案。最后，提出了适合于控制教学的改进的基于Web的远程控制系统实验平台。关键词：控制教育，分布式控制系统，虚拟和远程实验室，SCADA。1. 介绍在工程教育领域，实践经验起着重要的作用。随着高速通信带宽的增加，基于Web的远程实验可以在支持学习过程中发挥重要作用。许多工程教育机构为学生提供基于网络的真实实验设施。早期的系统依赖于自定义软件开发，例如CGI/Perl，Java/C++等，通过这些解决方案，代码的维护和升级成为问题。Hercog（2007）、Dormido（2008）和Hongei（2010）提出的Web实验的最新实现是基于现有的软件平台，如LabVIEW或Matlab。今天主要用于控制工程网络课程的实验室实验是以控制设计为导向的，但也可以包括其他任务，如建模，识别或可视化。根据课程特点、层次和培养目标，控制设计实验可分为液压与机械系统、机电一体化系统、机器人系统等。这些控制设计实验和实验室研究模型中的许多也用于设计故障检测和隔离方案（FDI）的课堂练习，这需要一些先验信息（过程知识，控制和建模技术），以便能够检测过程操作中的异常。基于网络或远程实验在控制设计课程中越来越受到学生的欢迎，因此我们为学生介绍了一个远程FDI实验。今天的许多实验室实验我们的控制/过程自动化系统基于微控制器或DSP，但我们的控制/过程自动化系统是通过经典的工业设备（可编程逻辑控制器）实现的。PLC对过程进行本地控制，FDI方案利用Matlab/Simulink中的过程模型，通过OPC数据通信实现远程实验。过程控制对象链接和嵌入（OPC）是过程自动化中用于数据交换的既定通信协议/接口。商业工具通过部署基于Web的SCADA接口（监控和数据采集）实现远程控制，该接口使用最新的互联网技术，帮助客户提高车间生产力，提高自动化系统的灵活性，并最大限度地降低系统运营成本。在本文中，我们将介绍如何远程和分布式控制和基于Web的SCADA技术可以利用远程学习和控制教育。2. 远动和可编程控制系统在研发项目的实现阶段，我们已经建立了一个有效的实验室模型的远程和分布式控制系统（LMRDCS）。实验室模型的主要目标是在新通信技术领域进行研究和开发活动，以实现远程和分布式控制系统的目的。然而，这个模型也被用来教我们的学生如何设计和实现远程端/或分布式© IFAC 162 10.3182/20130828-3-UK-2039.00067第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲163基于现代通信和网络技术的控制系统。我们使用远程和分布式控制系统的实验室模型进行实际实验，作为过程建模，工业自动化和过程控制系统等课程的一部分。该模型也可以应用于远程教学中，作为一种基于网络的教学和学习与执行远程实验。讲师可以从远程教室访问实验，也可以在实际练习中使用实验，例如学生可以自己处理过程控制系统，以查看某些干扰，设定点变化和控制器参数调整的过程响应。LMRDCS的当前实现如图1所示。实验室过程（蒸馏过程、电炉、液压系统、空调系统、热交换器）和模型（楼宇自动化）在本地自动化，通过分布式控制系统进行连接和监控。采用不同的通信技术和标准协议，实验室实现这个工业通信网络。工业标准协议PROFIBUS、CAN、LON和TCP/IP与有线（以太网）和无线（GSM、GPRS）通信技术一起使用。该模型适用于工业通信网络的测试，例如：- 广域网（WAN）覆盖广泛的地区，并使用公共通信联系;- 工业WLAN和VPN-基于GSM/GPRS技术的无线工业网络和具有点对点通信技术的远程控制应用。监控系统采用专业商业软件（SCADA和数据库服务器）和并行解决方案实现，该解决方案基于开源监控系统（Free SCADA System项目）。在本文中，我们专注于图中所示模型的两个部分。1.一、首先，在模型的右上部分，象征性地描绘了液压过程的分布式控制系统。该过程包括主蓄水池、管道、两个水箱、一些水位、压力和流量传感器、频率控制液压泵和控制阀。所有的传感器和执行器信号都连接到三个控制器（PLC），在那里实现本地控制算法。PLC通过多种通信技术（Profibus、CAN和以太网）相互通信。在该过程中可以实现几种控制概念：两个独立的液位控制回路，两个水箱系统的耦合和解耦液位控制，流量控制，串级控制等。其次，在模型的左下部分，给出了三容实验室模型的控制系统。利用该模型实现了故障检测和隔离Fig. 1.远程和分布式控制系统的实验室模型实现过程自动化，FERI，马里博尔大学。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲164(FDI)远程实验三槽工艺FDI方案要求PLC程序的转换，使其在不同的操作状态下运行成为完全自动化。实验室过程通过使用网络技术支持的工业设备实现了在线和远程教育。在接下来的章节中，我们将给出两种不同的方法来说明如何将LMRDCS的两个部分用于远程学习。3. 适合远程工程教学的在远程实验室中，远程用户可以通过互联网访问真实的物理过程。在线远程实验有不同的教学应用：- 教师可在课堂上作示范，- 学生可以在预定的实验课上使用它作为实验共享工具;- 学生可以在课外使用它作为自我训练的工具。对于远程实验，可以使用基于Web的SCADA技术通过互联网控制该过程。显示数据趋势图，用于观察来自传感器（如液位传感器、流量传感器和压力传感器）的不同过程信号。用户通过OPC技术和安装在主计算机上的CitectSCADA服务器连接到过程控制系统（PLC）。图2详细示出了通信结构。图二.使用所有使用的技术阻止客户端和服务器端PC之间的信息流的呈现。MySQL连接器/ODBC是MySQL ODBC驱动程序，使用行业标准的开放数据库连接（ODBC）API提供对MySQL数据库的访问。所有数据都保存在安装在主计算机上的MySQL数据库中。数值、参数和其他过程数据以文本格式传输。CitectSCADA使用Cicode功能用于在CitectSCADA和MySQL模块之间操作data.txt文件。在主计算机上安装了Internet Web服务器（IIS），它用于托管图形用户界面（GUI）作为Web应用程序。在客户端，只需要Web浏览器就可以运行基于Web的图形用户界面（GUI）。这种架构确保了对我们实验室资源的可扩展和可靠的访问。如图2所示，客户端和服务器端PC之间的桥梁由工业自动化项目中经常使用的所有专业程序模块和技术组成。在实验过程中，用户可以正常更改一些参数，观察结果并下载数据。为了使远程实验会话更刺激，提供了实时网络摄像头窗口。学生可以在监视器窗口中看到真实的过程响应，能够像在实验室一样清楚地了解过程操作。对于视频传输，使用网络摄像头软件，它可以显示在线视频，用户不必在客户端安装特殊软件来执行此任务。这种远程实验室实验的用户界面如图3所示。此外，将显示流式网络摄像头图片。图三.远程过程控制实验的用户界面。本实验提供了不同的PID控制技术来控制液压系统的水位或流量。其目的是远程控制水箱在一定的水位高度。为了做到这一点，学生们从不同的控制器结构（PID控制器，串级控制器，泵作为执行机构，控制阀作为执行机构等）选择控制系统。远程实验运行时，用户可以改变参考输入值和PID控制器参数，并可以观察参考、过程和控制器输出信号。实时网络摄像头窗口显示远程实验室中正在发生的事情。首先，需要记录系统轨迹，以便找出它是什么类型的系统以及它的行为。下一步将是设计一个适当的控制器与最佳的控制器参数。讲师举例说明过程的物理模型，强调其非线性动力学，然后建议学生使用Ziegler-Nichols控制器整定方法。在实验结束时，可以下载数据进行离线数据处理。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲165在过程建模课程中，学生使用远程实验来了解过程建模过程（数学建模，仿真，模型验证和数据验证），参数识别和控制设计。通过远程访问过程，他们可以通过输入输出数据获得开环传递函数。这个实验的目的是- 通过分析和仿真相结合的方法确定工艺（两个储罐用管道连接）、传感器（液位传感器）和执行器（变频调速液压泵）的参数和动态特性;- 设计具有最优控制器参数的适当控制器，以及- 比较了模拟控制系统的响应与在实验室装置上用PLC实现的实际控制系统的响应。模拟的闭环液位控制响应可以很容易地与实际过程中获得的液位控制响应进行比较。这一远程实验已在克罗地亚萨格勒布大学化学工程与技术学院的本科生和研究生进行了测试。它已被用于过程动力学和控制类演示如何调整PID控制器，量化对干扰的响应，并提供数据收集，分析和演示以及技术报告撰写方面的经验。对学生对在线实验的反应进行了评估，总体上是有利的。4. 远程外国直接投资试验实例以上介绍的控制设计课程的远程实验非常受学生的欢迎，因此开发了更具挑战性的远程实验（用于研究故障检测和隔离（FDI）概念）。实验室的三水箱研究模型是通过经典的工业设备（可编程逻辑控制器- PLC）连接到以太网。PLC和远程用户之间的通信是基于OPC接口（过程控制的OLE），用户可以在家用PC上安装OPC服务器和客户端。OPC是过程自动化中用于数据交换的既定通信协议/接口，可以在互联网上以软件的形式找到（免费，GPL许可，商业和时间限制等）。FDI方案是在Matlab/Simulink中准备的，其中允许用户更改一些参考值和故障值，但不允许更改控制器设置，因此FDI方案可以独立于控制设计任务来开发。其主要任务是在过程闭环运行条件下，根据测量信号和重构信号，寻找可靠的参数和故障在线检测方案。其目标是使Matlab/Simulink中的FDI方案能够通过使用工业通信技术和远程或Web操作与工业设备连接。制定外国直接投资计划的先决条件是：- 对系统及其操作有足够的了解;- 控制算法在PLC中的实现;- 自动启动程序和运行状态的选择，- 升级系统，以便能够引入故障（附加硬件、PLC代码更改、按需执行或子程序自动执行等）;- 为实施、模型开发和验证提供数据采集支持;- 开发环境与图形用户界面，视觉支持，网络摄像头反馈，如果可能的;- 结果分析和报告。如今，许多商业平台（LabVIEW等）都可以实现远程实验，但信息和通信技术的快速发展往往会产生新的互兼容性问题。基于不同的操作平台，使用不同的数据库结构和商业工具，很难找到一个最佳的平台。许可证可能是引入开源平台以实现网络远程实验室的另一个原因。控 制 课 程 通 常 支 持 Matlab/Simulink ， 这 是 建 立 基 于Matlab/Simulink 的 FDI 环 境 的 充 分 理 由 。 旧 版 本 的Matlab/Simulink包括“webserver”功能，它已经能够部署简单的实验。从软件版本2006开始，此功能被省略，并被更新的技术（.NET，JAVA，COM）取代。在过程自动化课程中，学生还熟悉OPC技术，因此这是FDI方案支持的一个很好的起点。第一个任务是准备和修改三罐系统的在线操作与以太网和OPC支持。该模型由运行适当程序代码的PLC本地控制，因此该过程保持在稳态状态。通过使用OPC接口（服务器和客户端），底层设备和高层软件之间的通信是可能的，在我们的情况下，PLC和Matlab/Simulink。另一方面，由于本地安全策略问题和防火墙系统，OPC的使用给Microsoft平台或分布式COM模型带来了问题。通过省略Matlab/Simulink的“webserver”组件，开发转向COM，.NET或JAVA技术。自动化COM服务器（组件对象模型）支持OLE，是OPC的一部分。由于OPC技术在过程自动化行业中得到了很好的发展和应用，因此它可以用于学生和FDI实验。我们决定首先建立一个平台，在这个平台上，过程将自动在正常模式下运行，并且通过使用以太网和OPC可以从远程Simulink进行远程连接。在这种情况下，学生可以在Simulink中开发FDI方案，并实时操 作 该 过 程 以 测 试 和 进 行 实 验 。 实 验 由 用 户 启 动（Simulink仿真启动），PLC的过程响应保存在Matlab中。正常工艺操作的安全规程在当地实施。图4显示了新的（左侧）和旧的通信场景，OPC vs. web与Matlab COM服务器技术一起操作，以实现与预定义实验和过程操作的交互操作。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲166见图4。远程实验通信在左例中，Simulink方案是预先准备好的，因此学生可以远程开发、监控或控制过程。消极的一面是必须安装大量软件（OPC，Matlab），其中可能会出现许可问题和用户安全策略。通常，许可证对实验室实验的实施和公众使用构成重大障碍，因此开源工具是首选。另一方面，图4中的远程概念需要预先制定FDI计划和平台。然而，这对于远程执行和操作来说更容易，但是学生在个人FDI方案的功能和开发方面非常有限（难以实现）。4.1远程FDI实验实例关于外国直接投资概念和发展的进一步简要信息，可以在 Korbitz （ 2004 ） 、 Uraikul （ 2004 ） 和Venkatasubramanian（2003）提交的许多研究和评论文件中找到。必须添加额外的PLC代码，以实现Matlab/Simulink之间的交互，并将人工故障引入过程。针对系统输出（传感器）和输入（执行器）上的附加故障，以及油箱泄漏、车身结构损坏等系统故障，提出了一种故障诊断方案。在过程以所需的操作状态运行后，Simulink中预定义的“仿真”方案的启动可以在预定义的时间间隔或按需引入故障。也可以手动引入故障。为此，制定并测试了不同的预先确定的外国直接投资计划。为简化FDI方案的开发过程，开发了一套Matlab/Simulink的模块和函数，以及OPC通信和软实时模块。在实验执行过程中，可以在Simulink中监控过程变量，或者在“仿真”后通过执行.m函数记录和绘制过程变量。结果根据FDI方案（基于模型，数据驱动），可以用于额外的优化或过程故障监测。在这种情况下，Matlab/Simulink具有SCADA功能，由于Simulink的仿真实际上是基于软实时的，因此术语过程监控，将故障引入操作过程。通过这样的概念，可以进行远程实验。图五. PLC-OPC-Matlab/Simulink通信一旦定义了过程输入/输出变量，就不需要修改OPC设置，用户可以完全专注于FDI应用开发。图6示出了基于模型的FDI方案和自适应阈值函数的传感器故障（液位测量）的检测。故障分别出现在第一个和第二个储罐中。在系统中出现故障时，残差值超过自适应阈值限制。由于关联矩阵是仔细定义的，它也使隔离任务（只有残差与故障存在真正反应）。见图6。基于Matlab/Simulink的FDI远程实验4.改进的Web/远程办公平台现有的网络和远程实验室平台得到了当地和外国机构（电气工程，化学工程）的学生和教授的积极反馈。然而，随着网络、远程和分布式通信技术和概念的发展，需要改进平台。OPC的使用在某种程度上是强制性的，因为它遵循控制和自动化方案课程的标准化过程自动化基础。图7所示的平台的目标是使用大多数可用的开源技术; OPC客户端基于Python，而OPC服务器是PLC分销商可用的商业软件。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲167见图7。改进的网络和远程实验室平台概念大多数现代PLC或嵌入式设备都具有以太网通信，其中基于IP的架构和以太网骨干网成为现代工业数据交换的基础。Web和数据库（SQL）服务器被认为是数据融合的中心点，在用户交互时，生成操作员屏幕和通信协议代码。图形用户界面（GUI）是基于HTML5和JAVA的，而OPC客户端通信的配置代码是按需生成的。OPC服务器配置是固定的，每个实验室模型（控制，监控）的预定义的可能标签。以这种方式，用户可以交互式地定义哪些标签将显示在GUI中，用于从数据库中监测实验室过程，同时在操作期间不断收集被监测过程的数据并存储到数据库中。访问网络/远程门户可以通过大学Moodle系统或通过社交集成网络（Facebook群组）的社交配置文件。6. 结论远程实验室的建立提高了控制理论课的教学效果。本文介绍了两个基于网络的远程实时控制实验、过程建模实验和FDI实验。从技术上讲，有几种方法可以在线提供远程实验。第一种方法使用远程和分布式控制系统的商业可访问技术。使用专业的基于网络的控制技术，使实验能够安全，安全地运行，并从远程位置。实施的实验在学习过程中得到了积极的评价，并被引入了两个讲座：工业自动化和过程建模。总的来说，学生的经验是非常积极的，并改善学习和提高学生的积极性的既定目标已经实现。然而，进一步的发展是必要的，以充分优化实验。故障检测与隔离远程实验仍处于深入发展阶段，不是因为理论和技术的原因，而主要是由于观念的调整，使其更具教育功能。仅硬件实验可用性的概念揭示了客户端软件安装和FDI方案开发的问题。此外，GUI和适当的报告方案和分析仍然需要实现，而网络摄像头支持并不是这些天设置的关键。我们未来的工作将集中在实现的想法，真正的工业过程控制实验可以用于教育purpose，例如，检索数据的建模和识别的真正的工业过程。与此同时，我们准备了一些实验室实验，这将提供给学生一天24小时。确认所介绍的研究工作部分由先进控制技术能力中心资助，该中心部分由斯洛文尼亚共和国高等教育、科学和技术部以及欧洲联盟（欧盟）-欧洲区域发展基金资助。引用布 拉 蒂 娜 ·B Muskinja N. ， Golob M. ， 托 沃 尔 尼 克 湾（2011年）。故障检测和隔离远程实验室概念和实验 ， Proceedings of the exp.at '11 - 1st Experiment@International Conference on Remote virtual labs ，Lisbon，Portugal，（pp. 1-6）。多尔米多河，巴尔加斯·H Duro N.，桑切斯·J Dormido-Canto S.，法瑞斯·G Esquembre F.和Dormido S.（2008年）。开发基于Web的自动化技术人员控制实验室：三罐系统。IEEE Transactions on Education，51，35-44.Golob M.，布拉蒂娜·B托沃尔尼克湾（2009年）。用于远程学习的分布式过程控制系统。第六届维也纳数学建模会议论文集MATHMOD，维也纳，奥地利，（pp.2149-2154）。赫科格·D Gergic B.，Uran S.，和Jezernik K.（2007年）。基于DSP的远程控制实验室。IEEE Transactions onIndustrial Electronics，54（6），3057-3068.红岩湾（2010年）。过程控制远程实验室的开发。电子健康网络，数字生态系统和技术（EDT）国际会议论文集，中国深圳，（pp. 87Korbitz J.K.，Koscielny J.M.，Kowalczuk Z.，乔莱瓦湾（2004年）。故障诊断，施普林格，柏林。Uraikul V.，Chan C. 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