2013年国际自动控制联合会IFAC研讨会：工业自动化控制教育新发展

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。英国谢菲尔德面向工业自动化的虚拟和远程实验室J.R. Caldas Pinto*，Sá da Costa，J.M.G.**IDMEC/IST，里斯本葡萄牙（电话：351-218417313;电子邮件：jcpinto@dem.ist.utl.pt和sadacosta@dem.ist.utl.pt）。翻译后摘要：如今，工业自动化的基本方面之一的关注建模离散制造过程及其控制，通过可编程逻辑控制器（PLC）。这些主题，显然是不同的，实际上是相关的，因为PLC编程在大多数情况下是基于这些模型。另一个重要的主题是使用SCADA系统和网络面板作为监控过程的一部分。教授这些科目需要大量使用配备专用设备和软件的实验室。当这门课的学生超过100人时，问题就出现了，而大学的政策是不要在教学实验室里花费太多的资源。本文介绍了我们的最后一个解决方案的问题的基础上，虚拟实验设置和使用一个远程实验室与Web面板和LabVIEW接口。该解决方案已成功测试，非常重要，免费为学生使用合法软件。关键词：e-learning，PLC，SCADA，LabVIEW，Saia-Burgess1. 介绍工业自动化是里斯本大学高级技术学院机械工程综合理学硕士课程第三年的一个学期课程。该课程的有效授课期约为3个月，约有200名学生。本课程概述了用于传感，处理和控制的工业自动化组件及其背后的技术，即电气，气动和液压。在课程期间，鼓励学生参加参观工厂，并与现有的自动化实验室接触，那里有一个带有输送机，机床，机器人，自动引导车辆和仓库的制造单元。(Fig.①的人。图1.工业细胞在此初始化后，学生准备学习离散事件建模工具，GRAFCET和Petri网，特别强调第一个，并学习PLC的体系结构和编程语言，以执行某些制造过程的控制。学生参与PLC编程持续不到12周。这个工业自动化课程已经支持了30多年，由一个特定的实验室与通常的基本组件，（图2）。在过去，学生在这个实验室的存在曾经是每周3小时，目前是每周平均分配半小时。学生在实验室的时间减少主要是由于大量的学生，这意味着大量的教学人员，这将是太昂贵了。然而，学生需要对PLC进行编程，从而通过所需过程控制的演示进行评估。这些必须在实验室课堂上完成。在实验室和三个设计练习，以执行每学期7小时的总数只有时间进行评估，而不是发展。图2.教室实验室的典型元素（当前配置）：带网络摄像头的传送带、气缸、升降机和多个开关及激光器© IFAC 286 10.3182/20130828-3-UK-2039.00042第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲287mps唯一可行的办法是让学生在家工作。然而，这一解决办法的实施引起了一系列实际困难。事实上，我们不仅需要学生学习PLC编程，而且还需要他们设法编写在实验室运行时完全功能的程序。这意味着他们必须控制完全相同的“设置”。软件许可证是另一个需要处理的限制，它们必须在课程期间免费提供给学生。开发的解决方案对应，事实上，两个互补的解决方案，可以一起使用。它们是下一节的对象。第2节介绍了解决方案的不同硬件和软件组件，第3节介绍了它们在两个互补解决方案中的集成，这些解决方案可以在第三个解决方案中收集。最后，在第四部分，对这些解决方案在学生学习和评价中的作用进行了总结。最后，我们注意到，本文并不关心远程和虚拟实验室及其架构的一般理论。在工业自动化和系统控制领域 ， 有 大 量 关 于 该 领 域 的 文 献 ， 例 如 Palma 等 人（2011年）、Gabriel等人（2011年）、Ammari等人（2006年）、Domínguez等人（2008年）和Cardozo等人（2012年）。2. 解决方案的组成2.1 教室实验室教室实验室（CL）有八个工作台。每个工作台都有一台连接到PLC的个人计算机，可以控制以下设备：3个气缸和相关传感器1个线性输送机连接到网络摄像头1部电梯（仅3个长椅）1个十字路口交通灯模拟器（仅4个长椅）它还配备了不同类型的按钮，接近传感器，报警器和灯。图2.展示了这些工作台。2.2 远程实验室远程实验室（RL）有8个PLC。每个PLC主机网页充当Web面板。其中四个PLC连接到由3个气缸和几个灯组成的实验装置（站）（图3）。其他四个PLC与站点没有物理连接。图三.远程实验室：4台PLC连接到实验装置，无需物理连接。对于视频流，远程实验室中存在一个位于站点约2.5米处的网络摄像头。8个PLC和摄像机连接到服务器并构成虚拟专用网络（VPN）。该网络的一般架构如图所示。四、见图4。远程实验室网络2.3 PLC两个实验室中使用的所有PLC都是Saia-Burgess，Saia-Burgess（2013），涵盖了从已经停产的型号到最近的型号的不同型号。使用这些PLC的原因是历史性的，与软件许可证有关。超过15年来，Saia- Burgess的政策是将其软件PG5的免费许可证提供给我们的实验室，并为学生提供3个月的有效期，有足够的时间进行设计练习。这些PLC非常强大，相关软件SaiaPG5项目管理器提供从低级到高级的基于GRAFCET的编程语言，没有与许可证相关的限制。2.4 基于Web服务器的HMI在PLC行业中，将人机界面（HMI）集成为PLC中的网页，将其作为服务器，这是一个相当新的趋势。一般来说，这些页面托管在闪存卡中，通常为SD类型，但具有专有格式。这极大地简化了PLC接口，因为用户唯一需要的就是一个浏览器。网页可以由任何HTML编辑器设计。然而，Saia提供了一个专有的Web编辑器，第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲288简化了网页设计及其与PLC变量的连接。它提出了一些限制，但对我们的目的来说还不够严格。Saia-Burgess已经宣布了新的改进PLC网页实际上构成了一个SCADA（监控和数据采集），因为它们允许操作人员轻松地监视和控制工厂。Saia还向学生提供此Web编辑器软件的免费许可证。在我们的课程中，由于学生人数众多，他们不应该设计自己的网页。这可以在小型和更专业的课程中完成。2.5 LabVIEWLabVIEW（2013）是一个著名的开发环境，用于创建与物理世界交互的自定义应用程序。它可以用来设计SCADA系统，实际上它主要用于工业。LabVIEW安装在实验室的计算机和学生的个人计算机中LAbVIEW在信号、控制系统和自动化领域的模块非常齐全。特别是，我们将使用它来建立一个SCADA系统。其软件包NI Vision Development 和NI VisionAcquisition Software将分别用于构建计算机视觉应用程序。该大学拥有LabVIEW校园许可证，为我们的实验室计算机提供不太昂贵的许可证。学生可以下载免费的演示完整版本，有效期为7+45天，这是与学生在课程期间的需要兼容3. 所提出的解决方案我们的目标不仅是提供一个平台，让学生在教室实验室和家里练习PLC编程，而且应该保证学生能够在很短的时间内完全开发和测试控制CL实验装置的程序。使用上一节中定义的组件，有两种方法可以构建SCADA系统，使我们能够设计两种不同的解决方案。在下文中，我们将介绍它们以及由前面的解决方案组合而产生的第三种解决方案。3.1 基于网页的远程PLC SCADA。如前所述，我们的目的是让学生可以轻松地在CL中运行远程实验室（RL）中开发的程序。为此，CL中存在的设备也必须存在于RL中。对于更简单的程序，我们有一些气缸和灯由远程PLC控制。这种解决方案对于更多的复杂的编程。因此，我们决定在PLC托管网页中虚拟仿真所有CL设备。有了这个，我们已经建立了一个混合实验室，其中PLC是远程的，一些物理设备存在，然后远程控制，其他的只存在于PLC托管的网页中（见图5）。此网页托管在PLC的闪存驱动器中，该闪存驱动器已锁定，以避免未经授权的修改此页面。学生通过Saia程序管理器将程序上传到PLC。这些网页的设计与其他学生的贡献更先进的课程，但也可以很容易地由教学人员设计。当然，所有这些访问都必须先连接到VPN。最后，我们应该注意到，在SaiaPG 5中，所有变量都可以通过符号名称引用。这些名称被组织在一个表中，这些名称与由其类型（标志、寄存器、输入、输出等）和地址定义的值之间存在对应关系。例如，RedLight设备将对应于RL中给定地址的标志和CL中另一个地址的输出。因此，只有这个表必须交换时，学生从RL到CL变化。在图6中示出了用于RL和CL的截断符号表。图五. 远程实验室3.2 一个用于远程PLC的LabVIEW SCADA。LabVIEW软件可以通过多种方式与任何PLC进行通信。过程控制的OLE（OPC）定义了在控制设备和人机 界 面 之 间 传 输 实 时 工 厂 数 据 的 标 准 ， NationalInstruments（2013）。几乎所有的PLC都有OPC服务器，当然也包括SaiaPLC。但是，这对大学来说太贵了。Saia通信库SComm是几年前提供给我们的，用于构建Caldas Pinto（2006）中报告的旧C++接口。来自计算机 科 学 课 程 的 学 生 创 建 了 另 一 个 封 装 它 的 库 。LabVIEW允许动态加载在windows中编译的库的dll文件（动态链接第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲289图书馆）。通过该库，LabVIEW可以直接使用其函数，从而完全访问PLC。因此，OPC是不必要的。LabVIEW加载的基于SComm的库不仅允许与物理连接的PLC进行通信，还可以通过TCP/IP进行通信。因此，可以将LabVIEW SCADA与远程PLC一起使用。网页中呈现的虚拟设备可以在此SCADA中表示，从而无需PLC网页。第一个明显的优势是让学生可以修改他们的界面，而不会危及同事的工作。见图6。符号表（截断）有了这个解决方案，就不需要在PLC上托管网页。然而，从心理上讲，向学生传达他们正在使用远程接口控制真实工厂的想法更具教育意义。在这种情况下，进程虽然是虚拟的，但它位于远程。更不用说一些远程PLC连接到真实设备，其行为可以通过网络摄像头查看。3.3 远程教室实验室第 三 种 解 决 方 案 是 同 时 使 用 网 页 和 LabVIEWSCADA 。 网 页 代 表 远 程 安 装 的 工 厂 ， LAbVIEWSCADA代表可根据问题进行修改的本地工厂。两者都由同一个PLC控制。这个解决方案还有另一个特点。如前所述，在CL中存在传送带中的网络摄像机，以说明计算机视觉在自动化中的使用。图像处理软件包括在上面提到的旧C++接口中。目前，计算机视觉课程的学生使用LabVIEW来训练一些图像处理应用程序。这表明LabVIEW SCADA也可以直接连接到PLC，可以通过计算机视觉模块扩展并用于CL，甚至可以在家中使用。那么我们的第三个解决方案是更通用的，尽管有点复杂。总而言之，该解决方案的优点是：学生在CL和RL两个实验室中使用完全相同的本地接口。学生可以在家中使用SCADA软件练习添加新的虚拟设备。可以预见，有相当多的自由度必须小心管理。该计算机视觉模块运行计算机视觉课程中开发的不同应用程序，这意味着可用的应用程序数量可能每年都会增加。我们已经看到上面的CL工作台没有完全相同的设备。例如，只有三个长椅有电梯。使用LAbVIEWSCADA，这些都可以通过虚拟电梯来完成。图7显示了当前界面。可以观察到一组按钮以及读取/写入标志、寄存器和文本的可能性。这些工具对于在学术环境中轻松监控PLC变量非常有用。我们很容易观察到，使用Web面板和此SCADA时存在一些冗余。一个解决方案是建立一个简化版本的SCADA在家里使用。见图7。LabVIEW实验室SCADA5. 工作组织在学期开始时，它被分配给每个组（通常是两个或三个学生）一个工作台在CL和另一个在RL。然后，我们有10组每个远程PLC，什么是负担得起的。我们还鼓励学生组成一个论坛，在他们之间进行轻松的接触 ， 以 有 效 地 使 用 RL 。 今 年 ， 学 生 们 决 定 组 织Facebook群组。大约有10个小组，每组16至24名学生，仍然很容易管理。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲290指导学生如何连接到VPN并下载Saia项目管理器。与此同时，Saia- Burgess的代表已经为学生提供了三个月的PG 5许可证。第一个介绍性设计练习应该很简单，只使用PLC网页。不使用LabVIEW。将在CL中使用相同的器械进行介绍。鼓励学生使用自己的计算机，以尽量减少启动时间。提供电缆用于与PLC的物理连接。在第二和第三个设计练习中，学生需要安装LabVIEW学生包。我们提供必要的Visual Instruments文件。在第三个设计练习中，学生可以根据需要更改LabVIEWSCADA以构建自己的虚拟设备。为远程实验室编写的两个练习都将在课堂实验室中进行评估。当然，学生在这一过程中得到了帮助。在这一学年结束时，161名学生参加了RL。图8显示了一些选定问题的答案。见图8。一些调查结果（0-肯定否; 5-肯定是）6. 结论在本文中，我们提出了我们自己的解决方案，以解决调解的复杂问题，学习耗时的PLC编程与缺乏资源和短时间的永久性的学生在教室实验室。基于一组8个PLC连接在VPN中，提出了三种解决方案：（1）将Web面板与每个PLC相关联，并虚拟表示教室实验室中的所有设备（2）基于LabVIEW SCADA，提供与PLC的连接（3）基于LabVIEW SCADA和Web面板。最后一种解决方案模拟的情况是，主设备和控制器是远程的，但一些其他设备也将由同一个PLC控制。此外，解决方案的简单性和接口的标准化，只要获得密码和LabVIEW文件，就可以在远程实验室网络中使用远程实验室。这个新的解决方案已经在第一批10名学生中进行了测试，并取得了圆满成功，目前正在在2012/2013年第二学期使用，有230名学生。我们认为，由学生自己使用他们完全主导的论坛（如Facebook）控制的远程实验室的访问具有增加社会责任和鼓励互动的优势。然而，在学校范围之外使用时，应实施更复杂的访问控制。一种可能性是在虚拟环境Moodle中插入我们的界面-确认这项工作得到了战略项目的支持，参考号为PEst-OE/EME/LA 0022/2011，通过FCT（在单位IDMEC 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