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案例頻道

基于泓格WinCon-8000嵌入式控制器的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)
  • 企業(yè):控制網(wǎng)     領(lǐng)域:機(jī)器視覺     行業(yè):市政工程    
  • 點(diǎn)擊數(shù):1266     發(fā)布時(shí)間:2005-08-22 13:00:16
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本文詳細(xì)地介紹了基于Internet的分布式遠(yuǎn)程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室控制管理系統(tǒng),該系統(tǒng)由泓格基于Windows CE.NET實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和RISC CPU的WinCon-8000嵌入式控制系統(tǒng)及相應(yīng)的I/O模塊集成,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)裝置的共享及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)控制和管理的無縫連接,達(dá)到了將先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)和提高高校教育資源使用效益的目的。



  介紹

  “遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室軟件系統(tǒng)”是整合通信、自動(dòng)控制、仿真和人工智能信息處理等技術(shù)而研發(fā)的軟件產(chǎn)品,包括構(gòu)建在Internet上的分布式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室支撐軟件平臺(tái)和面向某一具體工程領(lǐng)域的應(yīng)用功能模塊。目前完成的應(yīng)用功能模塊是以單元過程為對(duì)象,其應(yīng)用領(lǐng)域包括化學(xué)工程、環(huán)境工程、食品工程、石油與天然氣工程等過程工程學(xué)科的本科教育。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于浙江大學(xué)化工原理實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教學(xué)基地,浙江大學(xué)已有自動(dòng)化、過程設(shè)備與控制、化學(xué)工程與工藝、制藥工程、生物工程、環(huán)境工程、環(huán)境科學(xué)、藥劑專業(yè)等八個(gè)專業(yè)的約1200名學(xué)生使用了該系統(tǒng),受到了師生的普遍歡迎。

  目前,浙江大學(xué)、華東理工大學(xué)、青海大學(xué)準(zhǔn)備共同組建中國教科網(wǎng)上的第一個(gè)分布式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室――化工原理校際聯(lián)合遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室。通過該系統(tǒng)把三個(gè)學(xué)校的化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源整合,實(shí)現(xiàn)資源共享,提高教育資源的使用效益,促進(jìn)東西部高等學(xué)校之間的合作,支持國家的西部大開發(fā)戰(zhàn)略。

  浙江大學(xué)本著讓學(xué)生對(duì)先進(jìn)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控技術(shù)有感性認(rèn)識(shí)的思想,希望將嵌入式系統(tǒng)的解決方案應(yīng)用于下一階段的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。泓格科技股份有限公司擁有先進(jìn)的嵌入式控制系統(tǒng)以及配套的支持各種現(xiàn)場(chǎng)總線的I/O模塊,能夠提供系列化的成套產(chǎn)品。浙江大學(xué)和作為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室軟件開發(fā)商的浙大合力科技有限公司對(duì)泓格的系列產(chǎn)品做了深入的考察,但之前沒有合作基礎(chǔ),因此在分布式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室正式建設(shè)之前,希望能先進(jìn)行試驗(yàn)。浙江大學(xué)、浙大合力、泓格三方進(jìn)行了協(xié)商,一致同意使用泓格饋贈(zèng)的嵌入式產(chǎn)品建設(shè)一個(gè)樣板實(shí)驗(yàn),如果試驗(yàn)結(jié)果符合要求,則在即將建設(shè)的分布式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目中推廣。

  浙江大學(xué)選擇了管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱膜系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)作為樣板實(shí)驗(yàn),并提供了所需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、傳感器和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),泓格公司無償贊助提供以下產(chǎn)品:

  (1)W-8731 WinCon嵌入式控制器1套;

  (2)I-87017 8CH模擬量輸入模塊1套;

  (3)I-87018 8CH熱電偶輸入模塊1套;

  (4)I-8024 4CH模擬量輸出模塊1套;

  (5)I-8054 8CH DI, 8CH DO 模塊1套。

  浙大合力公司無償贊助提供以下產(chǎn)品:

  (1)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱膜系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)嵌入式測(cè)控服務(wù)器軟件1套;

  (2)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱膜系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)學(xué)生客戶端軟件1套;

  (3)數(shù)據(jù)交換服務(wù)器軟件1套;

  (4)管理監(jiān)控工具軟件1套。

  經(jīng)過三方合作努力,該樣板工程于2004年5月通過驗(yàn)收,驗(yàn)收結(jié)果顯示系統(tǒng)總體指標(biāo)符合原設(shè)計(jì)要求,系統(tǒng)整體運(yùn)行良好,達(dá)到教學(xué)要求。
  
  對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)原理

  本實(shí)驗(yàn)是用來測(cè)定水 ― 空氣在套管換熱器中進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱時(shí)空氣的傳熱膜系數(shù)1,測(cè)定原理是根據(jù)套管換熱器內(nèi)管的長(zhǎng)徑比很大,在冷卻水足夠的情況下內(nèi)壁面溫度變化較小,空氣在操作溫度下物性值變化也不太大,牛頓冷卻定律可變成如下形式:





圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖


  
實(shí)驗(yàn)共有風(fēng)氣出口溫度和壓力,空氣流量,空氣入口溫度,空氣出口溫度,水管壁兩側(cè)溫度,水進(jìn)出口溫度9個(gè)測(cè)量點(diǎn),電源開關(guān)控制,風(fēng)機(jī)開關(guān)控制,空氣流量調(diào)節(jié)閥門控制,空氣加熱器溫度控制,水電磁閥控制5個(gè)控制點(diǎn)。以上屬于開關(guān)控制的有:電源開關(guān)控制,風(fēng)機(jī)開關(guān)控制,水電磁閥控制,連續(xù)控制的有:空氣流量調(diào)節(jié)閥門控制,空氣加熱器溫度控制。

  控制范圍:溫度為:20~140oC,流量為:0~0.03kg/s

  控制精度:溫度誤差在0.2oC以內(nèi),流量誤差在0.0003以內(nèi)。
  
  系統(tǒng)架構(gòu)

  根據(jù)Internet應(yīng)用程序的特點(diǎn)及要求并考慮到系統(tǒng)可靠性、安全性、穩(wěn)定性、使用的方便性以及系統(tǒng)維護(hù)等因素,遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)設(shè)計(jì)了由客戶端、嵌入式控制子系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)信息服務(wù)器、子網(wǎng)服務(wù)器、遠(yuǎn)程預(yù)約服務(wù)管理,教師客戶端和管理與維護(hù)端組成的Client/Server模式方案。

  用戶基于客戶端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,完成實(shí)驗(yàn)操作;子網(wǎng)服務(wù)器提供用戶、嵌入式控制子系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)信息服務(wù)器相互間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信服務(wù),是分布式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室子站點(diǎn)的樞紐設(shè)備;嵌入式控制子系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控服務(wù),并提供設(shè)備安全保障;而遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)調(diào)度和數(shù)據(jù)服務(wù)工作則由實(shí)驗(yàn)信息服務(wù)器完成。

  泓格WinCon-8000是具有Intel Strong ARM CPU芯片,運(yùn)行Windows CE.NET操作系統(tǒng)的嵌入式平臺(tái)。與標(biāo)準(zhǔn)的 Window OS相比,Windows CE.NET 具有許多優(yōu)點(diǎn),包括硬實(shí)時(shí)能力、很小的內(nèi)核、引導(dǎo)速度快、深層次中斷處理、確定的控制性以及低成本等。同時(shí)提供應(yīng)用開發(fā)者有足夠的發(fā)展平臺(tái)例如Networking,Internet Service,Web server,F(xiàn)TP server,DCOM,.NET Compact Framework等軟件包,讓系統(tǒng)開發(fā)者可以將更多的時(shí)間花在應(yīng)用程序的開發(fā)和控制邏輯的完善上。而且WinCon-8000的編程即可以在PC上選用微軟的Visual Studio.NET,它包含了Visual Basic.NET和Visual C#.NET兩種開發(fā)工具,編譯過的Managed code通過與.NET Compact Framework結(jié)合再將程序下載至控制器上,或者也可以使用Embedded Visual C++來編譯,以上的編程方式,除了微軟所提供的Windows CE Standard SDK,ATL, ActiveX Component,MFC,DCOM,.NET Compact Framework外,泓格公司還提供了WinCon-8000 SDK用來控制I-8000,I-87K及I-7000 I/0模塊。

   由于Wincon-8000功能強(qiáng)大且編程簡(jiǎn)單方便,因此,我們采用Wincon-8731作為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)平臺(tái)。W-8731具有七個(gè)I/O插槽,應(yīng)用I-8024 4CH模擬量輸出模塊輸出模型信號(hào)進(jìn)行空氣流量和空氣加熱器溫度控制,由I-87018 8CH熱電偶輸入模塊采集溫度信號(hào),壓力信號(hào)采集應(yīng)用I-87017 8CH模擬量輸入模塊,開關(guān)控制則采用I-8054 8CH.DI, 8CH DO 模塊。
  
  嵌入式控制系統(tǒng)軟件移植開發(fā)

  WinCon-8000系列控制器是基于Windows CE.NET的嵌入式平臺(tái),這給原來運(yùn)行于Windows 98的測(cè)控子系統(tǒng)移植帶來了極大的方便。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室嵌入式控制系統(tǒng)主要的事務(wù)分為:數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、對(duì)實(shí)驗(yàn)信息服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)訪問、與子網(wǎng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換以及與教師端(提供教師監(jiān)控學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作,并可以隨時(shí)進(jìn)行指導(dǎo))的監(jiān)控通訊五項(xiàng)。泓格公司提供I-8000系列產(chǎn)品的同時(shí)也提供了相關(guān)的SDK,簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制的編程工作,使測(cè)控子系統(tǒng)的移植工作重心轉(zhuǎn)移到了對(duì)實(shí)驗(yàn)信息服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)訪問和與子網(wǎng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換上。由于SQL SERVER CE2.0配置的復(fù)雜性及其需要其他軟件的支持,因此采用TCP/IP與實(shí)驗(yàn)信息服務(wù)器通訊的方式來解決,而這種解決方式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是能重構(gòu)與子網(wǎng)服務(wù)器數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)通訊代碼,從而又能進(jìn)一步減少工作量,而Windows CE.NET的網(wǎng)絡(luò)API采用了Winsock2.0,這為滿足教師端監(jiān)控功能而采用的重疊模型提供了保證。
  
  結(jié)論

  傳熱遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)樣板裝置建設(shè)后,裝置總體性能指標(biāo)較高,空氣和水溫度計(jì)量精度達(dá)到±0.3℃,流量測(cè)量精度達(dá)到2%,空氣溫度控制精度達(dá)到±0.3℃,流量控制精度達(dá)到5%,系統(tǒng)整體運(yùn)行良好。同時(shí),該實(shí)驗(yàn)裝置的地理位置不受限制,只要能連接到Internet就能集成到遠(yuǎn)程聯(lián)合分布式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,提高了裝置的使用效益。

  WinCon-8000控制器具有工業(yè)計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口,能滿足工業(yè)控制上的需求,同時(shí)因?yàn)槭褂肦ISC低消耗CPU,及無磁盤、無風(fēng)扇架構(gòu)的特性,具有更好的防塵、防震、防潮性,比工業(yè)計(jì)算機(jī)更能承受化工實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境, 以及實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)開時(shí)停的問題。

  基于WinCon-8000嵌入式控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)應(yīng)用于浙江大學(xué)化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)后,得到了師生的一致好評(píng),被認(rèn)為在概念和實(shí)踐上都具有先進(jìn)性和前瞻性,具有很高的推廣價(jià)值。
  
  
  參考文獻(xiàn)

  1、浙大合力產(chǎn)品手冊(cè);

  2、泓格產(chǎn)品手冊(cè);

  3、吳嘉等,化工原理仿真實(shí)驗(yàn),北京,化學(xué)工業(yè)出版社,2001。

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