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摘要:构建了一个基于工业以太网和PROFIBUS-DP现场总线两层网络构架的综合性、网络化检测系统创新实验平台,给出了平台实现中从站实现、上位机软件设计等关键性技术解决方案,探讨了各种指导性的建设原则,以最大限度发挥平台应用于教学、实验和科研等领域的效果,为培养学生综合性实验的设计和创新能力提供一个理想的平台。
关键词:工业以太网;PROFIBUS-DP;检测系统;创新实验
作者简介:方彦军(1957-),男,福建福州人,武汉大学动力与机械学院,教授,工学博士,主要研究方向:自动化领域的教学与科研。(湖北 武汉 430072)刘经宇(1982-),男,河南信阳人,清华大学机械工程学院,助理研究员,工学博士,主要研究方向:计算机控制系统、嵌入式控制技术、运动控制技术。(北京 100084)
基金项目:本文系湖北省教育厅高等学校教学改革研究项目“网络化检测系统创新实验的研究与开发”(项目编号:20060019)的研究成果。
计算机、通信、网络等技术的发展,使得检测系统信息交换的领域不再仅仅局限于现场设备层,而是扩展、覆盖到工段、车间、工厂、企业、乃至世界各地。在发展过程中,网络化检测系统的出现起到了至关重要的作用。[1]
在各种检测与控制领域中,现场总线技术以其可靠性高、连接方便、开放性强等特点,被广泛应用在对可靠性、实时性要求较高的工业底层测控网络;以太网作为一种新兴的网络技术,因其网络化、开放性等优势,被集成到以Internet和Web技术为代表的企业信息网络中。基于现场总线技术和工业以太网技术的网络化检测系统已经被越来越多的应用到了各种工业现场以取代传统的封闭式检测系统。这样的背景下,作为同时肩负科研任务和人才培养的高等院校,建立一个网络化检测系统创新实验平台,并基于此研究如何对现有的信息交互方法进行改造,采用简洁、高效的网络结构和信息集成模式,实现企业内部真正意义上的网络化、一体化检测与控制,并培养相关的技术人才,具有十分现实的意义。
在湖北省自然科學基金和湖北省高等学校省级教学研究项目资助下,武汉大学现场总线实验室在原有工业以太网和PROFIBUS-DP现场总线技术研究和装置开发积累的基础上,研究并组建了一个网络化检测系统创新性实验平台。
一、创新性实验平台系统
1.系统设计
现场总线技术和工业以太网技术,沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系,使自控系统与设备加入工厂信息网络,使企业的信息沟通的范围一起延伸到生产现场。
如图1所示,创新实验平台基于工业以太网和PROFIBUS-
DP现场总线的两层信号检测、管理系统构建。系统上层由服务器、客户机、工业以太网等组成,将信号检测同上位机管理系统有机地融合在一起,利用数据库、网络、组态等软件技术实现信号的分析和管理;系统底层网络基于PROFIBUS-DP总线产品和部分自主研发设计构建,实现对现场信号的采集、处理与通信。在工业以太网中包括服务器、上位机客户端、PLC主站等组件;在PROFIBUS-DP总线网络中则挂接西门子公司300系列PLC主站、从站、ET200数据采集模块、数字及模拟智能I/O、热电阻及热电偶智能温度采集模块等信号采集、处理设备。其中,PROFIBUS-DP总线网络中挂接的数字及模拟智能I/O、热电阻及热电偶智能温度采集模块等信号采集、处理设备部分采用原武汉大学现场总线实验室开发的相关从站设备。[2-5]
在此实验平台基础上,学生通过实际的动手操作可组建一个网络化的检测系统,实现对模拟现场信号的采集处理以及对网络机构的优化改造等,进而深入学习工业以太网、现场总线的网络结构,掌握智能仪表的使用方法。同时,作为一个开放性的实验平台,平台为具有一定动手能力及理论知识的学生(如研究生)提高了网络化I/O采集、驱动从站开发的方法指导和软硬件实现基础,最大限度的开发学生对网络化检测系统的理解和积累具体开发经验。
平台建设的技术重点与难点是在原有研究的基础上进一步完善智能I/O采集从站,构建完备的检测网络系统,创造可靠的实验平台,并开发出相应的网络数据库系统及演示软件系统。
2.智能I/O采集从站实现
为了实现PROFIBUS产品的国产化,武汉大学现场总线实验室自1999年开始就一直致力于PROFIBUS总线模块的研制和开发,并逐步形成了自己的产品系列,目前已开发的产品分为三个系列:(1)I/O接口型模块,包括:8路12位模拟量输入/输出DP从站,16路开关量输入/输出DP从站,8路开关量输出DP从站;(2)智能传输型模块,包括:智能PID控制器DP模块,热电偶温度采集DP模块和热电阻温度采集DP模块;(3)现场总线协议转换网关,包括:MODBUS至PROFIBUS-DP协议转换网关,CAN至PROFIBUS-DP协议转换网关和HART至PROFIBUS-DP协议转换网关。
所开发的从站产品PROFIBUS-DP协议通信部分全部基于西门子公司的SPC3从站协议芯片实现(如图2所示),因此在设计上将各种PROFIBUS-DP从站均分为两个部分实现:通信主板和功能从板。
通信主板主要包括CPU电路和基于SPC3的PROFIBUS-DP从站接口电路,独立完成PROFIBUS-DP协议的从站部分;功能从板则根据不同产品的功能分别设计,其中I/O从板和传感、驱动从板主要包括I/O接口电路,网关从板则包括了从CPU、从总线接口和双口RAM三个部分。
3.上位机演示软件系统
选用西门子的CPU314模块(CPU)、CP342-5模块(DP通讯模块)、PS307(电源)和若干自行开发的PROFIBUS模块可以非常方便地组建PROFIBUS总线控制网络。在上位机中通过STEP7对系统组态,采用MCGS监控软件实现对控制网络的监控。图3是一个自行组建的PROFIBUS总线控制网络监控界面。
二、网络化检测系统创新实验平台的意义
作为一个创新性的实验平台,要成为科技创新的不竭源泉,一方面要将教学与科研相结合直接参与和推进科技创新;另一方面则要通过培养高素质创新型人才,为技术创新提供源源不断的人才支持和智力储备。[6-11]通过对网络化检测系统创新实验平台的应用,可以发挥以下作用。
1.培养学生的自主创新能力
创新实验的教学内容是完全开放式的,为其配套的实验环境与运行方式必须要适应创新实验内容开放的模式。开展这样的实验,可以强化培养学生的自主创新能力。通过开放式教学管理系统进行教学和实验室管理,为学生提供了开放式学习和实践的时间、空间;全方位开放创新的实验环境,为学生开展课外科技创新活动提供与其匹配的实验平台。
2.能够针对不同层次的教学单元进行实验
将平台搭建为覆盖高、中、低3个层面的开放实验平台,对低年级的本科生提供系统组建以及操作的演示学习,通过其对实物的学习观察,培养其对检测系统以及工业网络结构的认知,明确其学习方向与方法;对高年级本科生则提供在固有模块基础上的实验系统的连接搭建,使其真正掌握整个系统的网络结构和智能仪表的功能特性;同时允许具有一定动手能力及理论知识的学生(如研究生)参与从站的开发、调试以及系统的组建、维护等工作,一方面使其最大限度的学习和锻炼在智能检测仪表研发以及工业信息网络构建方面的能力,另一方面也能有效保证实验平台的稳定,以及一些后续改进的顺利进行。
3.有利于学生获得直接经验
学生学习主要是通过课堂理论教学的间接经验来获得知识,其中间接经验是获得系统知识体系的捷径。但直接经验的获得同样不可缺少,因为它是取得间接经验的基础。在“网络化检测系统创新实验平台”上学生通过从网络化检测系统实验的过程,使其能够在“做中学”,强化课本上所学到的理论知识,通过亲身参与获得直接经验。为充分挖掘创新实验室的潜在效能,使其能够健康、有序、可持续地发展,关键是要将广大学生的注意力吸引到创新活动中来,让他们对创新活动产生浓厚的兴趣,给他们提供各种参与创新活动的切入点,让学生们彻底摆脱“入门难”的畏难情绪,使他们从中既可提高自己的创新实践能力,又可享受成功带来的愉悦。
4.有利于通过互动式教学提高教师处理复杂问题的应对能力
在实验过程中,教师只提供设计思路或只提出设计任务,具体设计则由学生自行完成。如果实施过程中遇到了问题,教师则与学生一起分析原因,在这期间双方能够产生思想的碰撞和灵感的火花,这将激励教师不断加强自身的专业素质和实践经验来提高自身处理实际复杂问题的应对能力。
5.有产业实用性
当前,无论是在基于工业以太网还是PROFIBUS现場总线的控制与互联装置的开发上,国外都已经有成熟的技术,而且已经产品化。而国内则处于刚刚起步的阶段,仅在智能仪表的开发上做出了一些工作,拥有国内市场的小部份额。基于这种现状,平台在构建时采用武汉大学总线实验室已开发出的智能I/O产品作为总线的采集从站,一方面通过对一些实验测试阶段的产品设计的调试、组装甚至改进来加深学生对基于网络的检测产品的设计开发的理解;另一方面也检验了以往从站的设计思想及产品成果,填补了一些国内智能采集从站研究的空白,也为后续的总线智能仪表开发提供宝贵的经验,将创新实验平台建设成为了有产业实用性的开发平台。
三、结语
实践教学是完成教学计划、实现高校培养目标的一个重要教学环节,网络化检测系统创新实验平台的应用可以改善实践教学的条件和环境,提高实践教学质量,是现代的教学手段。经过近三年的发展,网络化检测系统创新实验平台目前已初具特色,出色地完成了本科生“检测技术”课程相关实验实践教学以及检测系统相关毕业设计,研究生“检测技术与系统”相关课程实践教学以及具体课题实验开发等工作。
然而,一个好的专业课程实验室决不能仅仅停留在目前现有的技术水平和教学层次上,特别是像计算机控制与现场总线技术这样迅速发展的技术,新的设计理念、技术和设备不断涌现。不紧紧跟上技术的发展与实际应用就不能适应当前培养人才的需要。为此,将继续积极注重此项技术与实际工程应用的紧密结合,倡导学生的创新能力,发展建设一流的专业技术实验室,并将不断改革教学内容,探索新的教学方法,不断研究、完善并充分发挥它的教学及科研功能,采取相应的措施提高教学质量,这是我们应该继续研究与探索的课题。
参考文献:
[1]方彦军,等.检测技术与系统设计[M].北京:中国水利水电出版社,2007.
[2]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999.
[3]方彦军,等.Profibus-DP现场总线智能从站通信协议研究[J].仪表技术与传感器,2004,(12).
[4]方彦军,等.Profibus-DP智能从站的开发与实现[J].仪表技术与传感器,2004,(4).
[5]方彦军,等.PROFIBUS-DP总线温度采集装置研究与设计[J].传感器与微系统,2007,(10).
[6]孙桂明,等.系统实验室建设的初步探索[J].高等工程教育研究,1996,(2).
[7]周仲荣,等.重点实验室参与本科教学实践的启示[J].高等工程教育研究,2003,(5).
[8]韩雅静,等.材料科学与工程专业教学平台实验室综合实验课程改革初探[J].高等工程教育研究,2005,(1).
[9]刁鸣,等.示范中心创新实验室的建设[J].实验室研究与探索,2007,(1).
[10]陈一民,等.LonWorks现场总线技术实验室建设及实践教学探索[J].实验室研究与探索,2007,(3).
[11]张刚,等.基于Flash技术的网络虚拟实验平台开发[J].高等教育研究,2007,(4).
(责任编辑:苏宇嵬)
关键词:工业以太网;PROFIBUS-DP;检测系统;创新实验
作者简介:方彦军(1957-),男,福建福州人,武汉大学动力与机械学院,教授,工学博士,主要研究方向:自动化领域的教学与科研。(湖北 武汉 430072)刘经宇(1982-),男,河南信阳人,清华大学机械工程学院,助理研究员,工学博士,主要研究方向:计算机控制系统、嵌入式控制技术、运动控制技术。(北京 100084)
基金项目:本文系湖北省教育厅高等学校教学改革研究项目“网络化检测系统创新实验的研究与开发”(项目编号:20060019)的研究成果。
计算机、通信、网络等技术的发展,使得检测系统信息交换的领域不再仅仅局限于现场设备层,而是扩展、覆盖到工段、车间、工厂、企业、乃至世界各地。在发展过程中,网络化检测系统的出现起到了至关重要的作用。[1]
在各种检测与控制领域中,现场总线技术以其可靠性高、连接方便、开放性强等特点,被广泛应用在对可靠性、实时性要求较高的工业底层测控网络;以太网作为一种新兴的网络技术,因其网络化、开放性等优势,被集成到以Internet和Web技术为代表的企业信息网络中。基于现场总线技术和工业以太网技术的网络化检测系统已经被越来越多的应用到了各种工业现场以取代传统的封闭式检测系统。这样的背景下,作为同时肩负科研任务和人才培养的高等院校,建立一个网络化检测系统创新实验平台,并基于此研究如何对现有的信息交互方法进行改造,采用简洁、高效的网络结构和信息集成模式,实现企业内部真正意义上的网络化、一体化检测与控制,并培养相关的技术人才,具有十分现实的意义。
在湖北省自然科學基金和湖北省高等学校省级教学研究项目资助下,武汉大学现场总线实验室在原有工业以太网和PROFIBUS-DP现场总线技术研究和装置开发积累的基础上,研究并组建了一个网络化检测系统创新性实验平台。
一、创新性实验平台系统
1.系统设计
现场总线技术和工业以太网技术,沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系,使自控系统与设备加入工厂信息网络,使企业的信息沟通的范围一起延伸到生产现场。
如图1所示,创新实验平台基于工业以太网和PROFIBUS-
DP现场总线的两层信号检测、管理系统构建。系统上层由服务器、客户机、工业以太网等组成,将信号检测同上位机管理系统有机地融合在一起,利用数据库、网络、组态等软件技术实现信号的分析和管理;系统底层网络基于PROFIBUS-DP总线产品和部分自主研发设计构建,实现对现场信号的采集、处理与通信。在工业以太网中包括服务器、上位机客户端、PLC主站等组件;在PROFIBUS-DP总线网络中则挂接西门子公司300系列PLC主站、从站、ET200数据采集模块、数字及模拟智能I/O、热电阻及热电偶智能温度采集模块等信号采集、处理设备。其中,PROFIBUS-DP总线网络中挂接的数字及模拟智能I/O、热电阻及热电偶智能温度采集模块等信号采集、处理设备部分采用原武汉大学现场总线实验室开发的相关从站设备。[2-5]
在此实验平台基础上,学生通过实际的动手操作可组建一个网络化的检测系统,实现对模拟现场信号的采集处理以及对网络机构的优化改造等,进而深入学习工业以太网、现场总线的网络结构,掌握智能仪表的使用方法。同时,作为一个开放性的实验平台,平台为具有一定动手能力及理论知识的学生(如研究生)提高了网络化I/O采集、驱动从站开发的方法指导和软硬件实现基础,最大限度的开发学生对网络化检测系统的理解和积累具体开发经验。
平台建设的技术重点与难点是在原有研究的基础上进一步完善智能I/O采集从站,构建完备的检测网络系统,创造可靠的实验平台,并开发出相应的网络数据库系统及演示软件系统。
2.智能I/O采集从站实现
为了实现PROFIBUS产品的国产化,武汉大学现场总线实验室自1999年开始就一直致力于PROFIBUS总线模块的研制和开发,并逐步形成了自己的产品系列,目前已开发的产品分为三个系列:(1)I/O接口型模块,包括:8路12位模拟量输入/输出DP从站,16路开关量输入/输出DP从站,8路开关量输出DP从站;(2)智能传输型模块,包括:智能PID控制器DP模块,热电偶温度采集DP模块和热电阻温度采集DP模块;(3)现场总线协议转换网关,包括:MODBUS至PROFIBUS-DP协议转换网关,CAN至PROFIBUS-DP协议转换网关和HART至PROFIBUS-DP协议转换网关。
所开发的从站产品PROFIBUS-DP协议通信部分全部基于西门子公司的SPC3从站协议芯片实现(如图2所示),因此在设计上将各种PROFIBUS-DP从站均分为两个部分实现:通信主板和功能从板。
通信主板主要包括CPU电路和基于SPC3的PROFIBUS-DP从站接口电路,独立完成PROFIBUS-DP协议的从站部分;功能从板则根据不同产品的功能分别设计,其中I/O从板和传感、驱动从板主要包括I/O接口电路,网关从板则包括了从CPU、从总线接口和双口RAM三个部分。
3.上位机演示软件系统
选用西门子的CPU314模块(CPU)、CP342-5模块(DP通讯模块)、PS307(电源)和若干自行开发的PROFIBUS模块可以非常方便地组建PROFIBUS总线控制网络。在上位机中通过STEP7对系统组态,采用MCGS监控软件实现对控制网络的监控。图3是一个自行组建的PROFIBUS总线控制网络监控界面。
二、网络化检测系统创新实验平台的意义
作为一个创新性的实验平台,要成为科技创新的不竭源泉,一方面要将教学与科研相结合直接参与和推进科技创新;另一方面则要通过培养高素质创新型人才,为技术创新提供源源不断的人才支持和智力储备。[6-11]通过对网络化检测系统创新实验平台的应用,可以发挥以下作用。
1.培养学生的自主创新能力
创新实验的教学内容是完全开放式的,为其配套的实验环境与运行方式必须要适应创新实验内容开放的模式。开展这样的实验,可以强化培养学生的自主创新能力。通过开放式教学管理系统进行教学和实验室管理,为学生提供了开放式学习和实践的时间、空间;全方位开放创新的实验环境,为学生开展课外科技创新活动提供与其匹配的实验平台。
2.能够针对不同层次的教学单元进行实验
将平台搭建为覆盖高、中、低3个层面的开放实验平台,对低年级的本科生提供系统组建以及操作的演示学习,通过其对实物的学习观察,培养其对检测系统以及工业网络结构的认知,明确其学习方向与方法;对高年级本科生则提供在固有模块基础上的实验系统的连接搭建,使其真正掌握整个系统的网络结构和智能仪表的功能特性;同时允许具有一定动手能力及理论知识的学生(如研究生)参与从站的开发、调试以及系统的组建、维护等工作,一方面使其最大限度的学习和锻炼在智能检测仪表研发以及工业信息网络构建方面的能力,另一方面也能有效保证实验平台的稳定,以及一些后续改进的顺利进行。
3.有利于学生获得直接经验
学生学习主要是通过课堂理论教学的间接经验来获得知识,其中间接经验是获得系统知识体系的捷径。但直接经验的获得同样不可缺少,因为它是取得间接经验的基础。在“网络化检测系统创新实验平台”上学生通过从网络化检测系统实验的过程,使其能够在“做中学”,强化课本上所学到的理论知识,通过亲身参与获得直接经验。为充分挖掘创新实验室的潜在效能,使其能够健康、有序、可持续地发展,关键是要将广大学生的注意力吸引到创新活动中来,让他们对创新活动产生浓厚的兴趣,给他们提供各种参与创新活动的切入点,让学生们彻底摆脱“入门难”的畏难情绪,使他们从中既可提高自己的创新实践能力,又可享受成功带来的愉悦。
4.有利于通过互动式教学提高教师处理复杂问题的应对能力
在实验过程中,教师只提供设计思路或只提出设计任务,具体设计则由学生自行完成。如果实施过程中遇到了问题,教师则与学生一起分析原因,在这期间双方能够产生思想的碰撞和灵感的火花,这将激励教师不断加强自身的专业素质和实践经验来提高自身处理实际复杂问题的应对能力。
5.有产业实用性
当前,无论是在基于工业以太网还是PROFIBUS现場总线的控制与互联装置的开发上,国外都已经有成熟的技术,而且已经产品化。而国内则处于刚刚起步的阶段,仅在智能仪表的开发上做出了一些工作,拥有国内市场的小部份额。基于这种现状,平台在构建时采用武汉大学总线实验室已开发出的智能I/O产品作为总线的采集从站,一方面通过对一些实验测试阶段的产品设计的调试、组装甚至改进来加深学生对基于网络的检测产品的设计开发的理解;另一方面也检验了以往从站的设计思想及产品成果,填补了一些国内智能采集从站研究的空白,也为后续的总线智能仪表开发提供宝贵的经验,将创新实验平台建设成为了有产业实用性的开发平台。
三、结语
实践教学是完成教学计划、实现高校培养目标的一个重要教学环节,网络化检测系统创新实验平台的应用可以改善实践教学的条件和环境,提高实践教学质量,是现代的教学手段。经过近三年的发展,网络化检测系统创新实验平台目前已初具特色,出色地完成了本科生“检测技术”课程相关实验实践教学以及检测系统相关毕业设计,研究生“检测技术与系统”相关课程实践教学以及具体课题实验开发等工作。
然而,一个好的专业课程实验室决不能仅仅停留在目前现有的技术水平和教学层次上,特别是像计算机控制与现场总线技术这样迅速发展的技术,新的设计理念、技术和设备不断涌现。不紧紧跟上技术的发展与实际应用就不能适应当前培养人才的需要。为此,将继续积极注重此项技术与实际工程应用的紧密结合,倡导学生的创新能力,发展建设一流的专业技术实验室,并将不断改革教学内容,探索新的教学方法,不断研究、完善并充分发挥它的教学及科研功能,采取相应的措施提高教学质量,这是我们应该继续研究与探索的课题。
参考文献:
[1]方彦军,等.检测技术与系统设计[M].北京:中国水利水电出版社,2007.
[2]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999.
[3]方彦军,等.Profibus-DP现场总线智能从站通信协议研究[J].仪表技术与传感器,2004,(12).
[4]方彦军,等.Profibus-DP智能从站的开发与实现[J].仪表技术与传感器,2004,(4).
[5]方彦军,等.PROFIBUS-DP总线温度采集装置研究与设计[J].传感器与微系统,2007,(10).
[6]孙桂明,等.系统实验室建设的初步探索[J].高等工程教育研究,1996,(2).
[7]周仲荣,等.重点实验室参与本科教学实践的启示[J].高等工程教育研究,2003,(5).
[8]韩雅静,等.材料科学与工程专业教学平台实验室综合实验课程改革初探[J].高等工程教育研究,2005,(1).
[9]刁鸣,等.示范中心创新实验室的建设[J].实验室研究与探索,2007,(1).
[10]陈一民,等.LonWorks现场总线技术实验室建设及实践教学探索[J].实验室研究与探索,2007,(3).
[11]张刚,等.基于Flash技术的网络虚拟实验平台开发[J].高等教育研究,2007,(4).
(责任编辑:苏宇嵬)