基于物联网的在线实验教学系统设计

摘要：本项目利用组态软件技术、PLC技术和工业组网技术，设计一套在网络上实现实验课程的网络实验系统。实验设备虚拟化网络实验课堂可以灵活有趣的调动学生实验的积极性，提高学生的实践能力和创新能力，同时对高校的实验资源有力的扩充。

关键词：网络实验系统；物联网；远程控制；组态软件

1、背景：

在各高等院校的实验教学中实验室大型昂贵实验设备短缺，能进行的实验项目是少之又少，学生仅仅限于书本知识不能把所有的實验都动手操作。为了解决这一问题创建网络实验系统，利用组态软件、PLC、工业组网技术构建一个虚拟的网络实验平台，不仅仅解决了实验教学问题，而且能有培养学习者的动手操作能力和创新能力，提高学习者的兴趣爱好。

2、系统实施方案

本研究设计是为高校实验教学设计提供的个性化的综合物联网教学实验平台，本系统采用分层结构设计，共分为三层：数据采集层（适配器）、数据分析显示层、应用层。基于总线的智慧工业物联信息平台设计分三步实现，现场总线部分设计，无线通信部分设计和数据中心服务器的设计。

2.1 实验室设备的总线组网

现场总线部分实现实验室设备的控制，同时为远程监控系统提供数据信息，信息采用无线通信方式传输，需要解决PLC和无线通信适配器之间的协议打通。数据传送到数据中心服务器当中，设计数据库系统，编辑监控分析软件，实现WEB发布、大屏显示和APP查询功能。

2.2 无线物联网组网设计

稳定的无线通信组网是系统能够稳定运行前提条件。由于PLC和触摸屏的广范使用，分布各地的设备出现问题无法及时更改，导致的后果很严重。GR M530能实现梯形图的上传下载、组态画面的监控、出现问题时可以通过短信提示，对实验设备的运行状态和实验实习情况仅仅通过手机应用监控就可以看到，非常的方便高效。该模块只要在有网的环境下就可以进行。应用的领域非常的广泛，在自动化生产的工业、环境保护方面、铁路运行方面、城市供水方面等都用使用。

1）远程PLC的硬件配置和连接

GRM530内设有两个网口可以用来连接PLC和触摸屏。想要连接根多的设备需要添加逻辑开关。不同的设备需要不同的网口来连接，PLC和仪表需要特殊的网口RS485来连接。该模块没有固定的IP地址，只要在有网的区域就能运行，应用该模块时安装好网络就行。

2）计算机对远程PLC梯形图下载和监控

工程师在只需能上网的计算机上登陆GRM530的模块序号和密码，使用PLC编程软件如博途，即可远程下载、调试、上传梯形图。对于档较大触摸屏和要求回应速度的运动控制器均可流畅下载调试。

3）利用组态软件对远程PLC监控

远程计算机连接因特网，并且电脑上安装OPCS ERVER，就可以获取到当前正在运行的设备数据。启动组态软件中的OP C，就可以远程操作组态画面监控与调试。模块支持亚控，力控，昆仑通态，WINCC，INTOUCH，IFIX等各种组态，也可使用巨控免费的无限点组态软件。

4）短信、网页、APP远程监控

手机上安装相应APP软件，只要出现设备故障就会通过短信报警，及时解决问题，夜间完全不需要留人看守。用手机监控非常的方便，无论在哪，只要打开手机安装的软件就可以查看。

2.3 信息管理服务器设计

信息管理服务器系统由历史数据服务器，数据分析监控服务器，和WEB发布服务器组成。

1）历史数据服务器设计

历史数据服务器实时采集设备运行数据，长期存储原始历史数据，不经处理以便还原历史现场。并为数据分监控服务器提供数据。利用通讯网络实现与现场的仪表、PLC系统、DCS系统等的通信接口，可采用各种仪表协议、MODBUS、DNP3.0、IEC60870-5-101、IEC60870-5-102、IEC60870-5-104 等；软、硬件支持双通道冗余处理，通讯连接具有自恢复功能，具有保持通讯稳定畅通，对通讯报文原码进行监视、存储和调用等功能；

2）数据分析监控服务器设计

人机会话功能，全中文图形显示，采用多窗口技术，支持多类型画面的动态显示，可以提供趋势图、棒图等；根据历史数据，提供事故追忆和事故重演等功能；各类报表的统计功能，可分班、日、月、季、年统计；计划考核管理功能、计算超欠值和超欠率并产生超欠报警等；

3）WEB发布服务器设计

客户端可通过IE等浏览器查阅系统的实时信息、报警信息、历史数据、各种图形信息、生产统计报表、能源实绩报告等，界面与实时系统的人机会话界面风格一致，WEB浏览具有权限限制，合法登录的用户才可以访问和使用系统。

2.4 大屏显示和手机APP组态监控功能

系统设计了基于云架构物联网集中监控管理，提供设备端、电脑和手机端、公有云端一站式解决方案，实现实验管理物联网云组态，支持桌面、大屏、手机、安卓平板、移动端等组态功能。

系统基于纯 HTML5 技术和标准的工业总线技术，可以在平板电脑、iPhone 及安卓手机、平板在内的多种移动设备上应用。Web 组态工具支持七种类型的组件，分别是基本形状、常用控件、工业控制、容器控件、导 航控件、形状控件以及图表控件。工具脚本采用 Web 上最流行的 javascript 脚本。移动组态平台是基于云的监控开发平台，可以让学生和实验教师通过简单的拖拽生成专业的监控 APP。

3 、结论

本文主要研究了以可编程控制器为主控制器，结合现场总线数据传输、网络组态等技术，对实验室设备信息进行采集，实现对实验设备设备的远程操作。本系统采用PLC+总线结构比无线传感网络更稳定，更适合工业现场。利用原有实验设备，改造更容易。帮助组建高校实验教学网络系统，提高设备使用寿命和工作效率。有利于提高学生实验学习兴趣和设备升级改造。

参考文献：

[1] 孙继元，苑广军.工程对象教学法培养创新能力的应用研究[J].实验技术与管理， 2014， 31（02）： 21-22+68.

[2] 苑广军，孙继元，白晶.基于工程对象法的微机原理课程教学实践[J].计算机教育， 2016 （04）： 127-128+132.

[3] 杜艳丽，赵莹，胡冬梅，苑广军.MATLAB在《电路理论》课程教学中的应用[J].科技信息，2013（02）：57+60.

（作者单位：北华大学电气与信息工程学院）

作者简介：李晨晨（1997.11.02），性别：男；籍贯：河南；民族：汉；学历：本科；职称：无；职务：学生；研究方向：测控技术与仪器。

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