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摘 要：针对原有PLC实训系统的诸多缺陷，在单层网络的基础上增加了基于C/S的局域网构架和基于B/S的开放式构架，形成了基于多层网络的PLC模拟仿真实训系统。在系统的设计中，采用了多层网络构架技术、资源控制和管理技术、多系统集成和优化技术等关键技术，使该系统具有PLC数据相互通讯、数据管理和存储、权限并发控制、资源开放与共享等特殊功能。
关键词：多层网络；PLC；模拟仿真；系统；控制
中图分类号：G434文献标识码：B 文章编号：1673-8454（2011）03-0085-03
浙江同济科技职业学院于2006年4月升为高职，原来的中专模式下的PLC实验室不能满足高职的教学需要，主要体现在以下几个方面：（1）原实训室零散PLC未进行网络化集成，各PLC之间不能相互通信，不利于资源共享和集成；（2）没有数据库服务器和教师工作站，且不能与学生工作站互联，不利于教学资源的积累、管理和调用；（3）没有集成安装多媒体系统，不能实施“理实一体化”的教学模式，不利于发挥其网络性、系统性和现代性。
网络信息化技术、通信技术、多媒体技术、数据库技术的发展和交融，为解决上述问题提供了可能，本设计利用原有系统的单层网络，在其基础上增加双层以太网的多层网络设计，既节约了投资成本又体现了先进性和现代性，可以为其他同类院校的实训室升级和设计提供很好的借鉴。
一、总体设计
原来的实训室单层网络采用现场总线网络，采用RS－232串行通讯接口，通讯方式采用“全双工”通讯方式。[1]原实训室的控制模型仅有电机控制模型、电梯控制仿真模型、天塔之光控制模型、交通灯控制模型等6个仿真控制模型，为了满足高职的教学要求，本次设计在原来基础上增加了成型机控制模型、机器手控制模型、仓库控制模型等6个模型，合计达到12个仿真控制模型。原单层网络之上增加教师工作站、数据库服务器、多媒体系统等子系统，PLC和教师工作站之间采用以太网形成C/S构架模式，数据库服务器与教师工作站及学生工作站也采用以太网形成B/S构架模式，[2]使原来的单层网络升级为多层网络，从而使系统具有PLC数据相互通讯功能、数据管理和存储功能、权限并发控制功能、资源开放与共享功能等功能，其网络拓扑结构如图1所示。
二、功能分析
通过多层网络的设计，本系统除了一些基本的功能之外，还具备了一些特殊的功能，如PLC数据相互通讯功能、数据管理和存储功能、权限并发控制功能、资源开放与共享功能等。
1.PLC数据相互通讯功能
一般的实训室建设PLC之间不能相互通讯，这样不利于资源的共享，例如当采用分组合作方式把学生组建为项目小组，小组中多个学生采用不同的PLC进行编程，每个学生编译一个模块，当需要把各个模块组态为一个关联程序并相互调用自定义过程或函数时，就需要PLC之间能够相互通讯，否则采用外存储器进行相互复制和衔接，就很难保持程序的一致性和完整性。
PLC相互通讯是通过以太网＋教师工作站的C/S构架来实现的，把教师工作站作为Server端，PLC作为Client端，在教师工作站中安装PLC程序组态管理软件，项目整体程序框架构建在教师工作站上，学生的PLC程序过程和函数[3]作为子模块（SUB）统一上传和集成到教师工作站项目整体程序框架之内，所有PLC子站都可以通过C/S以太网共享SUB。
2.数据管理与存储功能
数据管理与存储功能是通过数据库服务器来实现的。一般的实训室系统没有设置数据库服务器，不能进行资源的积累、管理和调用。本数据库服务器安装了Microsoft SQL Server数据库管理系统，可以管理学生编译的程序、典型教学案例、学生优秀作品、项目过程等资源，其数据管理和存储流程如图2所示。[4]
3.权限并发控制功能
依据现场总线＋以太网的构架模式，多个学生可能控制同一个仿真模型，当两个或两个以上学生通过不同的控制器（PLC）控制相同的仿真模型时，称为并发控制。并发控制可能对仿真模型产生比较大的损害，因此必须禁止并发控制的发生。本设计在教师工作站中安装了权限管理系统，该系统可以通过总线监测仿真模型的运行状态。当某一仿真模型正在运行时，系统将辨别该模型的控制器（PLC）型号，即监测到哪台PLC控制了该模型，同时把对应的学生工作站权限设置为1，而其他的学生工作站权限设置为0，权限为0的学生工作站就不能再控制仿真模型，从而避免了并发控制的发生。仅当该模型停止运行，并确认退出调试时，系统再对学生工作站的权限全部清零，以等待下一个调试运行者。
4.资源开放与共享功能
本设计通过B/S构架，在服务器中安装了基于Web的网络站点，该站点与数据库相链接，站点具有共享和展示学生编译的程序、典型教学案例、学生优秀作品、项目过程等资源的功能，学生不但在实训室中可以访问站点中的这些资源，同时通过浏览器在任何能够上网的地方下载和阅读这些资源，使得实训室的资源共享性大大提高，形成了基于网络的开放实训室。
通过以太网站点开放与共享教学资源需要关注网络的安全性问题，本系统在未配置防火墙的条件下，采用软件安全程序，在Web站点的初始页和数据库中配置安全加密模块以保障系统的安全性。[5]
三、关键技术
本设计是网络信息化技术、通信技术、多媒体技术、数据库技术的融合和协同，在此对一些通用的技术本文不作论述，而只介绍多层网络构架技术、资源控制和管理技术、系统集成和优化技术等关键技术。
1.多层网络构架技术
本设计由现场总线和双层以太网构架的多层次系统，现场总线保证了PLC与仿真模型之间通讯的快速性；由C/S以太网构成的局域网保证了PLC之间的相互通讯和资源的共享性；由B/S以太网构成的广域网使系统具有很好的开放性。
（1）PLC相互通讯管理软件。PLC相互通讯管理软件是实现PLC之间的相互通讯的核心，它安装在教师工作站中，由MCGS6.5开发工具开发而成。
（2）Web站点。为实现B/S以太网的构架，在服务器中开发了Web站点。本站点采用ASP.NET进行开发，采用Microsoft SQL Server 2005 作为链接数据库。
（3）C/S和B/S接口。C/S和B/S接口程序安装在服务器中，它由Microsoft Visual C 6.0开发，一共有4个接口程序，分别为：PLC接口程序（COMPLC）；通用单元接口程序（ComUnit）；教师工作站接口程序（COMTeach）；学生工作站接口程序（COMSTU）。
2.资源控制和管理技术
资源控制和管理技术是实现数据存储和管理、权限并发控制等功能的关键技术。在信息时代，有用的数据集成即是资源，资源按照性质可以分为软资源和硬资源，如学生编译的程序、典型案例等为软资源，而教师工作站、学生工作站、服务器等为硬资源。
（1）软资源控制与管理。软资源的控制与管理依托数据库管理系统（DBMS），在Microsoft SQL Server 2005中基于SQL数据库引擎，提供了存储过程、数据函数、数据表、数据视图等数据管理工具和方法，通过选择不同的管理形式对软资源进行管理。如学生的程序资源采用了表字段存储的路径＋外存储文件的形式进行管理，工作站信息则采用了数据视图进行管理。
（2）硬资源控制与管理。硬资源控制与管理采用独立开发的权限管理系统进行管理，也采用Microsoft Visual C 6.0进行开发。其管理流程大致为：先把各个学生工作站的IP地址、对应的PLC识别信息、PLC的状态信息等存储到数据表中，并通过点对点监听程序对PLC的状态进行监测，一旦发现PLC为运行状态，则触发数据库的存储过程，置对应的学生工作站权限表数据为1，其他工作站权限为0。
3.系统集成和优化技术
要实现资源开放与共享功能离不开系统集成和优化技术，本设计的系统集成包括：（1）系统的12个仿真模型通过基于RS-232C串行接口的现场总线进行集成，现场总线的协议采用了国际有名的MODBUS通讯协议，使资源数据传输更具实时性。（2）软资源的集成通过Microsoft SQL Server 2005数据库开发，采用基于以太网的C/S网络设计，加强了资源的共享性；（3）学生工作站的集成通过Web站点的开发，结合数据库管理和安全设计，实现了基于B/S的网络资源开放性；（4）资源配置的优化管理采用独立的权限管理系统，实现并发控制和仿真模型的优化利用。其设计的集成和优化策略如图3所示。
四、应用研究
经过精心的设计与构架，不但使本实训室的功能达到并超过了教学的需求，同时节约投资达30％。本实训室是浙江省省级示范实训基地建设的重要内容，其成功开发可为电气自动化专业、机电一体化专业、发电厂及电力系统专业和数控专业服务。本系统自运行以来性能稳定，可完成PLC课程的实验实训、维修电工（中级、高级）PLC部分的培训/考核、PLC培训、毕业设计、创新制作等教学及实践任务。具有PLC和变频器设计、安装、调试、检修等多种技能实训功能，可实现仿真化、信息化、网络化实训教学和真实职业技能训练；具有教师、学生进行电气控制技术实训、产品研发及教学研究功能；可承担职业院校、企业、技能鉴定站/所的PLC、变频器、电机与电气控制实际操作和技能鉴定考核。为学生课程设计、课外科技活动、PLC设计竞赛和毕业设计等提供了场地。
参考文献：
[1]Information Systems and Control Foundation[S].IT Governance Institute.COBIT3rd Edition Control Objectives,2000-7.
[2]李乃夫.可编程控制器原则·应用·实验[Ｍ].北京:中国轻工业出版社，2005：22-27.
[3]American Institute of down-to-earth quality of learning.Microsoft SQL Server 2005 Based Technology[Ｍ]. World Book Publishing Company，2007.
[4]余金山.SQL SERVER 2000 编程指南[M].北京:北京希望电子出版社,2001.
[5]Matthew Macdonald. ASP.NET完全手册[M].北京:电子工业出版社, 2003.
（编辑：金冉）
关键词：多层网络；PLC；模拟仿真；系统；控制
中图分类号：G434文献标识码：B 文章编号：1673-8454（2011）03-0085-03
浙江同济科技职业学院于2006年4月升为高职，原来的中专模式下的PLC实验室不能满足高职的教学需要，主要体现在以下几个方面：（1）原实训室零散PLC未进行网络化集成，各PLC之间不能相互通信，不利于资源共享和集成；（2）没有数据库服务器和教师工作站，且不能与学生工作站互联，不利于教学资源的积累、管理和调用；（3）没有集成安装多媒体系统，不能实施“理实一体化”的教学模式，不利于发挥其网络性、系统性和现代性。
网络信息化技术、通信技术、多媒体技术、数据库技术的发展和交融，为解决上述问题提供了可能，本设计利用原有系统的单层网络，在其基础上增加双层以太网的多层网络设计，既节约了投资成本又体现了先进性和现代性，可以为其他同类院校的实训室升级和设计提供很好的借鉴。
一、总体设计
原来的实训室单层网络采用现场总线网络，采用RS－232串行通讯接口，通讯方式采用“全双工”通讯方式。[1]原实训室的控制模型仅有电机控制模型、电梯控制仿真模型、天塔之光控制模型、交通灯控制模型等6个仿真控制模型，为了满足高职的教学要求，本次设计在原来基础上增加了成型机控制模型、机器手控制模型、仓库控制模型等6个模型，合计达到12个仿真控制模型。原单层网络之上增加教师工作站、数据库服务器、多媒体系统等子系统，PLC和教师工作站之间采用以太网形成C/S构架模式，数据库服务器与教师工作站及学生工作站也采用以太网形成B/S构架模式，[2]使原来的单层网络升级为多层网络，从而使系统具有PLC数据相互通讯功能、数据管理和存储功能、权限并发控制功能、资源开放与共享功能等功能，其网络拓扑结构如图1所示。
二、功能分析
通过多层网络的设计，本系统除了一些基本的功能之外，还具备了一些特殊的功能，如PLC数据相互通讯功能、数据管理和存储功能、权限并发控制功能、资源开放与共享功能等。
1.PLC数据相互通讯功能
一般的实训室建设PLC之间不能相互通讯，这样不利于资源的共享，例如当采用分组合作方式把学生组建为项目小组，小组中多个学生采用不同的PLC进行编程，每个学生编译一个模块，当需要把各个模块组态为一个关联程序并相互调用自定义过程或函数时，就需要PLC之间能够相互通讯，否则采用外存储器进行相互复制和衔接，就很难保持程序的一致性和完整性。
PLC相互通讯是通过以太网＋教师工作站的C/S构架来实现的，把教师工作站作为Server端，PLC作为Client端，在教师工作站中安装PLC程序组态管理软件，项目整体程序框架构建在教师工作站上，学生的PLC程序过程和函数[3]作为子模块（SUB）统一上传和集成到教师工作站项目整体程序框架之内，所有PLC子站都可以通过C/S以太网共享SUB。
2.数据管理与存储功能
数据管理与存储功能是通过数据库服务器来实现的。一般的实训室系统没有设置数据库服务器，不能进行资源的积累、管理和调用。本数据库服务器安装了Microsoft SQL Server数据库管理系统，可以管理学生编译的程序、典型教学案例、学生优秀作品、项目过程等资源，其数据管理和存储流程如图2所示。[4]
3.权限并发控制功能
依据现场总线＋以太网的构架模式，多个学生可能控制同一个仿真模型，当两个或两个以上学生通过不同的控制器（PLC）控制相同的仿真模型时，称为并发控制。并发控制可能对仿真模型产生比较大的损害，因此必须禁止并发控制的发生。本设计在教师工作站中安装了权限管理系统，该系统可以通过总线监测仿真模型的运行状态。当某一仿真模型正在运行时，系统将辨别该模型的控制器（PLC）型号，即监测到哪台PLC控制了该模型，同时把对应的学生工作站权限设置为1，而其他的学生工作站权限设置为0，权限为0的学生工作站就不能再控制仿真模型，从而避免了并发控制的发生。仅当该模型停止运行，并确认退出调试时，系统再对学生工作站的权限全部清零，以等待下一个调试运行者。
4.资源开放与共享功能
本设计通过B/S构架，在服务器中安装了基于Web的网络站点，该站点与数据库相链接，站点具有共享和展示学生编译的程序、典型教学案例、学生优秀作品、项目过程等资源的功能，学生不但在实训室中可以访问站点中的这些资源，同时通过浏览器在任何能够上网的地方下载和阅读这些资源，使得实训室的资源共享性大大提高，形成了基于网络的开放实训室。
通过以太网站点开放与共享教学资源需要关注网络的安全性问题，本系统在未配置防火墙的条件下，采用软件安全程序，在Web站点的初始页和数据库中配置安全加密模块以保障系统的安全性。[5]
三、关键技术
本设计是网络信息化技术、通信技术、多媒体技术、数据库技术的融合和协同，在此对一些通用的技术本文不作论述，而只介绍多层网络构架技术、资源控制和管理技术、系统集成和优化技术等关键技术。
1.多层网络构架技术
本设计由现场总线和双层以太网构架的多层次系统，现场总线保证了PLC与仿真模型之间通讯的快速性；由C/S以太网构成的局域网保证了PLC之间的相互通讯和资源的共享性；由B/S以太网构成的广域网使系统具有很好的开放性。
（1）PLC相互通讯管理软件。PLC相互通讯管理软件是实现PLC之间的相互通讯的核心，它安装在教师工作站中，由MCGS6.5开发工具开发而成。
（2）Web站点。为实现B/S以太网的构架，在服务器中开发了Web站点。本站点采用ASP.NET进行开发，采用Microsoft SQL Server 2005 作为链接数据库。
（3）C/S和B/S接口。C/S和B/S接口程序安装在服务器中，它由Microsoft Visual C 6.0开发，一共有4个接口程序，分别为：PLC接口程序（COMPLC）；通用单元接口程序（ComUnit）；教师工作站接口程序（COMTeach）；学生工作站接口程序（COMSTU）。
2.资源控制和管理技术
资源控制和管理技术是实现数据存储和管理、权限并发控制等功能的关键技术。在信息时代，有用的数据集成即是资源，资源按照性质可以分为软资源和硬资源，如学生编译的程序、典型案例等为软资源，而教师工作站、学生工作站、服务器等为硬资源。
（1）软资源控制与管理。软资源的控制与管理依托数据库管理系统（DBMS），在Microsoft SQL Server 2005中基于SQL数据库引擎，提供了存储过程、数据函数、数据表、数据视图等数据管理工具和方法，通过选择不同的管理形式对软资源进行管理。如学生的程序资源采用了表字段存储的路径＋外存储文件的形式进行管理，工作站信息则采用了数据视图进行管理。
（2）硬资源控制与管理。硬资源控制与管理采用独立开发的权限管理系统进行管理，也采用Microsoft Visual C 6.0进行开发。其管理流程大致为：先把各个学生工作站的IP地址、对应的PLC识别信息、PLC的状态信息等存储到数据表中，并通过点对点监听程序对PLC的状态进行监测，一旦发现PLC为运行状态，则触发数据库的存储过程，置对应的学生工作站权限表数据为1，其他工作站权限为0。
3.系统集成和优化技术
要实现资源开放与共享功能离不开系统集成和优化技术，本设计的系统集成包括：（1）系统的12个仿真模型通过基于RS-232C串行接口的现场总线进行集成，现场总线的协议采用了国际有名的MODBUS通讯协议，使资源数据传输更具实时性。（2）软资源的集成通过Microsoft SQL Server 2005数据库开发，采用基于以太网的C/S网络设计，加强了资源的共享性；（3）学生工作站的集成通过Web站点的开发，结合数据库管理和安全设计，实现了基于B/S的网络资源开放性；（4）资源配置的优化管理采用独立的权限管理系统，实现并发控制和仿真模型的优化利用。其设计的集成和优化策略如图3所示。
四、应用研究
经过精心的设计与构架，不但使本实训室的功能达到并超过了教学的需求，同时节约投资达30％。本实训室是浙江省省级示范实训基地建设的重要内容，其成功开发可为电气自动化专业、机电一体化专业、发电厂及电力系统专业和数控专业服务。本系统自运行以来性能稳定，可完成PLC课程的实验实训、维修电工（中级、高级）PLC部分的培训/考核、PLC培训、毕业设计、创新制作等教学及实践任务。具有PLC和变频器设计、安装、调试、检修等多种技能实训功能，可实现仿真化、信息化、网络化实训教学和真实职业技能训练；具有教师、学生进行电气控制技术实训、产品研发及教学研究功能；可承担职业院校、企业、技能鉴定站/所的PLC、变频器、电机与电气控制实际操作和技能鉴定考核。为学生课程设计、课外科技活动、PLC设计竞赛和毕业设计等提供了场地。
参考文献：
[1]Information Systems and Control Foundation[S].IT Governance Institute.COBIT3rd Edition Control Objectives,2000-7.
[2]李乃夫.可编程控制器原则·应用·实验[Ｍ].北京:中国轻工业出版社，2005：22-27.
[3]American Institute of down-to-earth quality of learning.Microsoft SQL Server 2005 Based Technology[Ｍ]. World Book Publishing Company，2007.
[4]余金山.SQL SERVER 2000 编程指南[M].北京:北京希望电子出版社,2001.
[5]Matthew Macdonald. ASP.NET完全手册[M].北京:电子工业出版社, 2003.
（编辑：金冉）