張 敬 , 趙先林, 陳 曦, 劉瑞通

(湖南理工學(xué)院 機械工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

基于WEB的PLC遠程對象控制實驗

張 敬 , 趙先林, 陳 曦, 劉瑞通

(湖南理工學(xué)院 機械工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

提出了一種基于PLC的遠程實驗解決方案, 利用PLC及其配套的CP243-1IT通訊模塊, 完成遠程機械手的控制, 實際效果較好.

PLC; 遠程實驗; 機械手

引言

PLC具有高可靠性和穩(wěn)定性, 能在惡劣的環(huán)境下正常工作. 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和PLC技術(shù)的發(fā)展, 利用這一特點, 將之運用于基于WEB的遠程實驗室解決方案, 使學(xué)生能通過網(wǎng)絡(luò)模擬各種實驗, 達到遠程控制的目的, 對其進行研究可以加速遠程實驗室的構(gòu)建. 這樣進行實驗可不受時間和地點的約束, 可以使用戶在任何時間、任何地點通過網(wǎng)絡(luò)進行實驗, 因此有利于學(xué)生實驗室的開放. 同時可以充分利用實驗室資源,減少實驗設(shè)備的購置, 實驗室的維護費用和工作量也會大大降低.

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本研究以氣動機械手做為控制對象, 是基于遠程實驗室而開發(fā)的一套實驗系統(tǒng). 本系統(tǒng)硬件裝置是由西門子S7-224 PLC、CP243-1 IT網(wǎng)絡(luò)通訊模塊, 一臺裝有Win2000 Server操作系統(tǒng)和STEP7-Micro/ WIN32軟件的電腦、網(wǎng)絡(luò)集線器、攝像頭、氣動機械手、Internet網(wǎng)絡(luò)和遠程計算機等構(gòu)成. 如圖1所示.

圖1所示網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng), 包括局域網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)和Internet互聯(lián)網(wǎng)遠程控制網(wǎng)絡(luò), 使局域網(wǎng)和Internet上的遠程計算機通過WEB網(wǎng)頁訪問CP243-1 IT模塊來對PLC及與其相連的機械手進行控制, 同時通過訪問與主服務(wù)器相連的攝像頭, 可以看到機械手的運行狀況, 當(dāng)然也可以通過PLC反饋到WEB網(wǎng)頁上的信息,了解機械手的運行狀況.

圖1 遠程實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 局域網(wǎng)遠程控制的實現(xiàn)

因為CP243-1IT模塊完全兼容CP243-1模塊, 我們將用局域網(wǎng)技術(shù)與CP243-1IT模塊通訊, 通過IT模塊, 將程序經(jīng)網(wǎng)線、交換機傳輸?shù)絊7-224 PLC,并監(jiān)控其運行狀況, 實現(xiàn)局域網(wǎng)機械手的控制. 實踐證明, 通過局域網(wǎng)執(zhí)行程序下載、監(jiān)控等操作, 其速度遠大于本地機械手控制速度. 另一種方式是, 直接訪問Win2000 Server的服務(wù)器, 對其進行編程、監(jiān)控.這里我們具體介紹IT通訊模塊方式.

2.1 硬件連線

具體硬件連線如下: S7-224 PLC與CP243-1 IT通過扁平電纜相接, 輸入電源皆為24VDC, 且共大地,氣動機械手與PLC相連, PLC與主服務(wù)器通過PPI電纜連接; CP243-1IT、主服務(wù)器和遠程計算機接入同一局域網(wǎng), 同時主服務(wù)器上聯(lián)有攝像頭. 這樣構(gòu)成了一個完整的局域網(wǎng)實驗系統(tǒng).

2.2 CP243-1 IT模塊組態(tài)

在主服務(wù)器上打開STEP7-Micro/WIN32, PPI電纜通訊成功后, 進入“工具” “因特網(wǎng)向?qū)А? 點擊“下一步”, 進入界面給IT通訊模塊配置一個IP地址. 點擊“下一步”, 選擇一個連接, 點擊“下一步”, 選擇“此為服務(wù)器連接”, 其余步驟按默認即可. 并將此配置下載到PLC中[1].

完成上面步驟, 相當(dāng)于給PLC分配了一個可遠程網(wǎng)絡(luò)連接的IP地址, 局域網(wǎng)內(nèi)的任何一臺電腦, 都可以通過這個IP地址, 利用STEP7-Micro/WIN32軟件編寫程序, 并監(jiān)控程序的運行狀況.

2.3 局域網(wǎng)下載設(shè)置

設(shè)置PG/PC接口: 選擇自己的網(wǎng)卡通訊TCP/IP Realtek RTL8139/810x ; 然后點擊“通信”雙擊刷新, 就找到了遠程局域網(wǎng)內(nèi)的PLC 224; 完成后, 在遠端就像本地一樣操作、調(diào)試、編程下載、并監(jiān)控程序的運行狀況. 而且局域網(wǎng)傳入速度為100Mbps, 遠大于PPI電纜下載方式.

3 Internet互聯(lián)網(wǎng)遠程控制的實現(xiàn)

互聯(lián)網(wǎng)遠程機械手控制, 是在局域網(wǎng)遠程控制的基礎(chǔ)上, 利用CP243-1 IT模塊通訊功能實現(xiàn)的. CP243-1 IT具有HTTP和FTP服務(wù)器功能, 前面對CP243-1IT進行IP地址組態(tài), 就可以通過WEB網(wǎng)頁訪問與之連接的PLC的寄存器變量, 通過讀寫這些變量來控制機械手的動作. 這里我們通過編程實現(xiàn)了機械手的基本操作, 上、下、前、后、旋轉(zhuǎn)、抓取、放松等動作. 在調(diào)試時可通過主服務(wù)器上的攝像頭觀察機械手的動作, 程序是通過遠程連接至IT通訊模塊下載到PLC中. 并且通過FTP服務(wù)器可將制作的網(wǎng)頁和Java控件上傳到CP243-1IT的文件系統(tǒng)中. 另外, 我們還必須在校園網(wǎng)入口, 做端口映射, 使主服務(wù)器和CP243-1 IT模塊映射到外網(wǎng). 為實現(xiàn)Internet遠程控制, 在局域網(wǎng)控制的基礎(chǔ)上, 還需滿足以下要求.

3.1 虛擬控制界面制作

3.1.1 主界面

要制作控制界面需要用到Dreamweavers軟件和Java語言. Dreamweavers是集網(wǎng)頁制作和網(wǎng)站管理于一身的所見即所得的網(wǎng)頁編輯器. 它是一套針對專業(yè)網(wǎng)頁設(shè)計師特別設(shè)計的可視化網(wǎng)頁開發(fā)工具. 圖2是用Dreamweavers軟件開發(fā)的WEB控制的主界面.

圖2 WEB控制主界面

3.1.2 監(jiān)控界面

Java是Sun公司推出的一種面向?qū)ο缶幊陶Z言. 它是一種通過解釋方式來執(zhí)行的語言, 語法規(guī)則和C++類似. 同時, Java也是一種跨平臺的程序設(shè)計語言. 用Java語言編寫的程序叫做“Applet”(小應(yīng)用程序), 用編譯器將它編譯成類文件后, 將它存在WWW頁面中, 并在HTML檔上作好相應(yīng)標記, 用戶端只要裝上Java的客戶軟件就可以在網(wǎng)上直接運行“Applet”[2].

本文利用到Dreamweavers和Java相關(guān)知識,利用Dreamweavers, 并嵌入Java控件, 編輯網(wǎng)頁,可通過CP243-1IT自身的FTP上傳功能, 或者Dreamweavers的FTP功能, 將做好的網(wǎng)頁文件上傳到CP243-1IT模塊的文件系統(tǒng)中. 這樣就可以從遠端訪問CP243-1IT模塊的文件系統(tǒng)中的網(wǎng)頁, 并操作控制PLC使相關(guān)輔助繼電器的電平發(fā)生變化,達到遠程監(jiān)控的目的[3]. 圖3是PLC寄存器變量監(jiān)控界面.

圖3中Type代表輸出(Q)、輸入(I)寄存器、特殊(SM)寄存器、變量(V)寄存器、輔助(M)寄存器; Data Type中前面所選的寄存器的讀取方式, 包括bit、byte、word、dword四種方式; Offset與bit為寄存器地址的選擇. 例如圖3中第一個值I寄存器, 選擇是byte類型, byte共有8位(bit), 后面Status Value顯示I0.1至I0.7的狀態(tài)值分別為01011001. 通過這種方式我們便可以監(jiān)視每一個變量的狀態(tài).

圖3 PLC寄存器變量監(jiān)控界面

3.1.3 虛擬控制界面

遠程實驗的特點決定了實驗者不能夠直接操作真實的手動輸入輸出設(shè)備. 因此, 設(shè)計了帶有Java Applet和JavaScript的虛擬工作臺, 它具有如下功能:

(1) 由于PLC的輸入不是從遠程計算機進行修改, 輸入的內(nèi)容由虛擬工作臺中的記憶單位所替換;

(2) 如果一個實驗者在其程序中產(chǎn)生了一些錯誤, 受控設(shè)備的活動就是不可預(yù)料的. 為了阻斷錯誤運行的程序并重置受控設(shè)備, 在虛擬工作臺中設(shè)置了一個“暫?！卑粹o, 用于阻斷正在運行的程序, 以及一個“停止”按鈕, 用于啟用CPU的停止模式. 因此周期性中斷組織塊35被啟用, SFC46系統(tǒng)功能被有條件地調(diào)用;

(3) 為了在遠程計算機上直接監(jiān)視PLC的輸入輸出狀態(tài), 在虛擬工作臺中設(shè)置了輸入輸出狀態(tài)指示器. 并實現(xiàn)了輸入輸出狀態(tài)指示器同JavaScript動態(tài)更新.

圖4是遠程實驗系統(tǒng)的控制臺, 雖然界面簡單, 但完全可滿足實驗的要求, 并且可以自定義按鈕, 適應(yīng)各種控制系統(tǒng), 不僅僅是本實驗的機械手的控制. 圖4中輔助繼電器開關(guān)置0或置1代表開關(guān)的“打開”和“關(guān)閉”.

圖4 遠程實驗系統(tǒng)控制臺

3.2 機械手程序設(shè)計

通過西門子公司專為S7-200系列PLC設(shè)計開發(fā)的STEP7軟件即可對PLC進行編程控制, 向PLC中寫入程序. 機械手模型由我們根據(jù)實驗需要設(shè)計而來, 機械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸、氣夾等機械部件組成; 電氣方面有步進電機、步進電機驅(qū)動器、傳感器、開關(guān)電源、電磁閥等電子器件組成. 本機械手模型可以較好的模擬工業(yè)機械手的運行狀態(tài). 在本實驗中即是寫入機械手控制程序. 機械手PLC控制流程如圖5所示.

3.3 端口映射

因為主服務(wù)器和CP234-1 IT模塊都是處于校園網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)中, 而Internet網(wǎng)絡(luò), 屬于外網(wǎng), 所以, 我們必須在校園網(wǎng)服務(wù)器中, 把我們的實驗控制系統(tǒng)的主服務(wù)器和CP234-1 IT模塊的IP映射到外網(wǎng). 這樣沒有防火墻的阻隔, Internet網(wǎng)上的主機就可以訪問系統(tǒng)并控制機械手的運行[4].

圖5 機械手控制流程圖

3.4 主服務(wù)器

主服務(wù)器是裝有Win2000 Server版操作系統(tǒng)的電腦, 該服務(wù)器采用酷睿雙核CPU, 2G內(nèi)存, 加獨立顯卡的高配置電腦組成. 為了滿足遠程實驗的需要, 完善實驗系統(tǒng), 本系統(tǒng)還在主服務(wù)器上, 安裝有攝像頭; 這樣學(xué)生可以在做遠程實驗時, 一邊觀察機械手的運行狀況, 一邊調(diào)試, 達到一種真實的效果. 主服務(wù)器組建了FTP服務(wù)器, 解決了實驗文件, 實驗數(shù)據(jù)共享的問題, 能更好的指導(dǎo)學(xué)生實驗.

4 結(jié)論

(1) 通過CP243-1IT創(chuàng)建基于WEB的遠程實驗室是可行的.

(2) 在遠程實驗系統(tǒng)中, 虛擬工作臺具有實用價值并可使用JavaScript和網(wǎng)頁進行設(shè)計.

(3) 由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t, 遠程實驗室系統(tǒng)不適用于實時性強的場合, 有待提高實效性.

(4) 由于整個系統(tǒng)是基于WEB瀏覽器上, 所以與平臺無關(guān), 具有很高的可移植性.

最后, 通過對基于WEB的PLC遠程控制實驗方法的研究, 將會對遠程控制技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用、科學(xué)研究、遠程教育等方面產(chǎn)生極大的促進作用. 該技術(shù)與企業(yè)網(wǎng)融合, 使企業(yè)的內(nèi)部資源達到優(yōu)化配置, 可使其外部條件達到最佳利用, 在激烈的市場競爭中處于有利位置. 在今后對系統(tǒng)進行改進, 提高實效性, 將會促進整個實驗系統(tǒng)的推廣應(yīng)用.

[1] 宋伯生. 可編程控制器配置[M]. 北京: 中國勞動出版社, 2005

[2] 胡伏汀. Java程序設(shè)計實用教程[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004

[3] 關(guān) 智. 基于Web的PLC遠程實驗系統(tǒng)的研究[D]. 沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士學(xué)位論文, 2007

[4] 陸魁軍. 計算機網(wǎng)絡(luò)工程實踐教程[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005

PLC Remote Control Experiment Based on WEB

ZHANG Jing, ZHAO Xian-lin, CHEN Xi, LIU Rui-tong
(College of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

The paper presents a solution of remote experiment based on PLC. The control on remote manipulator will be accomplished with PLC and related CP243-1IT. Through the examples indicate that the reliability of system is high.

PLC; remote experiment; manipulator

TP241, TP214

A

1672-5298(2010)03-0039-04

2010-05-06

張 敬(1981- ), 男, 湖南岳陽人, 湖南理工學(xué)院機械工程學(xué)院講師. 主要研究方向: 機電一體化控制