基于云的可组态PLC实验评判系统设计

张世荣， 童 博

（武汉大学电气与自动化学院，武汉430072）

0 引 言

可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）编程简单、灵活，价格适中，可靠性高［1］，是工业领域自动化系统应用最为广泛的控制装置。目前，国内大部分高校自动化本科专业培养方案都将PLC 列为专业必修（选修）课程，并配套开设了课时数较多的教学实验。在实验平台建设方面，网络化实验、远程实验和虚拟实验是PLC 实验平台改革的新方向。崔桂梅等［2］设计了基于PROFIBUS-DP 和工业以太网的西门子PLC网络化实验平台。董天放［3］选用S7-1200 ／1500 PLC设计并实现了涵盖管理级、控制级和现场级的3 级网络综合实验平台。为了打破地域限制，使学生能加方便地使用实验室，PLC 远程实验应运而生。Saygin等［4］设计了基于Web的远程PLC实验室，学生可以通过Internet 远程使用该实验室，完成制造自动化实验。Buinac等［5］将Web技术与PLC结合，实现了工业过程控制系统的远程实验。Aydogmus 等［6］利用PLC和Matlab OPC Server搭建了基于网页的远程实验系统。孙蓉等［7］利用Windows 的远程桌面功能建立了基于西门子PLC 的远程教学平台。胡慧慧等［8］结合校园网的实际情况，以西门子PLC 作为核心实验设备，结合交换机、网络摄像头和服务器等网络设备设计构建了一套完整的远程实验平台，可实现实验预约、远程在线实验、实验报告提交和审阅以及后台管理维护等一系列功能。虚拟PLC实验室的出现，进一步提高了实验的灵活性，并能有效节省实验教学成本。王超［9］以组态软件为平台设计了虚、实结合的PLC 实验平台。李继芳等［10］基于Wed3D、数学建模及PLC 仿真软件，实现了全虚拟及半虚拟PLC 实验。许雯娜等［11］针对三菱PLC，结合PLC 编程软件、OPC 接口软件和组态软件实现了全虚拟的仿真教学平台。

在实验对象研制方面，充分体现了行业特征和对象的多样性。例如，汤伟等［12］设计了适合PLC实验的过程控制实验平台；陈毓莉等［13］设计了带触摸屏的PLC试验台。

可见，目前PLC实验室建设只着眼于实验平台和实验设备建设方面，但在实验案例建设、结果评判等方面还远远不够。PLC 课程注重学生实践能力的培养，故配套的实验时数多，实验内容繁杂。自动评判在各种在线测试系统中早已开始使用，例如课程设计［14］、C语言程序设计［15-16］等；但在文献中尚未有针对PLC 实验结果进行自动评判的研究报道。本文基于云平台设计可组态式PLC实验结果自动评判系统，旨在将指导教师从繁琐的评判工作中解脱出来，并为学生提供更加准确的评判结果和更加丰富的实验反馈。

1 基于云的评判系统设计

1.1 系统总体构架

PLC是一门应用性强的课程，必须充足的课程实验以培养学生的实践动手能力，实验室是PLC 课程建设的重点内容。目前某些高校采用虚拟化理念建设PLC实验室，充分利用其成本优势和灵活性特征。虚拟化实验不适合首次接触PLC 的本科生，这样会让他们缺乏对PLC的直观认识，难以消除对新控制器的神秘感。在建设自动化专业的PLC 实验室时，仍采用传统模式，配备了S7-1500 PLC、试验箱和编程计算机，在图1 中标注为本地实验室。

图1 基于云的PLC实验评判系统总体结构

本文设计的基于云的结果自动评判系统如图1 所示。本地实验室路由器连接多台S7-1500 PLC和编程计算机组成局域网，路由器通过Internet连接云服务器，实验开始后服务器将实时采集并存储学生的实验数据，这些数据可用于过程回放并作为结果评判的依据。本文选用阿里云服务器ECS 搭建云端评判系统，ECS配置如下：CPU4 核，内存8GB，操作系统Windows Server 2008 R2 企业版。ECS安装Apache以完成Web服务器功能，并安装MySQL数据库对系统数据进行存储和管理。教师和学生都通过Web 访问云端评判系统，以完成各自角色所赋予的定制功能。

1.2 系统功能设计

（1）用户管理。系统设计了用户管理功能，以管理指派了实验任务的班级和学生；系统同时也对指导教师进行管理。用户管理的基本功能和实现方式与一般管理系统类似。

（2）实验组态。这是为指导教师定制的功能，在Web页上的操作完成，用于对多个实验进行配置和组态。指导教师利用此功能，可以新建、编辑、复制、删除实验，并组态每个实验所需的开关量时序和模拟量波形。为了便于指导教师检查组态的合理性和正确性，组态时序和波形还可以以曲线簇的形式显现出来。从结果评判的角度上看，实验组态给出了每个实验的标准答案。

实验组态是结果评判系统的核心环节，会随着实验项目的增减及控制功能的升级而变化。若采用传统单机版形式，则每次修改都需要在各台电脑上进行升级，这样会带来大量的工作量且极易导致版本混乱。采用云平台，则每次修改只需对云服务器上的组态数据进行升级皆可。且可以方便收集和管理多人次的实验结果，通过对这些数据的进一步分析和挖掘可以发现学生对PLC课程学习的规律，将有助于提升课程的学习效果。

（3）学生实验管理。学生用此功能模块登记管理每个实验，以便系统进行有效的数据采集和存储。此功能通过Web页完成，学生需要选择或填写确认的信息见表1。为了便于表述，以“交通灯PLC 控制”实验为例进行说明。在PLC 实验数据读取时，选用OPC UA开放性协议，IP地址或链接地址是云平台连接S7-1500 OPC UA服务器的必备参数。PLC程序的运行与其外部接线密切相关。若指定外接线顺序，必然会简化平台设计，但也会限制学生程序设计的自由，干扰实验过程。表1 中的接线指定则可以在不影响学生实验的同时，建立实际接线与实验组态信号之间的对应关系。

表1 学生实验管理信息

（4）数据传输与管理。数据传输是本系统的纽带，如图1 所示，S7-1500 PLC、编程计算机通过路由器组成局域网，局域网通过Internet 连接阿里云ECS 服务器。编程计算机通过登录Web 网站完成实验信息提交、结果查询和错点分析等功能，ECS服务器上运行的OPC UA客户将连接S7-1500 的内置OPC UA 服务器远程访问PLC实验数据。

（5）结果评判。通过数据传输和管理，学生的实验数据都存入MySQL 数据库。当学生完成实验并提交后，调度程序将启动评判功能模块进行结果评判，给出评判分数，并标记错点。

2 基于OPC UA的系统通信

系统包含了多个模块，且这些模块分布在就地实验室和云端，通信是系统的数据纽带，合适的通信规约是系统的关键之一。选用OPC UA规约，它是OPC 基金会近年提出的OPC统一架构［17-18］，它将OPC Classic规范的所有功能集成到一个可扩展框架中。OPC UA与平台无关，可运行于嵌入式设备，具备从传感器到云的可扩展性。在SIMATIC S7-1500 控制系统中集成了OPC UA服务器功能，可以实现基于OPC UA 的完整M2M通信。用户不仅可以读取或写入控制系统的OPC UA 变量，还可通过OPC UA 启动复杂的功能序列。

在图1 所示的系统配置中，按照以下步骤即可实现云端OPC UA 客户与S7-1500 OPC UA 服务器的连接和数据获取：

步骤1在编程计算机中启动Tia Portal软件并创建PLC项目。

步骤2在项目中添加对应的PLC选型并配置组态信息，主要是IP地址配置。

步骤3若就地实验室分配了公网IP地址，则需要在路由器中配置好S7-1500 PLC 的端口映射，这样云端客户就能远程连接S7-1500 OPC UA服务器。

步骤4若实验室路由器未分配公网IP，则云端OPC UA客户无法直接连接S7-1500 PLC，但可以借助花生壳等内网穿透软件来实现连接。在编程计算机上安装花生壳客户端软件，将S7-1500 PLC 的内网IP 及端口与花生壳提供的外网IP 和域名进行对应配置。配置成功后，云端OPC UA 客户即可利用花生壳生成的访问地址（例如：20873a00x1． imwork． net：44116）连接S7-1500 PLC。

步骤5云端调度程序查询到学生的实验请求后，将启动一个线程来连接此实验所用的S7-1500 PLC。若本地路由器有公网IP，则采用类似如下的URL：＂ opc． tcp：／ ／ 202． 114． 102． xx＂ 连接S7-1500 PLC OPC UA；若实验室采用花生壳软件，则S7-1500 OPC UA 服务器的URL 将具有如下形式＂ opc． tcp：／ ／20873a00x1． imwork． net：44116＂。云端OPC UA 客户线程成功连接S7-1500 PLC后，按照表1 所填的“接线指定”读取或订阅数据。实验结束后，调度程序结束对应线程，释放程序资源。

云端OPC UA客户程序的设计可以采用多种SDK完成，在VS 2012 平台上使用OpcUaHelper SDK 来设计云端OPC UA 客户程序。OpcUaHelper 是一个通用的OPC UA客户端类库，基于官方OPC UA 基金会跨平台库创建，封装了节点读写、批量节点读写、引用读取、特性读取、历史数据读取、方法调用、节点订阅、批量订阅等操作。

3 实验组态及管理

云端评判系统中，教学实验可组态，具备开放性特征。实验组态即按照实验目标生成输入、输出端口的时序曲线，这些曲线将作为学生实验结果评判的标准答案。

为方便实验案例的组态，设计了基于Web的波形编辑器，指导教师可以方便地组态实验。指导教师首先分析用自然言语、图表或曲线描述的实验要求，然后使用波形编辑器编辑标准实验结果曲线，包括实验所需的所有开关量输入、模拟量输入、开关量输出和模拟量输出曲线。编辑器同时提供复制、粘贴、修改等功能，指导教师通过复制并进行少量修改即可组态生成近似的实验结果。

为了便于将实验组态存入数据库中，将实验结果的全程波形分解为多个“段”，各“段”按时间顺序串联起来；每个“段”的波形用预设的几种基本波形模式描述。图2 为开关量和模拟量分别预设了7 种基本波形模式。选取模式及时间幅值参数，PLC 控制器的任何开关量、模拟量波形都可以用这些基本波形合成。这样一来，数据库只需存储数量不多的时间和幅值参数即可呈现出实验结果的全程波形。

图2 信号基本波形模式

以“交通灯PLC 控制”实验为例来具体化实验的组态过程。表2 为“交通灯PLC 控制”实验所需的所用控制信号，除Q 启动为输入信号外，其余灯的控制信号皆为输出。

表2 交通灯PLC控制实验的控制信号

分析实验的控制功能可知交通灯控制为循环过程，其一次循环的输入输出信号时序如图3 所示。实验组态时只需对单次循环波形进行组态，再将单次循环波形重复执行即可呈现出实验的全程波形。按照波形特征，图3 所示波形可以分为6 个“段”，记为S1 ～S6。利用基本波形模式及其参数，图3 所示波形被简洁地描述为表3 所示实验组态，且表3 非常适合数据库的存储和管理。组态完成后，实验组态将被存入云端MySQL数据库。模拟量波形的描述与开关量类似，只是每个段所存储的参数稍多。为了便于及时检查和修正波形组态，编辑器还能及时显示波形组态，实现“所见即所得”。

图3 交通灯PLC控制实验的信号时序

表3 交通灯控制实验组态

4 实验过程及结果评判

4.1 实验过程

指导教师首先在系统中组态好实验，系统将标准结果曲线存入数据库。再将需要开展实验的班级和学生姓名导入系统，学生即可利用系统进行实验记录和自动结果评判了。

学生进入实验室按照安排就座后，需要登录部署在阿里云ECS 上的网站系统并填入表1 所示的管理信息，系统成功验证学生实验信息后将其写入数据库。云端调度程序通过查询数据库获得实验请求后，即启动一个OPC UA 客户线程，并用此线程连接对应S7-1500 OPC UA服务器并完成数据读取。

信息登录成功后，学生即可利用S7-1500 PLC 连接实验箱并完成实验内容。此阶段评判系统透明化，完全不影响学生的实验过程，也不约束学生的编程思想。评判系统仅在后台实时采集学生实验时的输入、输出数据，并存入对应的数据表中以供后续结果评判。

4.2 结果评判

由于不对学生接线进行限制，故同一个实验其结果也不尽相同，取决于不同的输入、输出接线顺序。因此，云端评判系统采集的实验数据尚不能直接用于结果评判，需要先进行“去接线化”处理。在表1 中指明了接线代表的物理意义，利用该信息即可对原始采集数据“去接线化”。去除接线带来的影响后，实验数据与标准曲线所代表的信号意义完全相同，才可以进行对比判断。去接线化后，实验结果数据首先与标准曲线同步时标，再进行比对完成实验结果的评判。在评判的同时，还需要将存在差别的时标点记录下来，以便进行错点分析。

实验评判完成后，学生可以从Web页查看评判结果和错点，页面用不同颜色的曲线呈现标准曲线和实验曲线，以辅助学生查找问题，加深对实验的理解。以上基于比对的评判方法适用于开关量逻辑控制系统，目前已经在评判系统上实现并开始试运行。而模拟量系统的评判功能模块则更加复杂，需要与闭环控制系统的性能分析和评估结合起来。在本科阶段，PLC 实验主要针对开关量控制系统开展，而模拟量闭环控制较少涉及，故以上基于曲线比对的评判方法可以解决大部分PLC实验结果的评判问题。

5 结 语

针对PLC实验结果人工评判费时、工作量大且不准确的问题，设计了基于云的自动评判系统。系统以阿里云ECS 为平台，结合OPC UA 协议、Web 服务和数据库管理。在系统框架设计基础上，设计了云端多线程OPC UA客户程序，远程连接S7-1500 OPC UA服务器以实时获取学生的实验数据。实验的可组态性将评判系统打造成为了一个开放平台，具有较好的扩展性。本系统可以大大减轻指导教师对实验结果评判的工作量。学生也可以从系统获得更加准确的评判结果和更加全面的反馈信息，以加深对实验的理解。本文基于云的平台设计、基于OPC UA 的通信规范性以及可组态理念可为其他实验系统提供借鉴，也可以为其他远程监控系统设计提供参考。