基于泓格WinCon-8000嵌入式控制器的遠程實驗室系統(tǒng)

摘要
本文詳細地介紹了基于Internet的分布式遠程聯(lián)合實驗室控制管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由泓格基于Windows CE.NET實時操作系統(tǒng)和RISC CPU的WinCon-8000嵌入式控制系統(tǒng)及相應(yīng)的I/O模塊集成，實現(xiàn)了實驗裝置的共享及實驗現(xiàn)場控制和管理的無縫連接，達到了將先進的現(xiàn)場工業(yè)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)和提高高校教育資源使用效益的目的。

介紹
“遠程實驗室軟件系統(tǒng)”是整合通信、自動控制、仿真和人工智能信息處理等技術(shù)而研發(fā)的軟件產(chǎn)品，包括構(gòu)建在Internet上的分布式遠程實驗室支撐軟件平臺和面向某一具體工程領(lǐng)域的應(yīng)用功能模塊。目前完成的應(yīng)用功能模塊是以單元過程為對象，其應(yīng)用領(lǐng)域包括化學(xué)工程、環(huán)境工程、食品工程、石油與天然氣工程等過程工程學(xué)科的本科教育。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于浙江大學(xué)化工原理實驗遠程教學(xué)基地，浙江大學(xué)已有自動化、過程設(shè)備與控制、化學(xué)工程與工藝、制藥工程、生物工程、環(huán)境工程、環(huán)境科學(xué)、藥劑專業(yè)等八個專業(yè)的約1200名學(xué)生使用了該系統(tǒng)，受到了師生的普遍歡迎。
目前，浙江大學(xué)、華東理工大學(xué)、青海大學(xué)準備共同組建中國教科網(wǎng)上的第一個分布式遠程實驗室——化工原理校際聯(lián)合遠程實驗室。通過該系統(tǒng)把三個學(xué)校的化工原理實驗教學(xué)優(yōu)質(zhì)資源整合，實現(xiàn)資源共享，提高教育資源的使用效益，促進東西部高等學(xué)校之間的合作，支持國家的西部大開發(fā)戰(zhàn)略。
浙江大學(xué)本著讓學(xué)生對先進的工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控技術(shù)有感性認識的思想，希望將嵌入式系統(tǒng)的解決方案應(yīng)用于下一階段的實驗室建設(shè)。泓格科技股份有限公司擁有先進的嵌入式控制系統(tǒng)以及配套的支持各種現(xiàn)場總線的I/O模塊，能夠提供系列化的成套產(chǎn)品。浙江大學(xué)和作為遠程實驗室軟件開發(fā)商的浙大合力科技有限公司對泓格的系列產(chǎn)品做了深入的考察，但之前沒有合作基礎(chǔ)，因此在分布式遠程實驗室正式建設(shè)之前，希望能先進行試驗。浙江大學(xué)、浙大合力、泓格三方進行了協(xié)商，一致同意使用泓格饋贈的嵌入式產(chǎn)品建設(shè)一個樣板實驗，如果試驗結(jié)果符合要求，則在即將建設(shè)的分布式遠程實驗室項目中推廣。
浙江大學(xué)選擇了管內(nèi)強制對流傳熱膜系數(shù)測定實驗作為樣板實驗，并提供了所需要的實驗設(shè)備、傳感器和控制執(zhí)行機構(gòu)，泓格公司無償贊助提供以下產(chǎn)品：
（1）W-8731 WinCon嵌入式控制器1套；
（2）I-870178CH模擬量輸入模塊1套；
（3）I-870188CH熱電偶輸入模塊1套；
（4）I-80244CH模擬量輸出模塊1套；
（5）I-80548CH DI, 8CH DO 模塊1套。
浙大合力公司無償贊助提供以下產(chǎn)品：
（1）管內(nèi)強制對流傳熱膜系數(shù)測定實驗嵌入式測控服務(wù)器軟件1套；
（2）管內(nèi)強制對流傳熱膜系數(shù)測定實驗學(xué)生客戶端軟件1套；
（3）數(shù)據(jù)交換服務(wù)器軟件1套；
（4）管理監(jiān)控工具軟件1套。
經(jīng)過三方合作努力，該樣板工程于2004年5月通過驗收，驗收結(jié)果顯示系統(tǒng)總體指標符合原設(shè)計要求，系統(tǒng)整體運行良好，達到教學(xué)要求。

對流傳熱實驗原理
本實驗是用來測定水 — 空氣在套管換熱器中進行強制對流換熱時空氣的傳熱膜系數(shù)1，測定原理是根據(jù)套管換熱器內(nèi)管的長徑比很大，在冷卻水足夠的情況下內(nèi)壁面溫度變化較小，空氣在操作溫度下物性值變化也不太大，牛頓冷卻定律可變成如下形式：

實驗共有風(fēng)氣出口溫度和壓力，空氣流量，空氣入口溫度，空氣出口溫度，水管壁兩側(cè)溫度，水進出口溫度9個測量點，電源開關(guān)控制，風(fēng)機開關(guān)控制，空氣流量調(diào)節(jié)閥門控制，空氣加熱器溫度控制，水電磁閥控制5個控制點。以上屬于開關(guān)控制的有：電源開關(guān)控制，風(fēng)機開關(guān)控制，水電磁閥控制，連續(xù)控制的有：空氣流量調(diào)節(jié)閥門控制，空氣加熱器溫度控制。
控制范圍：溫度為：20~140oC，流量為：0~0.03kg/s
控制精度：溫度誤差在0.2oC以內(nèi)，流量誤差在0.0003以內(nèi)。

系統(tǒng)架構(gòu)
根據(jù)Internet應(yīng)用程序的特點及要求并考慮到系統(tǒng)可靠性、安全性、穩(wěn)定性、使用的方便性以及系統(tǒng)維護等因素，遠程實驗室系統(tǒng)設(shè)計了由客戶端、嵌入式控制子系統(tǒng)、實驗信息服務(wù)器、子網(wǎng)服務(wù)器、遠程預(yù)約服務(wù)管理，教師客戶端和管理與維護端組成的Client/Server模式方案。
用戶基于客戶端進行遠程控制和監(jiān)測實驗設(shè)備，完成實驗操作；子網(wǎng)服務(wù)器提供用戶、嵌入式控制子系統(tǒng)和實驗信息服務(wù)器相互間的實時數(shù)據(jù)通信服務(wù)，是分布式遠程實驗室子站點的樞紐設(shè)備；嵌入式控制子系統(tǒng)完成實驗設(shè)備現(xiàn)場的測控服務(wù)，并提供設(shè)備安全保障；而遠程實驗室系統(tǒng)調(diào)度和數(shù)據(jù)服務(wù)工作則由實驗信息服務(wù)器完成。
泓格WinCon-8000是具有Intel Strong ARM CPU芯片，運行Windows CE.NET操作系統(tǒng)的嵌入式平臺。與標準的 Window OS相比，Windows CE.NET 具有許多優(yōu)點，包括硬實時能力、很小的內(nèi)核、引導(dǎo)速度快、深層次中斷處理、確定的控制性以及低成本等。同時提供應(yīng)用開發(fā)者有足夠的發(fā)展平臺例如Networking，Internet Service，Web server，F(xiàn)TP server，DCOM，.NET Compact Framework等軟件包，讓系統(tǒng)開發(fā)者可以將更多的時間花在應(yīng)用程序的開發(fā)和控制邏輯的完善上。而且WinCon-8000的編程即可以在PC上選用微軟的Visual Studio.NET，它包含了Visual Basic.NET和Visual C＃.NET兩種開發(fā)工具，編譯過的Managed code通過與.NET Compact Framework結(jié)合再將程序下載至控制器上，或者也可以使用Embedded Visual C++來編譯，以上的編程方式，除了微軟所提供的Windows CE Standard SDK，ATL， ActiveX Component，MFC，DCOM，.NET Compact Framework外，泓格公司還提供了WinCon-8000 SDK用來控制I-8000，I-87K及I-7000 I/0模塊。
由于Wincon-8000功能強大且編程簡單方便，因此，我們采用Wincon-8731作為遠程實驗室系統(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)平臺。W-8731具有七個I/O插槽，應(yīng)用I-8024 4CH模擬量輸出模塊輸出模型信號進行空氣流量和空氣加熱器溫度控制，由I-87018 8CH熱電偶輸入模塊采集溫度信號，壓力信號采集應(yīng)用I-87017 8CH模擬量輸入模塊，開關(guān)控制則采用I-8054 8CH.DI, 8CH DO 模塊。

嵌入式控制系統(tǒng)軟件移植開發(fā)
WinCon-8000系列控制器是基于Windows CE.NET的嵌入式平臺，這給原來運行于Windows 98的測控子系統(tǒng)移植帶來了極大的方便。遠程實驗室嵌入式控制系統(tǒng)主要的事務(wù)分為：數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、對實驗信息服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的實時訪問、與子網(wǎng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換以及與教師端（提供教師監(jiān)控學(xué)生實驗操作，并可以隨時進行指導(dǎo)）的監(jiān)控通訊五項。泓格公司提供I-8000系列產(chǎn)品的同時也提供了相關(guān)的SDK，簡化了數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制的編程工作，使測控子系統(tǒng)的移植工作重心轉(zhuǎn)移到了對實驗信息服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的實時訪問和與子網(wǎng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換上。由于SQL SERVER CE2.0配置的復(fù)雜性及其需要其他軟件的支持，因此采用TCP/IP與實驗信息服務(wù)器通訊的方式來解決，而這種解決方式的另一個優(yōu)點就是能重構(gòu)與子網(wǎng)服務(wù)器數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)通訊代碼，從而又能進一步減少工作量，而Windows CE.NET的網(wǎng)絡(luò)API采用了Winsock2.0，這為滿足教師端監(jiān)控功能而采用的重疊模型提供了保證。

結(jié)論
傳熱遠程實驗樣板裝置建設(shè)后，裝置總體性能指標較高，空氣和水溫度計量精度達到±0.3℃，流量測量精度達到2%，空氣溫度控制精度達到±0.3℃，流量控制精度達到5%，系統(tǒng)整體運行良好。同時，該實驗裝置的地理位置不受限制，只要能連接到Internet就能集成到遠程聯(lián)合分布式實驗系統(tǒng)中，提高了裝置的使用效益。
WinCon-8000控制器具有工業(yè)計算機的標準接口，能滿足工業(yè)控制上的需求，同時因為使用RISC低消耗CPU，及無磁盤、無風(fēng)扇架構(gòu)的特性，具有更好的防塵、防震、防潮性，比工業(yè)計算機更能承受化工實驗室實驗現(xiàn)場的惡劣環(huán)境， 以及實驗裝置時開時停的問題。
基于WinCon-8000嵌入式控制系統(tǒng)的遠程實驗室系統(tǒng)應(yīng)用于浙江大學(xué)化工原理實驗教學(xué)后，得到了師生的一致好評，被認為在概念和實踐上都具有先進性和前瞻性，具有很高的推廣價值。


參考文獻
1、浙大合力產(chǎn)品手冊；
2、泓格產(chǎn)品手冊；
3、吳嘉等，化工原理仿真實驗，北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2001。