摘要：本文詳細地介紹了基于Internet的分布式遠程聯合實驗室控制管理系統，該系統由泓格基于Windows CE.NET實時操作系統和RISC CPU的WinCon-8000嵌入式控制系統及相應的I/O模塊集成，實現了實驗裝置的共享及實驗現場控制和管理的無縫連接，達到了將先進的現場工業監控技術應用于教學和提高高校教育資源使用效益的目的。 關鍵詞：遠程實驗室 WinCon-8000 分布式控制 介紹 “遠程實驗室軟件系統”是整合通信、自動控制、仿真和人工智能信息處理等技術而研發的軟件產品，包括構建在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域的應用功能模塊。目前完成的應用功能模塊是以單元過程為對象，其應用領域包括化學工程、環境工程、食品工程、石油與天然氣工程等過程工程學科的本科教育。該系統已經成功應用于浙江大學化工原理實驗遠程教學基地，浙江大學已有自動化、過程設備與控制、化學工程與工藝、制藥工程、生物工程、環境工程、環境科學、藥劑專業等八個專業的約1200 名學生使用了該系統，受到了師生的普遍歡迎。 目前，浙江大學、華東理工大學、青海大學準備共同組建中國教科網上的第一個分布式遠程實驗室——化工原理校際聯合遠程實驗室。通過該系統把三個學校的化工原理實驗教學優質資源整合，實現資源共享，提高教育資源的使用效益，促進東西部高等學校之間的合作，支持國家的西部大開發戰略。 浙江大學本著讓學生對先進的工業現場監控技術有感性認識的思想，希望將嵌入式系統的解決方案應用于下一階段的實驗室建設。泓格科技股份有限公司擁有先進的嵌入式控制系統以及配套的支持各種現場總線的I/O 模塊，能夠提供系列化的成套產品。浙江大學和作為遠程實驗室軟件開發商的浙大合力科技有限公司對泓格的系列產品做了深入的考察，但之前沒有合作基礎，因此在分布式遠程實驗室正式建設之前，希望能先進行試驗。浙江大學、浙大合力、泓格三方進行了協商，一致同意使用泓格饋贈的嵌入式產品建設一個樣板實驗，如果試驗結果符合要求，則在即將建設的分布式遠程實驗室項目中推廣。 浙江大學選擇了管內強制對流傳熱膜系數測定實驗作為樣板實驗，并提供了所需要的實驗設備、傳感器和控制執行機構，泓格公司無償贊助提供以下產品： （1）W-8731 WinCon 嵌入式控制器1 套； （2）I-87017 8CH 模擬量輸入模塊1 套； （3）I-87018 8CH 熱電偶輸入模塊1 套； （4）I-8024 4CH 模擬量輸出模塊1 套； （5）I-8054 8CH DI, 8CH DO 模塊1 套。 浙大合力公司無償贊助提供以下產品： （1）管內強制對流傳熱膜系數測定實驗嵌入式測控服務器軟件1 套； （2）管內強制對流傳熱膜系數測定實驗學生客戶端軟件1 套； （3）數據交換服務器軟件1 套； （4）管理監控工具軟件1 套。 經過三方合作努力，該樣板工程于2004 年5 月通過驗收，驗收結果顯示系統總體指標符合原設計要求，系統整體運行良好，達到教學要求。 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α1，測定原理是根據套管換熱器內管的長徑比很大，在冷卻水足夠的情況下內壁面溫度變化較小，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： 其中皆為均值，空氣物性參數的定性溫度取為，空氣物性參數的定性溫度取為，T 取 的算術平均值， 的算術平均值， 為管的內表面積，由裝置確定，G 可通過測量孔板流量計兩邊的壓差由公式來求得。 下面是整個實驗的裝置圖，上面標明了測量點和控制點： 實驗共有風氣出口溫度和壓力，空氣流量，空氣入口溫度，空氣出口溫度，水管壁兩側溫度，水進出口溫度9 個測量點，電源開關控制，風機開關控制，空氣流量調節閥門控制，空氣加熱器溫度控制，水電磁閥控制5 個控制點。以上屬于開關控制的有：電源開關控制，風機開關控制，水電磁閥控制，連續控制的有：空氣流量調節閥門控制，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，流量誤差在0.0003 以內。 系統架構 根據Internet 應用程序的特點及要求并考慮到系統可靠性、安全性、穩定性、使用的方便性以及系統維護等因素，遠程實驗室系統設計了由客戶端、嵌入式控制子系統、實驗信息服務器、子網服務器、遠程預約服務管理，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測實驗設備，完成實驗操作；子網服務器提供用戶、嵌入式控制子系統和實驗信息服務器相互間的實時數據通信服務，是分布式遠程實驗室子站點的樞紐設備；嵌入式控制子系統完成實驗設備現場的測控服務，并提供設備安全保障；而遠程實驗室系統調度和數據服務工作則由實驗信息服務器完成。 泓格WinCon-8000 是具有Intel Strong ARM CPU 芯片，運行Windows CE.NET 操作系統的嵌入式平臺。與標準的 Window OS 相比，Windows CE.NET 具有許多優點，包括硬實時能力、很小的內核、引導速度快、深層次中斷處理、確定的控制性以及低成本等。同時提供應用開發者有足夠的發展平臺例如Networking，Internet Service，Web server，FTP server，DCOM，.NET Compact Framework 等軟件包，讓系統開發者可以將更多的時間花在應用程序的開發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 兩種開發工具，編譯過的Managed code 通過與.NET Compact Framework 結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的嵌入式控制系統平臺。W-8731 具有七個I/O 插槽，應用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，壓力信號采集應用I-87017 8CH 模擬量輸入模塊，開關控制則采用I-8054 8CH.DI, 8CH DO 模塊。 嵌入式控制系統軟件移植開發 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 的測控子系統移植帶來了極大的方便。遠程實驗室嵌入式控制系統主要的事務分為：數據采集、設備控制、對實驗信息服務器數據庫的實時訪問、與子網服務器的數據交換以及與教師端（提供教師監控學生實驗操作，并可以隨時進行指導）的監控通訊五項。泓格公司提供I-8000 系列產品的同時也提供了相關的SDK，簡化了數據采集和設備控制的編程工作，使測控子系統的移植工作重心轉移到了對實驗信息服務器數據庫的實時訪問和與子網服務器的數據交換上。由于SQL SERVER CE2.0 配置的復雜性及其需要其他軟件的支持，因此采用TCP/IP 與實驗信息服務器通訊的方式來解決，而這種解決方式的另一個優點就是能重構與子網服務器數據交換的網絡通訊代碼，從而又能進一步減少工作量，而Windows CE.NET 的網絡API 采用了Winsock2.0，這為滿足教師端監控功能而采用的重疊模型提供了保證。 結論 傳熱遠程實驗樣板裝置建設后，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 就能集成到遠程聯合分布式實驗系統中，提高了裝置的使用效益。 WinCon-8000 控制器具有工業計算機的標準接口，能滿足工業控制上的需求，同時因為使用RISC 低消耗CPU，及無磁盤、無風扇架構的特性，具有更好的防塵、防震、防潮性，比工業計算機更能承受化工實驗室實驗現場的惡劣環境， 以及實驗裝置時開時停的問題。 基于WinCon-8000 嵌入式控制系統的遠程實驗室系統應用于浙江大學化工原理實驗教學后，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、 浙大合力產品手冊； 2、 泓格產品手冊； 3、 吳嘉等，化工原理仿真實驗，北京，化學工業出版社，2001。