摘 要：论文依托高校PLC实验室建设项目，设计与实现满足教学与科研需求的基于WinCC Web Navigator的PLC远程实验室系统。该系统较好地融合和运用了计算机自动控制技术、网络通信技术、监控技术、多媒体技术、网络数据库技术，具有重要的现实意义。论文着重研究和讨论了远程实验系统硬件和软件结构设计以及远程实验室网站的设计与实现。
关键词：远程实验室；WinCC Web Navigator；工业以太网；网站； 1 引言
21世纪的当今社会是一个信息爆炸的社会，科学技术突飞猛进，尤其是在上个世纪中叶计算机发明以后，整个世界发生了翻天覆地的巨变，由计算机组成的网络(Internet)已经遍布世界各地的每个角落，娱乐在网上，购物在网上，网络已经深入到了每个人的生活中。教学在这场变革中也随之发生了巨大的变化，教室中的黑板粉笔逐步被电脑和投影仪所取代，作为教学环节中必不可少的实验也必需顺应社会的进步而进行变革，尤其是在各大高校纷纷扩招，实验室建设耗资巨大的今天，如何提高实验室利用率，如何有效的管理实验室成为现代教学急待解决的问题。为了解决这一棘手问题，人们提出了基于计算机、通讯、多媒体、计算机仿真等技术的\"远程实验\"。远程实验是指用户通过局域网（如校园网）或Internet做实验。提供远程实验的环境称为远程实验室。远程实验室除了包含远程实验之外，常常还提供了实验相关帮助信息、实验背景介绍和学术交流平台--网站等。
基于WinCC Web Navigator远程实验室建设就是在以上两种思想的基础上提出的，依托南京理工大学自动化学院正在建设的工业控制综合训练平台为背景，以PLC远程实验室系统为核心，建设一个用来辅助教师和学生进行具体课程的教和学的网站，并通过WinCC Web Navigator来实现对实验室设备的远程访问、监控的目的，使学生可以通过局域网或者Internet做实验，实验管理老师可以通过网站发布实验信息，管理学生实验。
2 基于WinCC Web Navigator的PLC远程实验室设计与实现 2.1基于WinCC Web Navigator的PLC远程实验室简介
基于WinCC Web Navigator远程实验室，是基于飞速发展的Internet网络，利用计算机自动控制技术、网络通信技术、仿真技术、多媒体技术、网络数据库技术以及Web技术等组成的网上远程高级控制系统，解决了工程实验教学中实验装置网络远程控制问题，为高等工程实验教学实现在Internet上的远程化提供了一套完整的解决方案。
基于WinCC Web Navigator远程实验室的应用包括：
• 丰富教学内容
综合利用计算机技术，可以完成在传统教学中无法实现的实验条件和实验内容，丰富实验教学内容，结合Internet网络技术，突破传统的实验教学模式，提高实验教学质量。同时为实验教学远程化提供了新颖的思路。
• 解决远程教育中实验教学问题
远程教育的兴起，如何实现实验远程化教育是一个极大难题，基于Web的PLC远程实验室系统为远程教育的实验教学提供了一套完整的解决方案，促进远程教育的发展，具有极大的社会效应。
• 提高设备资源的利用率
本系统是一个完全自动化远程实验教学系统，在实验过程中，系统将自主完成整个实验服务，无需实验室管理人员介入。接入基于WinCC Web Navigator远程实验室的任何实验装置将提供24小时自动服务，从而提高设备的利用率。
• 提供设备资源广泛共享
基于WinCC Web Navigator远程实验室是基于Internet网络技术的产品，不仅为本校学生提供教学服务，同时可以为没有设置资源和不具备建立实验教学硬件资源环境的大专院校提供远程教学环境，形成资源广泛共享。
2.2 基于WinCC Web Navigator的PLC远程实验室硬件结构设计
基于WinCC Web Navigator远程实验室硬件由以下几部分组成：可视化单元，控制单元，监控服务器，实验服务器，以及构建网络的设备如路由器等。本文开发的基于WinCC Web Navigator远程实验室模拟工厂实际的网络拓扑结构，其硬件结构如图2.2.1所示，为了模拟一个企业具有多个在同地或异地的分厂和车间，系统设计了多层网络结构，各部分的功能简述如下：
图2.2.1 基于WinCC Web Navigator远程实验室硬件结构图
（1）控制单元：即图2.2.1中位于自动化网络的SIMATIC S7系列的PLC。S7系列PLC的作用是进行过程控制，为可视化单元提供过程数据，并接收来自可视化单元的控制命令。
（2）监控服务器：它有两个功能，其一是运行常规监控系统功能的现场监控软件，它与连接在现场总线上或工业以太网上的实验设备对象进行通信，进行现场监控工作，并且将必要的检测数据、统计数据
等存入数据库；另一功能是作为监控服务器，它接受远程客户的命令和参数，并对这些命令进行解释执行，将远程客户所需的数据或者命令的执行结果反馈给远程客户。
（3）实验服务器：即图2.2.1中的位于实验室网络的Web服务器，数据库服务器。其中，Web服务器，是为用户提供远程实验服务功能的网站服务器，当远程用户需要进行远程操作时，通过身份验证登录到此网站，下载相应的页面，就可以进行远程操作。数据库服务器，用于存放实验设备运行的实时数据和历史数据。
（4）网络设备：即图2.2.1中分层网络之间的网络互联设备。交换机用于连接基于商用以太网的办公室网络和基于工业以太网的实验室网络。路由器用于连接本地网络和远程网络。
（5）可视化单元：即图2.2.1中位于远程网络的Web客户端。它们是具有Web浏览器的个人计算机，无需安装任何专业软件，只须下载相应的监控界面后，即可进行远程实验操作。
2.3 基于WinCC Web Navigator的PLC远程实验室软件结构设计
基于WinCC Web Navigator远程实验室软件主要分为Web服务器、客户端实验平台、数据库设计三个部分。各部分结构如图2.3.1所示：
图2.3.1 基于WinCC Web Navigator远程实验室软件结构图
（1） Web服务器是远程客户端与实验服务器的接口，作者采用Tomcat这个软件来搭建，在Web服务器运行作者设计的网站，供用户浏览信息、注册，登陆远程实验室，并为实验室管理员提供用户信息，方便管理以及安排实验。
（2） 数据库设计主要包括两个功能：第一，存放网站用户信息、公共信息等。第二，为远程实验室管理员提供设备报警信息、用户实验历史记录信息等。
（3） 客户端实验平台主要是接受远程客户的命令和参数，并为用户提供过程监控画面，并把必要的数据归档存入数据库，以便于生成过程数据趋势图，供给实验者观察。作者采用WinCC Web Navigator设计实验平台，实现对被控对象的远程控制，用户可以通过WinCC Web Navigator客户端来输入各种参数，实现对现场对象的控制，WinCC Web Navigator服务器通过实验室网络把参数传送到控制网络的控制器中。
此外网站采用HTML、JSP实现友好的界面，使用户很快轻松地进入实验中去。由于采用的是C/S模式结构，需要在客户端安装WinCC Web Navigator客户端。
2.4 基于WinCC Web Navigator的PLC远程实验室通讯
（1） 客户端与服务器的通讯
对于上层通讯WinCC Web Navigator提供了两个网络服务程序WinCC Web Navigator Client和WinCC Web Navigator Server，分别用于完成客户端和服务器端的网络通讯功能。在一个支持TCP/IP协议的网络中，无论是局域网或广域网，任意客户机只要安装WinCC Web Navigator Client，均可以与远程实验服务器进行通讯。
（2） 控制网络与上位机的通讯
控制网络与上位机的通讯方式主要利用WinCC提供的SIMATIC Protocol Suite（通讯驱动程序），此驱动程序支持多种网络协议和通讯类型，通过他的通道单元提供与各种SIMATIC S7-300和S7-400 PLC的通讯。选择了具体的通道单元，就需要配置不同的通讯网络。基于WinCC Web Navigator远程实验室设计中采用了两种不同的通道单元：工业以太网和TCP/IP、Soft PLC。其中工业以太网和TCP/IP用来与实验室的PLC进行通讯，而Soft PLC则为了与S7-PLCSim仿真软件通讯，这样采用S7-PLCSim仿真软件可以扩充实验室控制网络。
3 基于WinCC Web Navigator的PLC远程实验室网站设计 3.1网站的功能设计
远程实验室系统Web网站是远程实验室系统的数据服务中心，负责向不同权限的用户提供不一样的服务。Web网站提供的功能主要包括：实验室新闻发布功能、用户登录和注册功能、用户管理功能、实验信息查询功能、资料上传与下载功能、远程实验功能。
• 用户登录和注册功能
用户注册，提供注册用户服务；
用户登录，验证用户的信息是否合法，以及验证用户是否属于特定的角色。
• 用户管理功能
用户管理功能，主要是为实验室管理员设计，通过这个功能管理员可以添加、删除用户，为实验申请者安排实验时间等等。
• 实验信息查询功能
实验信息查询功能，包括实验项目查询、实验资料查询，并且为实验申请者设置了实验室时间查询等功能。
• 资料上传与下载功能
下载功能内容包括三个部分：软件、精华文章、教师课件及实验说明书，其中软件和精华文章可以点击连接直接进入下载，教师课件、实验说明书则需要注册用户登录之后才可以下载。 上传功能包括管理员上传软件、精华文章、教师课件及实验说明书，实验者上传实验作业等
• 远程实验功能
远程实验功能是为已注册并已获得进入实验室密码的实验者提供的服务。
3.2 网站设计 3.2.1 首页设计：
首页设计主要目的是为了信息的发布，如图3.2.1所示，其中比较重要的部分是：网上答疑模块、用户登陆模块。
图3.2.1 网站首页
网上答疑模块，主要是积累的一些S7-200，S7-300，Wincc等西门子工控设备的常见问题，以及一些使用经验；用户登陆模块分为两个部分：注册用户登陆、用户注册，其中注册用户登陆包括管理员登陆和普通用户登陆，用户注册。用户注册主要是一个连接数据库的jsp文件，具体流程如图3.2.2所示，如果所输入用户信息符合条件，则把用户信息添加进入数据库，否则返回重新填写。
图3.2.2 用户注册流程图
3.2.2 登陆系统：
登陆系统可以通过首页上的登陆模块进入，分为管理员登陆、普通用户登陆。
图3.2.3 登陆功能流程图
管理员的用户名与密码不是记录在数据库中的，而是记录在jsp代码内部的。当正确的以管理员身份登录后，会出现管理员登录成功的管理界面。至此，便可以进行各种信息管理了，包括用户管理（添加、删除用户），作业管理，实验管理（包括上传实验说明书、实验列表），安排学生实验时间；远程上传、删除教学文档、软件、精华文章，查看设备信息。
3.2.3 文件下载功能：
代码中调用了down.jsp来实现下载，而down.jsp可以结合一个变量filename找到文件的路径。所以建了一个数据库Wendang，表单wendang、jinghua。只需将文件全名传递给down.jsp即可，down.jsp里面已经记录了下载路径，它会自动的把路径加起来提供下载。
因为文档下载页面都采用了读取数据库的办法，所以实现了动态下载效果，只要远程有人上传，数据库就会立即更新，而只要数据库更新了，用户刷新后就会立刻看到新的下载连接。
3.2.4 远程实验室功能：
远程实验室系统可以通过首页登录进入，也包括管理员界面、用户界面两部分。用户界面可以看到实验分类，以及管理员安排的实验时间和分配的登陆ID，学生可以通过这些信息进入所选择的实验进行实验。
图3.2.4 远程实验室登陆流程图
4 基于WinCC Web Navigator的PLC远程实验室远程访问设计 4.1 WinCC Web Navigator实现远程访问的方法
WinCC Web Navigator基于标准HTTP 协议, 并支持所有常规安全机制。WinCC Web Navigator允许用户通过Internet或Intranet对远程设备进行监控甚至操作。Web Navigator包括安装在Server上的Web Navigator Server组件和可运行在Internet计算机上的Web Navigator Client组件。监控WinCC Web Navigator Client上的画面，就如同平常的WinCC系统一样，可以在任何位置监控运行在Server上的工程。在一个支持TCP/IP协议的网络中，无论是局域网或广域网，任意客户机只要安装WinCC Web Navigator Client，均可以与远程实验服务器进行通讯。
要使用Web Navigator Server，需要在服务器上安装IIS（Internet Information Service）,然后安装Web Navigator Server，最后安装授权。软件安装完毕后，就可以组态Web工程了。
组态分以下步骤：
• • • •
组态Web Navigator Server。
发布能够运行在WinCC Web Navigator Client上的过程画面。 组态用户管理。
组态Internet Explorer Settings。
• •
安装WinCC Web Navigator Client。 创建新的过程画面。
（1） 组态Web Navigator Server工程
在服务器端，启动WinCC工程项目，打开Web Configurator对话框，进行Web站点参数设置：设置Web站点的名称为\"WaterControl\"，IP地址为10.2.10.3，端口是网页浏览端口 80。组态完毕后，启动Windows的\"Internet 信息服务\"程序来检查启动的Web站点。
（2） 发布过程画面
在WinCC工程项目中，打开Web View Publisher对话框，首先选择远程发布画面的路径；接下来选择要发布的画面，如图4.1.1所示。接下来再选择要发布的C项目函数和画面引用的位图，最后选中脚本检查，完成Web服务器的组态。
图4.1.1 发布文件选择界面
（3） 组态用户管理
在WinCC工程项目中，打开User Administrator对话框，在user菜单中创建新的用户。创建完毕后，在用户管理器的导航窗口中选中特定的用户，定义对应的起始画面，对应的语言及对应的权限。如是否可以进行工艺画面的编辑，是否可以进行过程数据的归档，是否可以对报警进行确认等。
（4） 客户端访问Web工程
打开IE浏览器，在\"Internet选项\"的\"安全\"属性页中，把\"Script ActiveX Controls Marked Safe For Scripting\"和\"Down Load Signed ActiveX Controls\"的属性设置为Enable。单击OK按钮确认。
（5） 安装Web Navigator Client
在IE的地址栏里输入Web Navigator Server的地址，如果是第一次访问WinCC Web Navigator Server,将会出现WinCC Web Navigator Client下载安装的对话框，下载并在本地安装WinCC Web Navigator Client，成功安装WinCC Web Navigator Client软件后，客户机会被连接到正在运行的服务器工程中，用户定义的起始画面会被显示。远程实验室某个实验在IE中显示的初始Web页如图4.1.2所示。
图4.1.2 初始显示的Web页
4.2 主要组态界面
由于本系统组态及面比较多，在此只选取三张具有代表性的显示界面作为参考。 （1） 控制界面（图4.2.1）
图4.2.1 工业搅拌过程控制界面
（2） 实时数据曲线图界面（图4.2.2）
图4.2.2 实时数据曲线图界面
（3） 历史报警数据界面（图4.2.3）
图4.2.3 历史报警数据界面
5 结束语
论文设计了基于WinCC Web Navigator的PLC远程实验室系统，提出了基于WinCC Web Navigator的PLC远程实验室系统的具体硬件结构和软件的整体设计思路。控制网络采用工业以太网，实现了控制网络与信息网络的融合，本远程实验室系统将为实验教学提供一套完整的解决方案，促进远程教育的发展，具有极大的社会效应
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