基于泓格WinCon-8000嵌入式控制器的远程实验室系统

摘要
本文详细地介绍了基于Internet的分布式远程联合实验室控制管理系统，该系统由泓格基于Windows CE.NET实时操作系统和RISC CPU的WinCon-8000嵌入式控制系统及相应的I/O模块集成，实现了实验装置的共享及实验现场控制和管理的无缝连接，达到了将先进的现场工业监控技术应用于教学和提高高校教育资源使用效益的目的。

介绍
“远程实验室软件系统”是整合通信、自动控制、仿真和人工智能信息处理等技术而研发的软件产品，包括构建在Internet上的分布式远程实验室支撑软件平台和面向某一具体工程领域的应用功能模块。目前完成的应用功能模块是以单元过程为对象，其应用领域包括化学工程、环境工程、食品工程、石油与天然气工程等过程工程学科的本科教育。该系统已经成功应用于浙江大学化工原理实验远程教学基地，浙江大学已有自动化、过程设备与控制、化学工程与工艺、制药工程、生物工程、环境工程、环境科学、药剂专业等八个专业的约1200名学生使用了该系统，受到了师生的普遍欢迎。
目前，浙江大学、华东理工大学、青海大学准备共同组建中国教科网上的第一个分布式远程实验室——化工原理校际联合远程实验室。通过该系统把三个学校的化工原理实验教学优质资源整合，实现资源共享，提高教育资源的使用效益，促进东西部高等学校之间的合作，支持国家的西部大开发战略。
浙江大学本着让学生对先进的工业现场监控技术有感性认识的思想，希望将嵌入式系统的解决方案应用于下一阶段的实验室建设。泓格科技股份有限公司拥有先进的嵌入式控制系统以及配套的支持各种现场总线的I/O模块，能够提供系列化的成套产品。浙江大学和作为远程实验室软件开发商的浙大合力科技有限公司对泓格的系列产品做了深入的考察，但之前没有合作基础，因此在分布式远程实验室正式建设之前，希望能先进行试验。浙江大学、浙大合力、泓格三方进行了协商，一致同意使用泓格馈赠的嵌入式产品建设一个样板实验，如果试验结果符合要求，则在即将建设的分布式远程实验室项目中推广。
浙江大学选择了管内强制对流传热膜系数测定实验作为样板实验，并提供了所需要的实验设备、传感器和控制执行机构，泓格公司无偿赞助提供以下产品：
（1）W-8731 WinCon嵌入式控制器1套；
（2）I-870178CH模拟量输入模块1套；
（3）I-870188CH热电偶输入模块1套；
（4）I-80244CH模拟量输出模块1套；
（5）I-80548CH DI, 8CH DO 模块1套。
浙大合力公司无偿赞助提供以下产品：
（1）管内强制对流传热膜系数测定实验嵌入式测控服务器软件1套；
（2）管内强制对流传热膜系数测定实验学生客户端软件1套；
（3）数据交换服务器软件1套；
（4）管理监控工具软件1套。
经过三方合作努力，该样板工程于2004年5月通过验收，验收结果显示系统总体指标符合原设计要求，系统整体运行良好，达到教学要求。

对流传热实验原理
本实验是用来测定水 — 空气在套管换热器中进行强制对流换热时空气的传热膜系数1，测定原理是根据套管换热器内管的长径比很大，在冷却水足够的情况下内壁面温度变化较小，空气在操作温度下物性值变化也不太大，牛顿冷却定律可变成如下形式：

实验共有风气出口温度和压力，空气流量，空气入口温度，空气出口温度，水管壁两侧温度，水进出口温度9个测量点，电源开关控制，风机开关控制，空气流量调节阀门控制，空气加热器温度控制，水电磁阀控制5个控制点。以上属于开关控制的有：电源开关控制，风机开关控制，水电磁阀控制，连续控制的有：空气流量调节阀门控制，空气加热器温度控制。
控制范围：温度为：20~140oC，流量为：0~0.03kg/s
控制精度：温度误差在0.2oC以内，流量误差在0.0003以内。

系统架构
根据Internet应用程序的特点及要求并考虑到系统可靠性、安全性、稳定性、使用的方便性以及系统维护等因素，远程实验室系统设计了由客户端、嵌入式控制子系统、实验信息服务器、子网服务器、远程预约服务管理，教师客户端和管理与维护端组成的Client/Server模式方案。
用户基于客户端进行远程控制和监测实验设备，完成实验操作；子网服务器提供用户、嵌入式控制子系统和实验信息服务器相互间的实时数据通信服务，是分布式远程实验室子站点的枢纽设备；嵌入式控制子系统完成实验设备现场的测控服务，并提供设备安全保障；而远程实验室系统调度和数据服务工作则由实验信息服务器完成。
泓格WinCon-8000是具有Intel Strong ARM CPU芯片，运行Windows CE.NET操作系统的嵌入式平台。与标准的 Window OS相比，Windows CE.NET 具有许多优点，包括硬实时能力、很小的内核、引导速度快、深层次中断处理、确定的控制性以及低成本等。同时提供应用开发者有足够的发展平台例如Networking，Internet Service，Web server，FTP server，DCOM，.NET Compact Framework等软件包，让系统开发者可以将更多的时间花在应用程序的开发和控制逻辑的完善上。而且WinCon-8000的编程即可以在PC上选用微软的Visual Studio.NET，它包含了Visual Basic.NET和Visual C＃.NET两种开发工具，编译过的Managed code通过与.NET Compact Framework结合再将程序下载至控制器上，或者也可以使用Embedded Visual C++来编译，以上的编程方式，除了微软所提供的Windows CE Standard SDK，ATL， ActiveX Component，MFC，DCOM，.NET Compact Framework外，泓格公司还提供了WinCon-8000 SDK用来控制I-8000，I-87K及I-7000 I/0模块。
由于Wincon-8000功能强大且编程简单方便，因此，我们采用Wincon-8731作为远程实验室系统的嵌入式控制系统平台。W-8731具有七个I/O插槽，应用I-8024 4CH模拟量输出模块输出模型信号进行空气流量和空气加热器温度控制，由I-87018 8CH热电偶输入模块采集温度信号，压力信号采集应用I-87017 8CH模拟量输入模块，开关控制则采用I-8054 8CH.DI, 8CH DO 模块。

嵌入式控制系统软件移植开发
WinCon-8000系列控制器是基于Windows CE.NET的嵌入式平台，这给原来运行于Windows 98的测控子系统移植带来了极大的方便。远程实验室嵌入式控制系统主要的事务分为：数据采集、设备控制、对实验信息服务器数据库的实时访问、与子网服务器的数据交换以及与教师端（提供教师监控学生实验操作，并可以随时进行指导）的监控通讯五项。泓格公司提供I-8000系列产品的同时也提供了相关的SDK，简化了数据采集和设备控制的编程工作，使测控子系统的移植工作重心转移到了对实验信息服务器数据库的实时访问和与子网服务器的数据交换上。由于SQL SERVER CE2.0配置的复杂性及其需要其他软件的支持，因此采用TCP/IP与实验信息服务器通讯的方式来解决，而这种解决方式的另一个优点就是能重构与子网服务器数据交换的网络通讯代码，从而又能进一步减少工作量，而Windows CE.NET的网络API采用了Winsock2.0，这为满足教师端监控功能而采用的重叠模型提供了保证。

结论
传热远程实验样板装置建设后，装置总体性能指标较高，空气和水温度计量精度达到±0.3℃，流量测量精度达到2%，空气温度控制精度达到±0.3℃，流量控制精度达到5%，系统整体运行良好。同时，该实验装置的地理位置不受限制，只要能连接到Internet就能集成到远程联合分布式实验系统中，提高了装置的使用效益。
WinCon-8000控制器具有工业计算机的标准接口，能满足工业控制上的需求，同时因为使用RISC低消耗CPU，及无磁盘、无风扇架构的特性，具有更好的防尘、防震、防潮性，比工业计算机更能承受化工实验室实验现场的恶劣环境， 以及实验装置时开时停的问题。
基于WinCon-8000嵌入式控制系统的远程实验室系统应用于浙江大学化工原理实验教学后，得到了师生的一致好评，被认为在概念和实践上都具有先进性和前瞻性，具有很高的推广价值。


参考文献
1、浙大合力产品手册；
2、泓格产品手册；
3、吴嘉等，化工原理仿真实验，北京，化学工业出版社，2001。