基于DDC的计算机过程控制远程实验系统

摘要

远程实验系统对于培养工科类专业学生的专业技术应用能力，具有重要意义，特别是自动化专业学生，实验教学是其教学环节的重要组成部分，通过实践可以验证所学理论知识。同时，远程实验系统还可以有效地解决因实验人数与实验设备数不匹配，而造成实验教学质量下降和教师工作强度增加的问题。
　　论文针对上述问题，并利用学校工业控制系统实验室的资源，在原有控制方式的基础上，加入远程实验系统。以CS4000型过程控制实验装置为被控对象，选用直接数字控制(Direct Digital Control，DDC)系统作为本地控制方式，采用C/S架构编程实现远程客户端、控制服务器两部分应用程序，对14台设备和网络摄像头进行组网，实现远程实时控制、数据采集及视频实时预览等功能。论文完成的主要工作如下:
　　1.对本地实验系统进行升级改造，并设计基于DDC的远程实验系统方案，重点对系统中的通信程序部分做了实时性研究，分别使用Visual C++6.0中两种串口通信方法，与DDC模块进行通信并测试串口通信的实时性，选择实时性较好的调用API函数方式作为系统串口通信方法;然后采用基于TCP/IP协议的Winsock编程，实现客户端和服务器的网络通信服务程序，并测试网络通信实时性与通信距离之间的关系;最后综合分析系统的实时性满足需求，方案可行。
　　2.控制服务器部分使用Visual C++6.0开发，其中串口选用异步通信方式，网络通信部分程序和串口通信及数据处理程序都采用多线程技术实现，利用ODBC组件实现Visual C++应用程序对MySQL数据库的操作;然后编程实现增量式PID算法，最后设计历史数据库表，并规定了存储规则，以减少存储量。
　　利用Visual Studio2012开发远程客户端应用程序，使用MFC基础类库设计并实现远程客户端界面，使用由杨国君老师自主开发的曲线绘制库CChart实现实时数据曲线显示和历史数据查询功能;在设备网络SDK的基础之上进行二次开发，实现视频实时预览;最后设计并实现自定义应用层协议，远程客户端网络通信程序也使用多线程技术实现。
　　3.对系统进行组网并设置路由器的转发规则，然后针对系统主要功能，设计实际测试用例，分别对主要功能和实验效果进行整体测试，发现系统中存在的问题并进行优化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 远程实验系统研究现状

1．3．1 主要内容

1．3．2 章节安排

第二章 原有控制方式与远程实验系统研究的必要性

2．1 实验系统简介

2．2 实验装置的硬件组成

2．1．1 实验装置总体结构

2．2．2 供水系统

2．3 原有控制方式

2．3．1 上位机软件

2．3．2 本地实验系统升级改造

2．3．3 本地实验模式的不足

2．4 基于DDC的远程实验系统研究

2．4．1 远程实验系统研究的必要性

2．4．2 DDC系统的选择

2．4．3 远程实验系统设计目标

2．5 本章小结

第三章 系统总体设计及实时性研究

3．1 总体设计方案

3．2．1 实时性研究的必要性

3．2．2 影响系统实时性的主要因素

3．3 Visual C++与DDC间串行通信实时性研究

3．3．1 Visual C++串口通信方法

3．3．2 串口通信协议

3．3．3 方案设计

3．3．4 实时性测试与分析

3．3．5 API函数串口通信方法选择

3．4 网络通信实时性研究

3．4．1 基于TCP／IP协议的Winsock编程

3．4．2 方案设计

3．4．3 实时性测试与分析

3．5 远程实验系统可行性分析

3．6 本章小结

第四章 控制服务器部分的设计与实现

4．1 控制服务器的设计

4．2 控制服务器的实现

4．3．1 串口异步通信

4．3．2 多线程技术

4．3．3 Visual C++与MySQL数据库连接

4．4 控制算法

4．4．1 PID控制原理

4．4．2 增量式PID控制算法

4．5．1 数据库表设计

4．5．2 存储规则

4．6 本章小结

第五章 远程客户端及应用层协议的设计与实现

5．1 远程客户端的设计

5．2．1 服务器管理面板

5．2．2 实验系统面板

5．3 应用层协议的设计与实现

5．3．1 应用层协议的设计

5．3．2 应用层协议的实现

5．3．3 网络通信模块实现

5．4 本章小结

第六章 系统组网及测试

6．1．1 硬件连接

6．1．2 端口映射

6．2．1 测试目标及环境

6．2．2 主要功能测试

6．2．3 实验测试

6．3 虚拟专用网络搭建

6．3．1 基于4G和VPN的虚拟专用网络搭建

6．3．2 基于校园网和VPN的虚拟专用网络搭建

6．3．3 虚拟专用网络下的实验测试

6．4 本章小结

第七章 总结与讨论

7．1 工作总结

7．2 讨论

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目