随着远程教育和英特网的广泛应用，虚拟实验系统的研究逐渐被人们广泛关注，学生可以自由上网进入虚拟实验系统，操作设备，进行各种实验。远程虚拟实验不仅可以克服传统实验教学人力、物力、财力投入大的问题，更为远程实验教学的实施提供了条件和技术支持，也为远程教育的质量提供了有力的保证。因此，现有实验设备的虚拟实验化改造对远程教育有着很重要的意义。
本文在分析了带传动实验特点的基础上，结合远程教学的基本要求，提出了带传动远程控制实验系统的设计方案，针对设计要求，完成了系统的结构和硬件的设计。为了实现系统的设计目标，本文做了如下工作：
1．带传动实验台硬件的改造设计。
2．建立基于S7-300 PLC的带传动实验控制系统。 3．为远程实验的教学软件提供数据接口和控制接口。
带传动远程控制实验系统不但具备了远程监控功能,而且保留现场的手动控制功能,不仅可以充分利用网络资源开展实验教学，而且可以通过网络进行远程实物实验，提高了教学实验效率和实验资源利用率。
关键词:远程实验 ；PLC ；WinCC ；带传动
Abstract
Along with the abroad application of remote education and Internet, virtual experiment system has become the focus in the field of research and application. Students can freely log on the virtual lab system, operating on instrument, carrying on every type of experiment. Not only can remote and virtual experiments overcome the problem of devotion in manpower, material resources and financial resources in traditional experiment, but also providing environment and tech supports for remote experimentally teaching, also affording powerful pledge for the quality of remote education. So, it is very mean for remote education to reconstruct the in existence experiment instrument.
Based on analyzing the belt-driven experiment and its characteristic, combine with the basic requests of remote education. The design of remote control belt-driven experiment system is brought forward. Based on the requests, the structure and hardware are designed. To fulfill the system, the following researches are done:
1.The hardware design of the belt-driven experiment instrument. 2.Build belt-driven experiment control system based on S7-300 PLC.
3.Offer date interface and control interface for remote experiment education software.
The remote control belt-driven experiment system has the remote control function and remains the local manual function，can not only take full of network resources to develop experimental teaching, but also develop remote real time practicality experiment on network, improving the teaching experiment efficiency and making full use of the experiment resources.
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Key words: Remote experiment ；PLC ；WinCC ；Belt-driven
目 录
目 录 ........................................................................................................ 1 1 绪论 ........................................................................................................ 1
1.1 课题研究的目的和意义 ............................................................ 1 1.2 课题的国内外研究动态、目前的发展水平及趋势 ................ 3 1.3 课题的来源和研究内容 ............................................................ 6 2 带传动远程控制实验系统硬件设计 .................................................... 7
2.1 带传动远程控制实验系统硬件装置的组成 ............................ 7 2.2 带传动远程控制实验系统硬件设计 ........................................ 7
2.2.1 带传动实验台的原理和结构 ........................................ 7 2.2.2 带传动实验传感器设计 ................................................ 9 2.2.3 带传动实验台加载功能电路设计 .............................. 11 2.2.4 西门子公司S7-300型PLC简介 ................................ 13 2.2.5 S7-300 PLC硬件组态与接线 ..................................... 16 2.3 带传动远程控制实验系统网络硬件的选择 .......................... 21
2.3.1 主服务器的选择 .......................................................... 21 2.3.2 网络摄像机的选择 ...................................................... 21 2.3.3 集线器的选择 .............................................................. 22 2.3.4 远程计算机的选择 ...................................................... 22 2.4 带传动虚拟实验系统硬件装置的结构 .................................. 23 3 带传动远程控制实验系统PLC控制系统的设计与实现 .................. 24
3.1 STEP 7功能简介 ..................................................................... 24 3.2 带传动虚拟实验台STEP 7控制程序的设计步骤 ................ 26 3.3 带传动虚拟实验台STEP 7设计 ............................................ 28
3.3.1 创建带传动实验台改造项目 ...................................... 28 3.3.2 带传动实验台改造STEP 7硬件组态 ........................ 29 3.3.3 带传动实验台改造STEP 7符号表 ............................ 30
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3.3.4 插入STEP 7程序块 .................................................... 30 3.3.5 带传动实验台改造STEP 7程序 ................................ 32
4 带传动远程控制实验系统的与上位机通讯 ...................................... 47
4.1 WinCC功能简介 ....................................................................... 47 4.2 设计带传动实验台WinCC 画面 ............................................. 48 4.3 带传动远程控制实验系统接口 .............................................. 50
4.3.1 带传动远程控制实验系统变量符号表 ...................... 50 4.3.2 带传动实验台WinCC连接项目 .................................. 51 4.3.3 带传动远程控制实验系统通道建立 .......................... 53 4.4 带传动远程控制实验系统网页 .............................................. 55 5 结论 ...................................................................................................... 57 致 谢 ...................................................................................................... 58 参考文献 .................................................................................................. 59
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1 绪论
实验是教学活动中一个必不可少的过程，很多学习科目都是以实验课程为基础的，尤其是对于一些实践性较强的学科，例如物理、化学、计算机组成结构、网络控制、PLC等等，实验对于培养学生的实际操作能力和解决问题的能力是至关重要的，学生的大部分实践能力都是通过实验得到的。
近年来，随着计算机网络的长足发展，通过局域网和因特网实现远程实验教学成为一种新的实验教学模式。远程实验教学是整个远程教育中的一个重要组成部分。在远程教育中，由于教学机构与学生在空间上分离，学生无法到学校实验室做具体的实验，这己经成制约远程教育质量的一个重要因素。近年来，由于虚拟仪器和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟实验室已经成为可能，网上实验己成为远程教学研究的重要方面。在远程实验教学中，由于既需要一定非传统意义上的仪器设备，又需要实验学生的参与，要求双向信息传输和网络化的实验装置，其实现难度要远超过远程课堂教学。通过虚拟实验装备能够利用有限的实验台为较多学生灵活的提供远程实验平台，可以从根本上解决目前的实验教学与远程教育模式不相适应的状况。
1.1 课题研究的目的和意义
虚拟实验是依托“虚拟现实”(Virtual Reality，英文缩写VR)技术而产生和发展起来的一种实验模式。虚拟现实技术是一种充分利用高性能计算机的硬件资源、软件资源和多种传感器的集成技术，其主要技术包括实时三维图形生成技术、多传感交互技术及高分辨率显示技术等部分。虚拟现实技术能够生成实时三维的人工虚拟环境，演练者(操作人员)可以进入其中，产生身临其境的沉浸感，并能够在像真实世界中一样的虚拟环境中进行实时操纵和相互交流。
在远程实验教学中，要进行虚拟实验一般需通过虚拟实验室。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现，也可以是虚拟构想成的实验
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室。在虚拟实验室中，实验者有逼真的感觉，似乎是在真正的现实实验室里近距离进行现场操作。
虚拟实验室概念的提出至今仅为十余年的时间，但因其诱人的应用前景，各国均在大力开发，已经取得了一些进展[1]。
本文的工作是设计带传动远程实验控制系统，通过西门子公司S7-300型PLC和WinCC Web Navigator实现带传动实验台的改造，实现基于PLC和校园网的带传动远程控制实验。带传动实验是一个面向全校开放、量大面广的基础性实验，选修实验的学生多，实验室的带传动实验台相对较少。据长春工业大学机电学院机械基础与CAD教学中心仪器设备配置情况表明：带传动实验设备一直没有添置和更新，但学生做实验的愿望在不断增强，这使带传动实验台的改造更为必要。
为了解决带传动实验设备资源少和要求做实验学生较多的矛盾，提高带传动实验台的利用率，我们对现有的带传动实验台进行改造，完成实验台网络化设计，增加西门子公司公司的S7-300型PLC控制器、带传动远程实验WEB服务器、网络交换机、网络摄像机等硬件，利用西门子公司公司的STEP 7、WinCC、WinCC web navigator等软件编写远程控制实验软件，使其具备远程实验教学的基本功能，在远程计算机上进行带传动实验。
带传动实验系统的建设不仅可以节约在实验教学方面的投入，更重要的是可以完善学院现有的教学体系，提高学院的教学水平和教学质量，促进学生学习的自主性，培养和提高学生的动手能力和创新能力。建立远程带传动虚拟实验系统有许多优点，具体表现在如下方面：
(1) 实现了教育资源共享，节约设备投入。一方面，利用现有的计算机网络，可以节省大量基础设施建设的重复投资，另一方面，利用软件平台技术组织网络实验资源，系统维护方便，易于扩充。
(2) 不受传统面对面教学模式的限制，学生可进行反复操作实验，可有效地提高学生的动手能力；
(3) 利用虚拟现实技术和多媒体技术制作的模拟实验，有利于培养学生分析问题和解决问题的能力。
(4) 不受时间和空间的限制，随时都可以登陆网站进行实验。
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1.2 课题的国内外研究动态、目前的发展水平及趋势
远程虚拟实验的提出至今仅为十余年的时间，但因其广阔的应用前景，各国均在大力开发，目前国内外对虚拟实验的研究较多，其研究的范围涉及到虚拟实验室的设计、虚拟实验在教学中的应用、虚拟实验系统的开发、虚拟实验管理系统开发、虚拟实验中多媒体技术的应用等诸多方面，涉及的学科有生物、物理、化学、计算机、自动控制等诸多学科，所用到的软件和语言有VRML、Java、ASP、Lab View等。在虚拟设备的设计和应用方面，出现了许多成熟的、商业化的产品，如Lab View和Lab Windows等，但由于在不同的专业和应用领域中，实验仿真模型的复杂程度、实验表现形式和工作运行模式等存在很大差异，所以，国内外研究机构由于创建一个虚拟实验系统是一项十分繁琐而费力的工作，虚拟实验的研究也就突出表现在虚拟实验和虚拟实验系统设计平台的研究中。
目前，虚拟实验室在发达国家已十分普及。美国作为当今的科技强国，为继续保持其在科学技术领域的领先地位，尤其重视信息技术的研究，并己将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划。在1991年底，美国科学基金会、美国国家科学研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了一个“全国(科学)合作实验室委员会”，其任务是调查科学家对信息技术的需求，协调科研合作关系，组织并实施具体的信息技术开发。此后，美国联邦政府投入资金在海洋学、天体物理学和分子生物学三大领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程，开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展。美国一些政府部门，如能源部，正在制定计划将其所属的科研机构过渡到虚拟实验室环境中。目前，越来越多的科学家正投身于构筑一个覆盖全美国的虚拟实验室的工作中来。
作为首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国，从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，在该领域的研究已处于领先地位。虚拟仪器系统及其图形编程语言已成为各大学理工科学生的一门必修课，其普及程度是相当广泛的。国外的一些大学已组建了远程虚拟实验室。德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室；西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台；意大利帕瓦多大学建立
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了远程虚拟教育实验室；新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验[1]。
在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。目前，已有部分高校初步建立了虚拟实验室。例如:清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线综合测试仪”，将8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统；复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校，也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研[7]。
远程教育目前已被广泛的应用到大学的实验教学中来。国内外的一些大学己经组建了虚拟实验室，如剑桥大学、斯坦福大学、新加坡国立大学以及清华大学等都己经开展了远程实验室方面的研究，并取得了一定的进展。但目前还没有大规模的成功应用实例，也未形成国际通用的标准。
虚拟实验向Internet的扩展，是一个很有潜力的发展方向。近年来，由于虚拟仪器和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟实验室已经成为可能。网络虚拟实验室就是基于 WEB创建出一个可视化的三维环境，其中每一个可视化的三维物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作，实验者可以进行虚拟实验。在网络遥控实验中，学生可在远程计算机上远距离控制各种实验设备，通过实验设备的实时图像传送，使实验者观看到实际实验设备在遥控操作下的运动状况，而不仅仅是状态和参数，或者是一些模拟图形。在网络仿真实验中，可以开发专门的远程实验器件，例如机床的手柄等，具有手感、力度、协调动作、手眼配合等功能，而不是像目前日常用的键盘和鼠标的操作。在远程实验的教学组织和教学管理方面，异地的教师进行实验指导，各地的一些学生合作进行实验，通过网络虚拟实验室都是可以实现的。网络虚拟实验室实现的基础是多媒体计算机技术、网络技术与仪器技术的结合。网上进行虚拟实验将成为远程实验教学的一个重要方面。[41]-[43]
根据目前国内外虚拟实验的研究水平，结合今后虚拟实验的应用需求，虚拟实验以后主要有以下两个发展趋势：
（1）协作式虚拟实验
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与同伴合作是实验过程中一个至关重要的环节，因为科学实验常常是种协作性的活动。协作技术通常分为两个主要部分：信息共享技术和通信技术。其中，信息共享技术使得用户能够让别的用户意识到他的活动以及活动的结果。通信技术(如聊天室、电子邮件等)使得人们能相互协作讨论他们的工作。通信技术现阶段已比较成熟，而信息共享技术则比较难以实现，因为它一方面要求实现复杂数据类型的转换；另一方面，它还没有较好的群件。原因一是CSCW尚处未成熟阶段；二是协作任务的不同，开发一套普遍适用的规则较难。
因此，协作式虚拟实验的目标设计很重要，其目标就是要减少地域障碍，使世界各地的学生能在网上一起进行科学实验和讨论。在协作式虚拟实验中，每个用户都有一个特定的个人域并共享一个群域，通过这种方式，个人和小组工作既可以个别发生，又可以同时发生。协作式虚拟实验虽然现在还不完善，但随着时间的推移和技术的进步它将是虚拟实验发展的另一种新的形式。
（2）自适应虚拟实验
在日常语言中，“自适应”是指生物变更自己的习性以适应新的环境的一种特征。自适应虚拟实验主要表现在以下两个方面：
1为学生提供一个自适应的实验环境，把学生的实验过程记录下○
来，反馈其存在的问题，使得学生对自己遇到的问题反复练习、或向教师和同学寻求帮助，从而掌握相关知识和解决问题的技能。
2过程己知时，实验设计过程规定了一组参数；当处于未知领域○
时，自适应实验的参数应当收敛到希望的参数范围内，体现出系统的开放性和协同性，这是现阶段虚拟实验最难实现的，也必将是虚拟实验的发展方向。
另外为提升网上虚拟实验的作用，凸显网上实验的优势，还要有更好的输入输出设备的引入。仅仅使用键盘、鼠标作为输入设备，使二维的显示器作为输出设备有时不能很好地体现虚拟的真实感。更好的输入备，如立体鼠标，头盔显示器等必将给用户更好的沉浸感。[44]-[45]
随着新技术的不断创新，更多更好的用于构建网上虚拟环境的工具软件将出现，虚拟实验在教学实验改革中也有着非常广阔的应用前景。
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1.3 课题的来源和研究内容
本课题来源于实际应用，目的在于设计一个基于S7-300 PLC的远程带传动实验台控制系统，把带传动实验放到校园网上，实现带传动网络实验，这样可以弥补目前教学条件的不足。在目前教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以作各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。
在机械基础实验中，带传动实验是每个学习机械设计的学生必做的实验项目。机电工程学院实验中心实验设备不足，而像机械类，近机类及相关学校等选做带传动实验的学生人数却很多，现有的实验资源已经满足不了学生做实验的要求，这使得带传动实验台的改造尤为必要。
机械基础与CAD实验教学中心已经有了改造带传动实验台的硬件和软件，包括西门子公司公司S7-300型PLC，STEP 7，WinCC等资源，实验室和学生宿舍都有校园网接口，这为带传动实验台的改造提供了条件，使其变为可能。
在分析了基于远程虚拟实验方法发展现状的基础上，根据实际要求和方案，完成系统的结构、硬件和软件的设计。本文研究的重点是基于PLC的带传动实验台远程控制，主要工作和研究内容如下：
（1）带传动实验系统硬件的改造设计。
（2）建立基于S7-300 PLC的带传动实验远程控制系统。 （3）为虚拟实验的教学软件提供数据接口和控制接口。
作为PLC远程控制实验，系统设计上分成两大部分：第一部分是带传动实验台的硬件部分的改造，包括带传动远程控制实验系统主要硬件部件的功能设计和网络硬件的选择；第二部分是利用PLC控制带传动实验台，把PLC与计算机服务器连接，可以利用服务器直接给PLC进行编写程序，指挥PLC运行，它包括的主要是STEP 7和WinCC的应用；两大部分再加上软件部分最终由因特网连接在一起，通过因特网进行数据的远程传输，来达到远程控制PLC进行实验的目的。
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2 带传动远程控制实验系统硬件设计
带传动虚拟实验硬件系统设计包括硬件装置的主要部件的设计和网络部件的选择及功能。其中，带传动虚拟实验系统硬件装置又包括带传动实验台内部电路的改造和传感器的设计，西门子公司S7-300 PLC模块的选择配置及相应模块控制接口的接线设计；网络部件的选择及功能主要包括主服务器，集线器等网络部件的选择及功能的应用。
2.1 带传动远程控制实验系统硬件装置的组成
本论文硬件装置由西门子公司S7-300 PLC 314、主服务器、D-Link集线器、网络摄像机、DCS-Ⅱ型智能带传动实验台、以太网、因特网和远程计算机等构成。PLC远程控制实验的结构图如图2.1所示。
图2.1 PLC远程控制实验结构图
2.2 带传动远程控制实验系统硬件设计 2.2.1 带传动实验台的原理和结构
DCS-Ⅱ型智能带传动实验台是由主体部分、张紧装置、控制系统、转矩和转速测量装置、数据采集处理计算机组成，如图2.2根据测量主动轮的输入转矩和从动轮的输出转矩，以及主动轮的输入转速和从动轮的输出转速，可进行带传动的滑动率与效率的测定。
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2.2 现有带传动实验台组成
带传动实验台的结构如图2.3所示。图中为ZD-50/20-200型号电动机，其中电机1主动，电机2从动。两只电机分别固定在一对支撑架上，从动电机可随支撑架在实验台基座滑道上滑动，以便调整传送带的初拉力。因为电磁力矩作用在转子上，它对转子作用，带动带轮工作，及表现为工作转矩。将转矩传感器分别安装在主动轮、从动轮的转轴上，就可以得到工作力矩和转速。实验台加载原理如下：将电机2的转速设成超过同步转速运行，此时，电动机便进入发电机运行状态。由于转子导体切割旋转磁场的方向与电机转速的方向相反，成为一个制动转矩。为了维持电机继续运转，必须有外界对转子输入机械转矩，以克服由电磁转矩所造成的制动转矩。两个电动机上分别装有转矩和转速的传感器，连接到实验台内部，对传感器输出的数据进行测量，从而确定带传动实验带的性能。实验台前基座上设有控制带传动的各种功能的操作按钮和显示带传动参数的数码显示器。
图2.3 带传动实验台结构图
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2.2.2 带传动实验传感器设计
带传动实验台需要测定主电动机和从电机的转矩、转速，测量主电动机和从电机的转矩和转速就要借助于传感器，目前市场上单个测量转矩和转速的传感器种类很多，但还要分开使用和改造，本次带传动实验台的改造采用的是JN338-A型传感器，该传感器的优点是可同时测量电机的转矩和转速参数，其特点如下：
(1)可测量稳态扭矩，可以测量动态扭矩
(2)测量角度、位移及低转速时采用增量式编码器原理设计，测量转速、精度高，性能稳定可靠，使用寿命长。
(3)测量正、反向扭矩时，不需调整零点。
(4)信号检测采用数字化处理技术，精度高、稳定性好、抗干扰强。 JN338-A传感器的参数如下表2.1所示。
表2.1 JN338-A传感器的参数 型号 JN338-A型 规格 （N.m） 10 20 30 50 200 最高转速 （r/min） 6000 6000 6000 JN338-A型 6000 5000 型号 规格 （N.m） 300 500 1000 1500 2000 最高转速 （r/min） 5000 4000 3000 3000 3000 带传动实验台的转速和转矩均在JN338-A传感器的测量范围之内，该传感器可满足要求。转矩测量装置的硬件结构和测量原理如下：
转矩测量的敏感元件是电阻应变桥。将电阻应变片组成的电桥粘贴在带传动实验台的主、从动电机的弹性轴上，向应变桥提供直流电源即可检测出带传动实验台电机受扭时毫伏级应变电信号，将该应变信号放大后，经压频转换变换成与扭应变成正比的频率信号。传感器的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环形变压器所承担的，因此实现了无接轨的能源及信号传递功能。转矩测量原理如图2.4所示。
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图2.4 转矩测量原理图
正向转矩输出值为：Mp=N (f-f0)/ (fp-f0) （公式2-1） 反向转矩输出值为：Mr=N (f0-f)/ (f0-fr) （公式2-2） Mp-正向转矩；Mr-反向转矩；N-转矩满量程；fp-正向满量程输出频率值（KHz）；fr-反向满量程输出频率值（KHz）；f-实测转矩输出频率值（KHz）
转速测量装置的硬件结构与测量原理如下：
转速传感器在带传动实验台的主、从动电机的旋转轴上安装着P条齿缝的测速盘，在传感器外壳上安装由发光二极管及光敏二极管及光敏三极管组成的槽型光电开关架。测速盘同带传动实验台电动机转轴同速转动，如图2.5所示。
图2.5 转速测量原理图
每当旋转盘转至其长方形开孔与光电开关的透光孔重合时，光敏二极管便通过电流，施密特触发器CD4093输出高电平。当旋转盘转至使通光孔被遮时，CD4093便输出低电平。圆盘不断转动，CD4093便输出脉冲序列。脉冲频率与转速成正比。转速输出值为：n=60*f/p(r/min)。其中n-转速值（r/min）；f-频率值（KHz）；p-圆盘开孔总数。在带传动实验
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台改造中取p=60，使f=n，即传感器输出信号频率便是带传动实验台电动机的转速，方便测量。
转矩传感器将带传动滑动的大小用滑动率ε（或称滑动系数）表示，其表示为：
滑动率ε=(1-n1 /n2)×100% （公式2-3） 效率η=(P2、/P1)=T2n2/(T1n1) （公式2-4） 带传动的滑动随着有效转矩T的增减而增减，表示这种关系的ε-T2曲线称为滑动曲线。当有效转矩T2小于临界点F'时，滑动率ε与有效转矩T2成线性关系，带处于弹性滑动工作状态。当有效转矩T2超过T2'点以后，滑动率迅速上升，带处于弹性滑动与打滑同时存在的工作状态。当有效拉力等于T2max 时，滑动率直线上升，带处于完全打滑的工作状态。带传动的效率曲线表示带传动效率η与有效转矩T2之间关系的η-T2曲线。当有效转矩T2增加时，传动效率η逐渐提高，当有效转矩T2超过T2'点以后，传动效率下降。带传动在有效转矩T2等于或稍微低于临界点T2'时带动的效率最高，滑动系数为1%-2%。实验台内单片机进行检测、处理数据、信息记忆、自动显示等功能。通过计算机，可自动显示并打印输出带传动的滑动曲线ξ-T2及效率曲线η-T2及有关数据。
2.2.3 带传动实验台加载功能电路设计
在带传动实验中，对从电机加上加载的功能就是模拟对电动机加负载，使从动电机带一定的负载运行，现场带传动实验设备的加载方法是利用电阻的接入来使从动电机两端的电流减小，从而模拟电动机负载运行的状态。本次带传动实验台是利用在从动电机加反向电流的原理对从动电机进行模拟负载运行，设计电路图如图2.6。
对带传动实验台加载的原理如下：可控硅T3的阴极分别触发可控硅T1,T2在一个电源周期内轮流导通，形成直流电加于电机上。加于可控硅T3控制极和阴极的电源是通过二级管整流而得的正弦脉冲电压。加于可控硅T1,T2。级。从中可知，在一个电源周期内(0～2π)，前半周(0～π)T3的阴极触发可控硅T1导通，后半周期(π～2π)T3管阴极触发可控硅T2导通。触发的移相角a由AD7520数-模转换器控制。调节AD7520数-模转
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换器的数字量输入，则改变了电容C4两端的电压，从而改变了对电容C4的充电速度，对C4充电快，则移相角a小，反之则相反。
图2.6 加载电路图
AD7520数-模转换器包括16个引脚，一个精密电阻网络和一个高速控制放大器。它把所有这些重要电路集成在一个单片上。该数-模转换器特点是稳定时间短，线性误差小。其参数为：4-13为十位数字量的输入端；1为模拟电流Io1输出端，接到运算放大器上的反相输入端；2为模拟电流输出端，一般接地；3为接“地”端；14为COMS模拟开关的+UDD电源接线端；15为参考电压电源接线端，UR可为正可为负。
AD7520数-模转换器控制端接到PLC的输出端，通过PLC控制转换器的控制端来控制电容C4两端电压，从而控制可控硅的相位角，进而控制带传动实验台从动电机模拟加载。
在带传动实验加载电路的设计中D6 、R3、C5 组成浪涌吸收回路保护T3管。二极管D7为电机的续流二极管，改善电机运转稳定。电容C1，C2，C3和电感LF组成π型滤波器，即防止外界电源杂波影响电机运转控制，又避免本身在电压控制中产生谐波影响外界。
元器件选择：可控硅T3，PRV≥400v IF=1A； 可控硅T1、T2根据电机功率选取PRV≥600v，IF≥5A即可适用本实验台电机。
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2.2.4 西门子公司S7-300型PLC简介
可编程序控制器是一种以计算机(微处理器)为核心的通用工业控制装。早期的可编程控制器只能进行开关量的逻辑控制，其产生的动因最初是为了取代继电器构成新型的控制开关量的装置，因此其早期的名称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。现在的可编程控制器已不仅限于逻辑控制的功能，而是还具有了算术运算、模拟量处理、联网等功能，于是人们将其简称为PC。但为避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，可编程控制器仍常被称为PLC。现阶段的PLC其已远非用一位机开发，用磁芯存储器存储，只具有单一的逻辑控制功能的第一代PLC可比。现阶段的PLC产品不仅全面使用16位、32位高性能微处理器，高性能片位式微处理器，RISC(Reduced
Instruction Set Computer)精简指令系统CPU等高级CPU，而且，在一台PLC中配置多个微处理器，进行多道处理，使得第五代PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的名副其多功能处理器。PLC具有编程方便，维修量小。模块化设计，体积小等优点，再随着PLC功能的不断完善，性价比的不断提高，PLC的应用面也越来越广泛。
在众多的PLC中，SIMATIC系列是其中之一，而SIMATIC S7-300系列可编程控制器是西门子公司全集成自动化系统中的控制核心，是其集成与开放特性的重要体现。该系列PLC在通讯功能不断提高的前提下继承了西门子公司上一代PLC SIMATIC S5系列稳定可靠和故障率低的精髓， STEP 7采用SIMATIC软件的集成统一构架，为实现PLC编程组态的易用性和友好性以及与上位机组态系统的统一性提供了一个功能强大的软件平台。西门子公司S7-300是模块式中小型PLC，最多可以扩展32个模块。使用PLC来控制受控设备的运行过程，并监测设备的运行状态。为了今后的推广使用，所以选用了S7-300 CPU314的PLC，如图2.7示、如图2.8所示。
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1.电源模块 2.后备电池 3. 24V DC连接器 4.模式开关 5.状态和故障指
示灯6. 存储器卡 7. MPI多点接口 8.前连接器 9.前盖
图2.7 S7-300 PLC
图2.8 CPU314
功能最强CPU的RAM为51ZKB，最大8192个存储器位，512个定时器和512个计数器，数字量最大65536，模拟量通道最大为4096，有350多条指令。
SIMENS S7-300和其他可编程控制器一样，都是采用循环扫描工作方式，即CPU首先扫描输入模块的状态，并更新输入过程映像寄存器，然后执行程序，最后在输出过程映像寄存器中将值输出到输出模块，因此循环下去。
S7-300是模块化的组合结构，有多种型号的模块，下面就常用及接线方式简单介绍一下。
（1）中央处理单元CPU模块
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S7-300有CPU312 IFM，CPU 313，CPU 314，CPU 315，CPU315-2DP等中央处理单元可供选择。CPU312 IFM模块上集成有10个数字量输入点和6个数字量输出点，其余模块上还带有继承I/O端口，其存储器容量、指令执行速度、可扩展的I/O点数、计数器/定时器数量，软件块的数量等，随序号的递增而增加。CPU315 DP除具有现场总线扩展功能外，其它特性与CPU315相同。
（2）电源模块（PS）
PLC的内部电源应具有这样的功能:与外部电源隔离减少供电线路的影响；有较强的抗干扰能力;功耗低;有良好的保护功能。目前以开关型稳压电路为主。电源模块种类有PS 307 2A、PS 307 10A、PS 307 5A。此外，为了使RAM中的信息在突然失电情况下不丢失，PLC一般都采用锂电池作为RAM的后备电源。
（3）数字量模块
S7-300有多种型号的数字量I/O模块供选择，如数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322，数字量I/O模块SM323，此外还有仿真模块SM374等。数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部电平信号，并传送到系统总线上，也就是将CPU模块处理过的内部数字量信号转换成外部过所需要的信号，并驱动外部执行机构、显示灯等负载。
数字量模块，按电压分类有直流12V、24V、48v和交流120v、230v;按保护形式分类有隔离和不隔离两种;按点数分类有8点、16点、32点等。
（4）模拟量输入模块
模拟量输入模块是将外部生产过程缓慢变化的模拟信号，转换为能为可编程序控制器识别的数字信号。模拟量信号类型相比于数字量信号类型要烦琐的多，模拟量值的表示方法、测量方法、测量范围、输出范围，以及其于传感器、负载或执行器的连接也都十分复杂。S7-300的CPU用16位的二进制补码表示模拟量值， S输入范围很宽，它可以直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。
模拟量输入模块SM331有两种规格型号:一种是8×12位模块，另一种2×12位模块。前者是8通道的输入模块，后者是2通道的输入模块。
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除了通道数不一样外，其工作原理、性能、参数设置等个方面都完全一样。
此外，S7-300还具有功能模块（FM）、通讯模块（CP）等诸多模块，满足更多需求 [8]。
2.2.5 S7-300 PLC硬件组态与接线
S7-300 PLC的主要组成部分有:导轨(RACK)、电源模块(PS)、中央处理理器CPU模块、接口模块(IM)，信号模块(SM)，功能模块(FM)等，通过MPI网的接口直接与PC或其他PLC相连。使用S7-300组态对带传动实验台进行控制，必须得知道带传动实验台的功能及实验的内容和步骤，才能设置相应的模块。因此在组态前先必须了解带传动实验的一些基本情况。
带传动实验台的控制模板如图2.9所示：上面分布有：电源开关，清零，加载，保持，送数，四个显示器分别显示主，从动轮的转矩和转速。
图2.9 带传动实验台控制面板
带传动实验内容如下：
（1）根据不同的转速条件，控制主动轮转速恒定，调节负载大小，分别测定主动轮和从动轮的转速与转矩。
（2）根据测定的主动轮和从动轮的转矩与转速，计算输入功率、输出功率及传动效率。
（3）根据主动轮和从动轮的转速与轮径，技术滑差率。 （4）在不同的初拉力条件下测量皮带打滑时的转矩。 带传动实验步骤如下：
（1）实验时的预紧拉力对传动性能有影响，改变砝码的大小可以改变预紧力。根据实验要求可适当选择砝码的大小，以达到对带传动过程中滑动率和效率的验证。
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（2）实验时，接通电源，按一下“清零”键，清除上次实验记录数据。
（3）在空载状态下，调整实验台背面的“调零”电位器，将被动轮转矩数值调至为0-0.03Nm，主动轮转矩数值调至为0.05-0.09Nm。 （4）在空载时，记录主、被动轮转矩和转速，按“加载”键一次，第一个加载指示灯亮，待数值稳定后记录主、被动轮转矩和转速。重复上述操作，直至7个加载指示灯全部亮起，记录下这8组数据即可得到带传动的滑动率和效率曲线。
（5）实验结束后，按下“清零”键，加载显示指示灯全部熄灭，实验台机构处于空载状态。再将主动电机转速和转矩调至零，然后关闭实验台总电源。
本次对带传动实验台改造使用的是西门子公司公司生产的S7-300 PLC，根据带传动的控制模板控制功能、实验原理、实验内容和实验步骤，带传动实验台改造PLC的结构流程图如图2.10所示。
图2.10 PLC结构流程图
带传动实验台改造对S7-300 PLC硬件组态用到模块有如下： （1）负载电源模块（PS）：PS 307 2A，如图2.11。其作用是为PLC提供电源。
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图2.11 电源模块
(2)中央处理单元（CPU）标准 CPU314。
CPU 314 装配有：微处理器：每条二进制指令执行时间约100ns，每条浮点数运行指令约3µs； 扩展存储器：96KB 高速 RAM用于执行相关的程序部分，为用户程序提供充分的空间，微存储卡作为程序的装载存储器，也允许在 CPU 中保存项目； 灵活的扩展能力：多达32个模块；多点接口 MPI：内置 MPI 接口可以最多同时建立12个与 S7-300/400 或与 PG、PC、OP 的连接，在这些连接中，始终分别为 PG 和 OP 各保留一个连接，通过“全局数据通讯”，MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络。（详细信息请参见西门子手册）
（3）数字量模块：数字量输入/输出模块SM322;DI 8/DO 8×24V。具有八个输入和八个输出接口。数字量输出模块SM322;DI 8/DO 8×24V设计具有设计紧凑、前连接器通过前盖板保护、前盖上的标签区、易于安装、用户友好的接线等特点。 数字量输入/输出模块转换的功能是将来自过程的外部数字信号电平转换成PLC内部信号电平和将PLC的内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平。（详细信息请参见西门子手册）
数字量模块用于带传动实验台的接线图如图2.12。
由图可知通过两个数字量模块323来完成的PLC控制带传动实验台实现的基本控制功能，包括实验台的选择、实验台的启动和停止、实验初始化、实验台的加载、实验数据的采集和重新实验。
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图2.12 PLC数字量模块接线图
（4）模拟量输入模块：由于实验中有传感器转矩和转速参数的传输，所以信号模块还需模拟量输入模块。模拟量输入模块SM331; AI8×12Bit位分辨率。带传动实验模拟量的量程卡B，测量电压。
模拟量输入模块SM331将从过程发送来的模拟信号转换成供PLC内部处理用的数字信号。该模块具有如下特点：
1.分辨率为9到15位+符号位，可设置不同的测量范围。 2.通过量程模块可以机械调整电流/电压的基本测量范围。
3.中断能力；模块把诊断和超限中断发送到可编程控制器的CPU中。 4.诊断；模块向CPU发送详细的诊断信息。（详细信息请参见西门子手册）
模拟模块用于带传动实验台的接线图如图2.13所示。
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图2.13 PLC 模拟量模块接线图
传感器采集的模拟量数据经过二极管滤波，在经过放大器放大接到模拟量331模块上，其中C1=1μF，R1=10KΩ，R2=5 KΩ,放大器放大2倍。
CPU-314、数字模块SM323、模拟量模块SM331示意图如图2.14所示。
1-CPU 314 2-SM323 3-SM331
图2.14 模块示意图
5．导轨：用于安装所选出来的S7-300 PLC的模块，如图2.15所示。
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图2.15 导轨
最终硬件组态为导轨上1号槽安装电源模块，中央处理单元CPU安装在在2号槽位上， 4至11号槽，可自由分配信号模块和通讯模块。
PLC硬件组态如图2.16。
图2.16 硬件组态
2.3 带传动远程控制实验系统网络硬件的选择 2.3.1 主服务器的选择
主服务器是网络伺服器，主要是虚拟的网络计算机伺服器，主要是安装STEP7，WinCC等软件来对现场的PLC编程控制，远程计算机可以通过主服务器对PLC进行远程控制。
主服务器的选择可以直接利用带传动实验室的现场计算机，对选择的计算机安装软件Windows Sever即可实现在现场计算机成为主服务器的功能，然后再在主服务器计算机上安装STEP7，WinCC软件，进而通过软件对带传动实验台现场PLC进行控制，从而控制带传动实验。
2.3.2 网络摄像机的选择
网络摄像机是一台网络IP摄像机，如图2.17 所示。通过网络摄像机远端计算机可以使用IE浏览器窗口观看PLC控制带传动实验台的实时运行情况，观察PLC控制带传动实验台的效果。
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图2.17 IP摄像机
网络摄像机在目前的市场上也比较容易购买，在摄像机的对比度、亮度等参数设置后，远程计算机就可以使用IE浏览器打开设定的网络IP摄像机进行观察PLC控制带传动实验台的工作了。
2.3.3 集线器的选择
集线器(HUB)是对网络进行集中管理的最小单元，像树的主干一样，它是各分枝的汇集点。HUB是一个共享设备，其实质是一个中继器，而中继器的主要功能是对接收到的信号进行再生放大，以扩大网络的传输距离。如图2.18所示是D-Link的集线器。
图2.18 D-Link集线器
在带传动实验台的改造中，选择D-Link集线器具有16个网络接口，可以满足带传动实验台网络连接的要求，方便以后扩展。带传动实验台改造利用集线器连接主服务器和网络摄像机，对主服务器和网络摄像机采集的数据进行再生放大，传输到以太网上。这里带传动实验台改造中选用100Mbit/S8口的HUB。
2.3.4 远程计算机的选择
远程计算机可以是一台普通计算机（廋客户机），能够上网打开IE浏览器，打开带传动实验台网页设置中的各个功能就可以。
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2.4 带传动虚拟实验系统硬件装置的结构
最终带传动实验台的硬件组合结构如图2.19所示。远程计算机登录带传动实验页面，通过以太网和主服务器取得联系，建立通讯通道，然后经过以太网将控制指令发送到主服务器中，主服务器接到相应得控制指令转换后再向S7-300 PLC传达控制指令，PLC接到命令后进一步去控制带传动实验台做出相应的动作和响应；同样，带传动实验台传感器采集的数据经过滤波放大传送到PLC上，PLC经过和主服务器的连接通道把采集到的数据发送到主服务器中，主服务器接到相应的数据再做进一步的处理和转换，然后经过集线器的再生放大通过以太网通道把数据传送到远程计算机内，并在远程计算机实验界面上显示出来。网络摄像机可以通过以太网把采集到的现场情况，以视频格式传送到远程计算机中，这样实验者通过远程计算机不但可以操纵带传动实验台完成相应实验，还可以通过网络摄像机监视PLC控制带传动实验台的实时运行情况，使实验者在远程虚拟实验中感觉更加真实。
图2.19 带传动实验改造结构图
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3 带传动远程控制实验系统PLC控制系统的设计与实现
在硬件设计的基础上，还要设计软件功能来完成远程PLC控制带传动实验，这就要在计算机上设计一个虚拟PLC控制台，使控制台和真实的PLC面板具有相同的控制功能，并且用按钮来做输入和输出控制量。软件功能设计包括STEP7功能简介、硬件组态、编程设计， WinCC功能简介及画面设计。
3.1 STEP 7功能简介
STEP 7是西门子公司SIMATIC工业软件中的一员，它是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，是SIMATIC工业软件的组成部分。
图3.1显示了STEP 7软件是如何对PLC硬件进行编程和组态的。图中编程设备可以是PG编程器或者PC，它通过编程电缆与PLC的CPU模块相连。用户可以在STEP 中编写程序和对硬件进行组态，并将用户程序和硬件组态信息下载到CPU，或者从CPU上载到PC或PG。当程序下载、调试完以后，PLC就可以执行各种自动任务了。
STEP 7 提供了几种不同的版本以适应不同的应用和需求，STEP 7不同版本的标准软件包有：STEP 7 Micro/DOS和 STEP 7Micro/WIN； STEP 7 Lite； STEP 7 Base； STEP 7 Professional。除了包含了STEP 7 Base版本中标准组件外，还包含了STEP 7扩展软件包，这些可选软件包被分组为三个软件类别：工程工具、运行版软件、人机接口。
如图3.2显示STEP 7标准软件包，无需分别打开各工具；当选择相应的功能或打开一个对象是，它们会自动启动。
图3.2 STEP 7标准软件包
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图3.1 STEP 7对PLC硬件进行编程和组态
SIMATIC 管理器：SIMATIC Manager（SIMATIC 管理器）可以管理一个自动化项目的所有数据，编辑所选数据所需要的工具由 SIMATIC Manager 自行启动。SIMATIC Manager的界面如图3.3所示。
图3.3 SIMATIC Manager
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符号编辑器：使用 Symbol Editor（符号编辑器），可以管理所有的共享符号。具有以下功能：为过程信号（输入/输出）、位存储和块设定符号名和注释；分类功能；从/向其它的Windows程序导入/导出。
诊断硬件：这些功能可以向你提供可编程控制器的状态概况。这个概况中可以显示符号，指示每个模板是否正常或有故障。
编程语言：用于 S7-300和 S7-400的编程语言梯形逻辑图（Ladder Logic）、语句表（Statement List）和功能块图（Function Block Diagram）都集成在一个标准软件包中。梯形逻辑图（LAD）是STEP 7编程语言的图形表达方式。语句表（STL）是STEP 7编程语言的文本表达方式，与机器码相似，这是常用到的两种编程语言。
硬件组态：使用这个功能，可以为自动化项目的硬件进行组态和参数赋值。具有以下功能：
（1）组态可编程控制器时，可以从电子目录中选择一个机架，并在机架中将选中的模板，安排在所需要的槽上。
（2）组态分布式I/O与组态中央I/O一致，也支持以通道为单位的I/O。在给CPU赋值参数的过程中，可以通过菜单的指导设置属性，支持多处理方式，输入的数据保存在系统数据块中。
（3） 在向模板作参数赋值过程中，所有可以设置的参数都是用对话框来设置的。
NetPro（网络组态）：通过 MPI，可以实现使用 NetPro 时间驱动的循环数据传送，只要你在这里：选择通讯的站；在表中输入数据源和数据目标，自动生成要下载的所有块（SDB），并且自动完整地下载到所有的CPU中。
3.2 带传动虚拟实验台STEP 7控制程序的设计步骤
当使用 STEP 7创建带传动虚拟实验台解决方案时，有一系列的基本任务。图3.4显示了使用STEP 7设计完成这一项任务的基本步骤。
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图3.4 使用STEP 7创建带传动实验台控制的基本步骤
这里有两个选项可以在STEP 7完成这一任务，选项1先组态带传动实验台改造所需的硬件再控制带传动实验的程序，选项2则是先编程再组态，选项1和选项2相比有以下优点： STEP 7在硬件组态窗口中会显示所有的硬件地址，硬件组态确定后，用户编写程序的时候就可以直接使用这些地址，从而可以减少出错的机会；一个项目中包含多个PLC站点的时候，合理的做法是在每个站点下编写各自的程序，这样就要求先做好各站点的硬件组态，否则项目结构就会显得混乱，而且下载程序的时候也容易出错。
因此，在这里选择选项1作为设计带传动实验台改造的步骤。在选项1中：
第一步：根据带传动的实验需求设计一个PLC的控制解决方案。在这一步中，要求根据带传动实验台的控制功能（像实验台的启动、停止、加载等）和实验要求的内容（像带传动实验台传感器采集数据）设计一个PLC控制带传动实验台的方案，PLC的流程图可参加图2.10。
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第二步：在STEP 7中创建一个项目。在设计了PLC控制带传动实验的基础上，就要在编程软件STEP 7创建一个控制带传动实验的新项目。
第三步：在创建的带传动实验项目中按选择的硬件和控制功能进行组态硬件，生产符号表，插入相应的块，然后在进行PLC控制带传动实验台程序的编写；
第四步：硬件组态和程序设计完成后，通过编程MPI电缆将组态信息和程序下载到CPU 314硬件设备中。
第五步：进行在线调试并最终完成带传动虚拟实验台PLC控制项目。
3.3 带传动虚拟实验台STEP 7设计 3.3.1 创建带传动实验台改造项目
在计算机中安装好STEP 7后，双击打开SIMATIC Manager图标，打开西门子管理器，点击工具栏上的新建按钮创建一个新项目，在弹出的对话框中输入MY PLC项目名称，单击确定，完成STEP 7新项目的建立。如图3.5所示。
图3.5 STEP 7新建项目
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3.3.2 带传动实验台改造STEP 7硬件组态
在菜单栏中的插入菜单下选择SIMATIC 300 Station 站点，为MY PLC项目创建一个S7-300的站点，选择创建的站点，在右边的窗口内双击硬件图标，进入STEP 7的硬件组态画面。
首先在硬件组态的右边窗口的文件夹SIMATIC 300中选择导轨Rail，在导轨的一号槽中放置电源模块PS 307 2A；在导轨的二号槽中放置中央处理器模块CPU314；三号槽放置接口模块，在本次改造中用不到那么多的模块，故三号槽不放模块；四、五号槽中放置数字量模块SM322;DI 8/DO 8×24V，每个模块上可以接八个输入和八个输出数字量，用来完成对带传动实验台基本的逻辑控制；模拟量输入模块SM331; AI8×12Bit放置在六号槽中，用来采集带传动实验台传感器输出的电压信号。在导轨还有扩展槽，可以扩展更多的模块，满足更多的功能需求。最终在第二部分选出的PLC模块在STEP7中的组态画面如图3.6所示,保存并编译。
图3.6 STEP 7硬件组态
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3.3.3 带传动实验台改造STEP 7符号表
硬件组态完成后选择下载按钮并选择文件菜单下的保存与编译，退出硬件组态界面，在SIMATIC 300 Station站点下会产生一些子文件，选择子文件中的S7 Program （1），双击右边窗口的符号图标，打开符号编辑器。在符号编辑器中填入符号的名称，绝对地址和注释。带传动实验台PLC接口在STEP7中的符号表如3.7图所示。符号表编写完成后，单击保存按钮保存生成的符号表。
图3.7 带传动实验台PLC接口在STEP7中的符号表
3.3.4 插入STEP 7程序块
根据对任务的规划和要求，需要向用户程序中添加的程序块有OB1，OB100，FB1，FC1-FC4，DB1-DB13。
新建的S7程序中已经自动插入了OB1。右击OB1块的图标，选择对象块属性，打开OB1的属性对话框。在属性对话框中填入相应的名称，符号名和注释，如图3.8所示。单击确定，完成OB1的属性设置。
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图3.8 OB1的属性设置
在子文件中选择块文件夹，在右边的窗口中右击选择添加OB100块，在属性设置的符号名字写入“初始化”，在符号注释中写入“系统初始化程序”。
在右边窗口空白处单击右键，在弹出的快捷菜单中选择插入下的功能，插入一个FC1, FC1的属性设置如图3.9，设置完单击确定退出。
图3.9 FC1的属性设置
同FC1一样，依次在窗口中添加功能FC2，FC3，FC4，功能块FB1，在属性设置对话框中设置：FC2符号名为选择实验台，符号注释为选择带传动实验台程序；FC3符号名为数据处理，符号注释为对待传动实验台采集的数据进行处理程序；FC4符号名为数据存储，符号注释为对带传动实
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验处理后的数据进行存储程序；FB1的符号名为数据采集存储，符号注释为对带传动实验台传感器采集的数据进行处理。
同样在右边窗口中添加DB1-DB9背景数据块，DB1的属性设置如图3.10所示。其他的背景数据块的属性设置类似。
图3.10 DB1的属性设置
和背景数据块一样，在窗口中添加DB10-DB13共享数据块。最终带传动实验台远程实验改造控制程序设计需要的块如图3.11所示。
图3.11 STEP 7块
3.3.5 带传动实验台改造STEP 7程序
OB1主程序：用户主程序
双击OB1图标，打开OB1块，对OB1进行编程。OB1程序中包含了对实验台运行、选择实验台、实验数据采集及实验数据处理存储程序块的调用，还包含了实验台加载和带传动实验台转矩、转速实时显示的程序。
（1）实验台运行程序
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调用FC1块，控制带传动的运行，将控制面板的启动、停止、重新实验和急停作为输入信号调用触发FC1块的程序，完成实验台的控制。程序如图3.12所示。
图3.12 调用FC1块运行程序
（2）选择实验台程序
调用FC2块，将控制面板五个选择实验台按钮作为输入信号，按选择实验台按钮选择相应的实验台进行实验。程序如图3.13所示。
图3.13 调用FC2块选择实验台程序
（3）带传动实验台加载程序
带传动实验台加载程序如图3.14-3.22所示。在程序中按一次加载按钮，带传动实验台加载一次；按下两次，带传动实验台加载两次，一直下去直到第七次加载。在图3.14中，以加载按钮的触发加计数器，计时器开始计数并把目前的计数值存储到PLC位存储内；在图3.15中比较可
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知是第一次按下按钮，启动加载1；在图3.16中是第二次按下按钮，所以启动加载二，直到第七次。在图3.22中，如果加载超过七次，也就是第八次则M1.4为1，复位计数器。
图3.14 计数器加载程序
图3.15 第一次加载程序
图3.16 第二次加载程序
图3.17 第三次加载程序
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图3.18 第四次加载程序图3.19 第五次加载程序图3.20 第六次加载程序35
图3.21 第七次加载程序
图3.22 第八次加载程序
（4）带传动实验数据采集程序
带传动实验台传感器数据采集程序如图3.23，图3.24所示。图3.23所示初始化、加载及位存储会触发定时器T1对带传动传感器测量的模拟信号进行每100ms采集一次，图3.24中，定时器T1会触发计数器C2，计数器C2计数采集数据的次数，当数据采集次数多与10次，计数器C2溢出并使定时器T1复位。数据采集时并调用FB1块把10次采集的数据存到相应设定的数据块中。
图3.23 数据采集的时间间隔
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图3.24 调用数据采集和数据存储程序
（5）带传动实验数据处理程序
带传动数据处理程序如图3.25所示。程序调用FC3，FC4块，实现对传感器采集的10个模拟量进行累加，平均数和数据存储的功能。
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图3.25 调用数据处理程序
（6）带传动实验模拟量采集数据实时显示程序
通过MOVE指令把传感器测量的数据存储到PLC的位存储中，并在WinCC上实时显示，程序如图3.26所示。
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图3.26 数据实时显示程序
OB100程序：初始化程序
在块目录下双击打开OB100，对OB100进行编辑。OB100是系统初始化块。程序代码图3.27所示。初始化程序执行时会把位存储字节、定时器和计数器清零，使它们回到初始状态。
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图3.27 初始化程序
以上是用户主程序的程序代码，包含了带传动实验的控制和实验功能，初始化模块对系统进行初始化，下面是主程序中调用块中的程序。
FC1程序：运行程序
在块目录下双击打开FC1，对FC1进行编辑。 （1）定义变量
带传动实验台改造有启动，停止，重新实验控制按钮，它们对应相应的带传动实验台的工作状态。在程序编辑器的变量表声明区声明变量，如图3.28所示
图3.28 在FC1中定义变量
（2）程序代码
根据带传动控制要求，程序梯形图如图3.29所示。在程序段1按star按钮则在通电延2s后启动带传动实验台并且电源指示灯变亮；按
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stop按钮则相反，急停则在发现带传动实验有故障时停止带传动实验。在程序段2，按new按钮则对定时器T1，计数器C1,C2进行复位。
图3.29 FC1代码编程
FC2程序：选择实验台
在块目录下双击打开FC2，对FC2进行编辑。 （1）定义变量
FC2编写的是对5台带传动实验台的选择程序，定义了5个输出选择变量，如图3.30所示。
图3.30 在FC2中定义变量
（2）程序代码
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FC2有五个程序段，每个程序段分别控制选择相应的实验台。如图3.31所示。
图3.31 FC2代码编程
FC3程序：数据处理
在块目录下双击打开FC3，对FC3进行编辑。 （1）定义变量
FC3块是对传感器采集数据进行处理，设置输入变量存取数据块号，如图3.32所示。
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图3.32 在FC3中定义变量
（2）程序代码
本程序执行的功能是把数据块存储的一系列数据进行累加，然后求平均数。在程序段1中，首先对DBW10赋初值0，通过正边缘触发使其在程序段1只执行一次，完成初值的设定；在程序段3和程序段4中通过整数加法指令，使DBW10实现从0到20以2位数的增加，而MW20则实现累加10个数的任务；通过程序段2的条件跳转语句实现20以外数值的跳转；在程序段5中，当数值大于20时，将MW20的数据移送到MW30；在程序段6中，对累加的结果除以累加次数求平均值。程序如图3.33所示。FC4程序：数据存储
在块目录下双击打开FC4，对FC4进行编辑。 （1）定义变量
如上面FC的过程类似，在FC4的变量声明区中定义变量，如图3.41所示。
图3.34 在FC4中定义变量
（2）程序代码
该程序可以实现将数据写到数据块的功能。如果TONGDAO=8，DB_NO=10，DBW=10，DBW2=DB9.DBW10实现的就是把以DB9.DBW10为起始单位的8个数据存放到数据库DB10.DBW10为起始单位的字单元中程序如图3.35所示。
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图3.33 FC3代码编程
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图3.35 FC4代码编程
FB1程序：采集数据存储
在块目录下双击打开FB1，对FB1进行编辑。 （1）定义变量
FB1设计模拟量读入的程序。声明变量表如图3.36所示，定义了四个变量：模拟量输入起始地址PIW、通道数TONGDAO、存储数据块DB_NO及数据其实位置DBW,其类型均为Int。
图3.36在FB1中定义变量
（2）程序代码
程序可以实现将地址为PIW的模拟量输入模块的TONGDAO个数据信号读入到数据库DB_NO.DBW开始的单元字节。程序使用了存储器间接寻址方式。其中临时本地数据为LW0，LD4，LD8等。如果使
PIW=288,TONGDAO=10,DB_NO=5,DBW=10,则实现的是将带传动实验台主电
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机的转速传感器测量的10个数据信号读到数据库DB5.DBW10开始的字单元中。程序如图3.37所示。
图3.37 FB1代码编程
最终通过以上步骤，利用PLC可实现对带传动实验台的控制，对实验数据采集和处理。
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4 带传动远程控制实验系统的与上位机通讯
4.1 WinCC功能简介
SIMATIC WinCC是一种可扩展的过程可视化系统(SCADA)，基于Windows平台，可实现完美的过程可视化，能为各种工业领域提供完备的操作和监视功能，涵盖从简单的单用户系统直到采用冗余服务器和远程web客户端解决方案的分布式多用户系统。结合集成过程数据库，使用WinCC，还可实现跨公司信息交换和垂直集成，通过采用工厂智能，可实现更大的生产透明性。
WinCC基本系统是各种不同应用的核心。它不仅包含开放的编程接口，还包含大量已经开发了的WinCC选件(由西门子公司A&D完成)和WinCC附加件，用于给用户提供各种功能的扩展。
WinCC资源管理器界面如图4.1所示。
图4.1 WinCC界面
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4.2 设计带传动实验台WinCC 画面
原有的带传动实验台的装置如图4.2所示。
图3.39 带传动实验台操作面板
现场的带传动实验台操作面板上有如下功能的按钮： 电源开关：控制带传动实验装置的电源接通和断开。
显示装置：把实验装置中的速度传感器和转矩传感器测量的主动轮和从动轮的转速和力矩实时显示出来。
加载：对从动轮进行加载，加以反向的电流，模拟从动轮上加载一定的载荷。实验台一共允许加载八次，按一次加载，上面的显示灯就亮一个，直到亮完。
加载指示灯：显示加载量。
清零：清除上次实验保留的数据，使实验台进入初始状态。 保持：实验进入稳定状态，按保持按键使显示器显示的数值保持在显示装置中不变化，方便实验人员对测量的实验数据进行记录。
送数：把传感器测的数据送入相连计算机中进行下一步的处理。 利用PLC对带传动实验台进行改造，利用WinCC设置带传动实验远程监控的控制面板，控制面板包括：
实验台选择按钮：在远程控制中可以选择空闲的实验台进行实验，提高实验设备利用率。
启动/退出按钮：打开/关闭实验装置电源，用来控制实验台的启动和停止。
加载：利用PLC对实验装置上的可控硅进行控制加载，使从动轮上加上一定的反向电流。
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显示框：把传感器测得的数据经过PLC传输到上位机中显示出来，传输的数据包括主动轮的转矩、转速和从动轮的转矩、转速。
初始化：清除上次实验保存的数据，对实验装置进行初始化。 重做实验：在实验过程中出现错误可以点击重做实验按钮进行重新开始做实验或者实验进行完一次还想重新做一次，更多了解带传动实验的内容与原理可以点击进行重新开始实验。
送数按钮：对实验采集的数据进行保存，保存到上位机中。 电源灯：实验台电源接通，绿灯亮；实验台电源不通，绿灯灭。 加载指示灯：按一次加载按钮，亮一个红灯，和操作面板上一致，一共有八个指示灯，加载直到灯全亮为止。
监视显示：把现场摄像装置传输的数据通过上位机在计算机上视频显示现场情况。
生产实验数据报告：对采集的带传动实验数据进行处理，生产相应的实验数据报告。
改造后的带传动实验远程虚拟界面在原有带传动实验台现场控制的基础上增加了远程控制功能，改造后的装置不但可以利用网络对现有装置进行网络远程控制实验，而且远程控制还增加了数据保存、监视及处理的功能，可以在实验完成以后对实验数据进行保存并生成相应的实验报告，可以在实验进行的过程中对实验过程时时监控。远程控制装置中还设置电源指示灯，以检验远程监控电源的连接和控制是否正常。设计的带传动远程实验的界面如图4.3所示。
图4.3 带传动远程实验虚拟界面
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4.3 带传动远程控制实验系统接口
带传动远程控制实验系统的数据和控制接口是由WinCC提供，在WinCC中所谓的接口也就是建立PLC连接的通道。
设计好WinCC画面之后就要建立过程画面与PLC的连接进行通讯，和PLC建立通讯，就是建立WinCC和控制PLC的STEP7内部变量。西门子公司已经为WinCC和STEP7设置好了内部函数来表达WinCC和STEP7中建立的变量控制的相应关系。在WinCC中设置相关图标的属性，通过触发界面上的按钮或其他控制、显示的图标，就可以调动WinCC内部的函数，触发STEP7的相关变量，从而控制PLC的相关动作。如图4.4显示了WinCC与STEP7连接。
4.3.1 带传动远程控制实验系统变量符号表
要在WinCC界面中控制带传动实验台，就需要在WinCC中建立与STEP7相应变量，在与PLC中地址进行映像，建立通讯，从而在计算机上利用WinCC界面来控制带传动实验台的实验。表4.1为带传动实验台改造的变量表。
图4.4 WinCC与STEP7的连接
表4.1 带传动实验台改造变量表 PLC地址 WinCC地址 变量名 50
I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I4.0 14.1 I4.2 14.3 I4.4 PIW288 PIW290 PIW292 PIW294 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q4.0 Q4.1 Q4.2 Q4.3 Q4.4 Q4.5 M0.0 M0.1 M0.2 M0.3 M0.4 M0.5 M0.6 M4.0 M4.1 M4.2 M4.3 M4.4 MW8 MW6 MW4 MW2 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q4.0 Q4.1 Q4.2 Q4.3 Q4.4 Q4.5 启动 停止 初始化 重新实验 送数 加载 急停 选择实验台1 选择实验台2 选择实验台3 选择实验台4 选择实验台5 转速1 转速2 转矩1 转矩2 启动实验台 电源指示灯 加载1 加载2 加载3 加载4 加载5 加载6 实验台1 实验台2 实验台3 实验台4 实验台5 加载7 4.3.2 带传动实验台WinCC连接项目
通过WinCC控制带传动实验台就要建立WinCC与PLC的连接通道。
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要在WinCC变量管理器中创建WinCC变量，首先必须组态一个与PLC的连接。但是，不必安装硬件，安装所需的驱动程序，并组态连接就可以了。安装新的通讯驱动程序，可以通过单击变量管理器并从弹出式菜单中选择添加新驱动程序来完成，从所显示的对话框中，选择西门子s7协议族驱动程序SIMATIC S7 protocol serial CHN。
通过单击打开按钮将驱动程序插入WinCC项目中。WinCC资源管理器现在即可将新驱动程序条目显示在变量管理器中，而不仅显示内部变量。通过单击新驱动程序条目，可显示一个或几个子条目，即通道单元。在变量管理器下新建的西门子S7协议中选择MPI选项右击，在弹出的快捷菜单中选择新驱动程序的连接，从而创建了一个连接，在出现的连接属性的画面中，我们将带传动实验远程控制连接命名为myplc，如图4.5所示。这样，我们就建立了一个WinCC和PLC连接的通道。
图4.5 带传动实验台的MPI连接命名
单击名称旁的属性按钮，弹出连接参数对话框，在连接参数对话框中设置站地址为2，插槽好为2，建设好了点击确定按钮，则建立了MPI连接。在插槽号中设置的是CPU在STEP7中组态是的插槽号，在上面带传动远程实验控制系统的STEP7设置中，硬件组态选择CPU位于第二号槽中，所以在连接参数的对话框中也选择相应的插槽号2。其余的可随系统的默认不做更改，这样就在WinCC和CPU之间建立了联系。
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4.3.3 带传动远程控制实验系统通道建立
WinCC可以和PLC建立通道，即建立相应的变量，首先为这些变量分组，在带传动实验中分为两组，第一组是基本的运行变量，包括启动、停止、加载等，基本上实现的是一些按钮的功能；第二组设置的是数据变量组，包括带传动实验台传感器采集的主、从电机的转矩、转速变量。
在内部变量的MPI的右击MYPLC握手连接，在弹出的菜单中选择新建组（G），新建一个组并命名为yunxing。如图4.6所示。
（1）启动按钮变量通道连接
设置好组名后，右击带传动实验台WinCC画面中的开关按钮出现下面画面，在弹出的快捷菜单中选择属性选项，弹出对象属性对话框，在对象属性的对话框中选择数据类型为BOOL，如图4.7所示。
图4.6 运行变量组
然后点击地址（A）旁的选择按钮，在出现的地址属性对话框中根据变量表选择地址为I0.0，这样就把PLC的位地址I0.0和WinCC建立起连接。在开关按钮的属性设置的userdefined1项中右击Toggle的动态项选择变量选项，在相互的变量项目对话框中选择qidong变量项目，此时动态指示灯设置点亮表示连接正确。
点击WinCC界面中启动按钮，使其置1，由于按钮的地址选择的是I0.0，通过内部函数和变量表，也就时I0.0的状态从0到1，从而触发
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STEP7中的指令，控制PLC的状态，进而控制带传动实验台做出相应的动作。
图4.7 启动变量属性
（2）其他运行按钮变量通道连接
和前一步骤一样的方法，分别设置停止、初始化、重新实验、加载、送数等按钮的变量通道。根据变量表在所属属性的地址选项中选择其相应的地址，然后设置按钮的动态项选择变量，在动态量选项变化框中设置它们对应状态的设置。
在内部变量的MPI的右击MYPLC握手连接，在弹出的菜单中选择新建组（G），新建一个组并命名为canshu。如图4.8所示。
图4.8 参数变量组
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设置好组名后，下一步就要在组内建立过程变量。右击上一步新建的新建组canshu,在弹出的菜单中选择新建变量命令，建立第一个变量带传动实验主动电机力矩的变量，命名为zhuliju，数据类型选择无符号8位数。点击地址（A）旁的选择按钮，在出现的地址属性对话框中选择数据为为内存，地址选择字节MW6，如图4.9所示。
如此相同的建立其他几个变量连接zhuzhuansu（主动轮转速），congliju（从动轮力矩），congzhuansu（从动轮转速）。
设置好带传动实验虚拟画面，在WinCC中设置与STEP7相应的变量，也就是把STEP7 中的变量映射到WinCC中，在WinCC界面上功能按钮的属性只需设置为控制带传动相应的变量，这样就可以在计算机上通过WinCC设计的带传动实验的虚拟界面就可以控制带传动实验台。点击WinCC界面上的功能按钮，使在WinCC中设置变量的属性值发生变化，由于WinCC中的变量是STEP 7的映像，同样引起STEP 7中的变量的属性值发生变化，STEP7中变量的变化会调用相应的触发指令使PLC发出命令，从而控制带传动实验台动作，再加上网络数据的传输就可以实现带传动实验台的远程虚拟实验
图4.9 设置变量在PLC中的地址
4.4 带传动远程控制实验系统网页
首页是在远端计算机操作的第一个界面，用户打开浏览器，输入设置的网址，就可以打开如图4.1所示的带传动实验台的远程虚拟实验平台
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网页，在网页上设置了主页、下载中心、实验介绍、进行实验、摄像头、关于我们六个相应的模块，用户可以点击相应的按钮进入相应的模块。
图4.1 主页的界面
首页显示一些带传动远程实验网页基本和主要信息，例如制作该网页的目的，进入下一级网页的按钮等。
在实验介绍页面，用户通过对带传动实验、对带传动实验台和远程控制的相关介绍可以对远程控制带传动实验系统做一些基本了解，从而在实验时思路可以更清晰。点击摄像机选项，进入现场监视页面，用户可以在页面中监视现场带传动实验台运行情况。
点击进行实验页面，用户可即进行远程带传动实验,进入后可以看到WinCC设计的待传动实验台界面，操纵页面上的各种按钮，即可实现对带传动实验台的控制，从而完成带传动实验。
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5 结论
随着网络技术的发展和不断的完善，远程教育也逐渐走向成熟，在远程教育中远程实验是不可缺少的重要部分，本文对目前远程实验及远程控制技术的发展水平和发展趋势进行分析，并开发基于PLC的远程带传动实验系统，通过这个系统可以实现带传动实验台的远程控制，从而达到远程控制的目的。
本文主要围绕方案的设计、器件的选用、硬件设计与制作、网站及软件的设计几个方面进行了阐述。其主要工作和特色如下：
(1)对带传动实验台硬件改造。
(2)利用PLC控制受控源，在STEP 7上实现PLC实验。 (3)为虚拟实验的教学软件提供数据接口和控制接口。
总之，本设计达到了预期的效果，基本上完成了基于PLC远程控制实验系统的研究和具体的实现，为远程教育提供一种实验手段。当然，论文中还有些改进和提高的问题，如网络延时的问题，网络堵塞的问题，多人同时作PLC实验的问题，这些问题会在今后的工作和研究中努力去解决。
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致 谢
该论文是在老师的精心指导下完成的。本人在校学习和在论文的撰写过程中，老师都给予了很多关心和支持。老师严谨细致的启迪，使我受益匪浅。在此，向我的导师表示衷心的感谢和深深的敬意!
在学习过程中，老师们给予了热情的帮助，衷心的向他们表示深深的谢意!
我还要特别感谢我的舍友们，感谢他们一直以来对我的关心、爱护和对我所作的工作的默默支持。
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