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“遠程實驗室軟件系統(tǒng)”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(fā)的軟件產(chǎn)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(huán)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(tǒng)已經(jīng)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(huán)境工程、環(huán)境科學、藥劑專業(yè)等八個專業(yè)的約1200名學生使用了該系統(tǒng)，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(wǎng)上的第一個分布式遠程實驗室――化工原理校際聯(lián)合遠程實驗室。通過該系統(tǒng)把三個學校的化工原理實驗教學優(yōu)質資源整合，實現(xiàn)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(fā)戰(zhàn)略。
浙江大學本著讓學生對先進的工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控技術有感性認識的思想，希望將嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)以及配套的支持各種現(xiàn)場總線的I/O模塊，能夠提供系列化的成套產(chǎn)品。浙江大學和作為遠程實驗室軟件開發(fā)商的浙大合力科技有限公司對泓格的系列產(chǎn)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(xié)商，一致同意使用泓格饋贈的嵌入式產(chǎn)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(shù)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(zhí)行機構，泓格公司無償贊助提供以下產(chǎn)品：
?。?）W-8731 WinCon嵌入式控制器1套；
?。?）I-87017 8CH模擬量輸入模塊1套；
?。?）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(chǎn)品：
（1）管內強制對流傳熱膜系數(shù)測定實驗嵌入式測控服務器軟件1套；
?。?）管內強制對流傳熱膜系數(shù)測定實驗學生客戶端軟件1套；
（3）數(shù)據(jù)交換服務器軟件1套；
?。?）管理監(jiān)控工具軟件1套。
經(jīng)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(tǒng)總體指標符合原設計要求，系統(tǒng)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(shù)1，測定原理是根據(jù)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：
圖1 實驗裝置示意圖
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(jié)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(xù)控制的有：空氣流量調節(jié)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(tǒng)架構
根據(jù)Internet應用程序的特點及要求并考慮到系統(tǒng)可靠性、安全性、穩(wěn)定性、使用的方便性以及系統(tǒng)維護等因素，遠程實驗室系統(tǒng)設計了由客戶端、嵌入式控制子系統(tǒng)、實驗信息服務器、子網(wǎng)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(jiān)測實驗設備，完成實驗操作；子網(wǎng)服務器提供用戶、嵌入式控制子系統(tǒng)和實驗信息服務器相互間的實時數(shù)據(jù)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(tǒng)完成實驗設備現(xiàn)場的測控服務，并提供設備安全保障；而遠程實驗室系統(tǒng)調度和數(shù)據(jù)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(tǒng)的嵌入式平臺。與標準的 Window OS相比，Windows CE.NET 具有許多優(yōu)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(fā)者有足夠的發(fā)展平臺例如Networking，Internet Service，Web server，F(xiàn)TP server，DCOM，.NET Compact Framework等軟件包，讓系統(tǒng)開發(fā)者可以將更多的時間花在應用程序的開發(fā)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(fā)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(tǒng)的嵌入式控制系統(tǒng)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(tǒng)軟件移植開發(fā)
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(tǒng)移植帶來了極大的方便。遠程實驗室嵌入式控制系統(tǒng)主要的事務分為：數(shù)據(jù)采集、設備控制、對實驗信息服務器數(shù)據(jù)庫的實時訪問、與子網(wǎng)服務器的數(shù)據(jù)交換以及與教師端（提供教師監(jiān)控學生實驗操作，并可以隨時進行指導）的監(jiān)控通訊五項。泓格公司提供I-8000系列產(chǎn)品的同時也提供了相關的SDK，簡化了數(shù)據(jù)采集和設備控制的編程工作，使測控子系統(tǒng)的移植工作重心轉移到了對實驗信息服務器數(shù)據(jù)庫的實時訪問和與子網(wǎng)服務器的數(shù)據(jù)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(yōu)點就是能重構與子網(wǎng)服務器數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡通訊代碼，從而又能進一步減少工作量，而Windows CE.NET的網(wǎng)絡API采用了Winsock2.0，這為滿足教師端監(jiān)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(tǒng)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(lián)合分布式實驗系統(tǒng)中，提高了裝置的使用效益。
WinCon-8000控制器具有工業(yè)計算機的標準接口，能滿足工業(yè)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(yè)計算機更能承受化工實驗室實驗現(xiàn)場的惡劣環(huán)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(tǒng)的遠程實驗室系統(tǒng)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(chǎn)品手冊；
2、泓格產(chǎn)品手冊；
3、吳嘉等，化工原理仿真實驗，北京，化學工業(yè)出版社，2001。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號