CN107437346A - 一种远程在线实训学习系统 - Google Patents
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Abstract
一种远程在线实训学习系统,系统包括远程客户端、现场控制设备、现场实训设备及现场检测设备,远程客户端采用无线通信方式发送操作指令接管现场控制设备同时接收和显示视频和参数信息;现场控制设备包括上位机、下位机及摄像设备;现场实训设备包括主控装置和控制对象,摄像设备拍摄跟踪并将现场的视频信息上传到上位机;现场检测设备对控制对象进行检测;上位机将视频信息和检测信息发送到远程客户端以显示。学生利用该系统,借助身边的个人计算机或智能手机,以无线控制方式,控制现场控制端,对实训模块进行操作与控制,以完成相应课程的实训,从而节约了学习成本,提高了设备资源的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及教学设备,特别是涉及一种远程在线实训学习系统。
背景技术
目前,计算机远程网络教学系统,发展方兴未艾,但受时间和空间的限制,传统网络教育模式逐渐暴露出它的局限性与弊端,其中实践环节更是它的短板。比较典型的是,参加网络远程学习的工科学生,在实践环节的学习过程中,如不能亲身来实训室,除去做些仿真,则无所事事,这一现象在国内的远程在线教育中,十分普遍。目前一种流行的解决方法是建立虚拟实验室(Virtual Laboratory),尽管虚拟实验室能对实践教学起到一定的作用,但也同样面临很多问题,主要体现在以下3个方面:
①虚拟仿真模型建立难度很大,而模型的精确度,又直接影响实验结果的准确性和可靠性,其可操作范围被限制。
②虚拟仿真模型被理想化,学生无法感受现实实验中的操作,引起的变化,缺乏对现实操作中出现情况的应对能力的锻炼。
③实际设备在实验操作中,由于环境的干扰和影响,而导致每个人的实验结果不一样,而仿真模型对这一现象,则无法虚拟。
以上虚拟实验室的不足,目前还没有很好的解决方法,急需改进。
发明内容
本发明目的在于提供一种远程在线实训学习系统,旨在解决目前虚拟实验室和真实的实训较大的差距,效果差的问题。
本发明提供了一种远程在线实训学习系统,所述系统包括远程客户端、现场控制设备、现场实训设备及现场检测设备,其中:
所述远程客户端用于将实训学员输入的操作指令向外发送,同时接收和显示远程信息;
所述现场控制设备安装有PLC编程软件与组态软件,包括与所述远程客户端通讯接收所述操作指令的上位机、与所述上位机通讯用于下发所述操作指令以现场控制的下位机、接收所述操作指令进行现场实训监控的摄像设备;
所述现场实训设备包括与所述下位机通讯的主控装置和与所述主控制装置连接的控制对象,所述主控装置接收所述操作指令控制所述控制对象执行相应的动作;所述摄像设备根据所述操作指令对所述控制对象进行拍摄跟踪并将视频信息通过所述下位机上传到所述上位机;
所述现场检测设备对所述控制对象进行检测并输出检测信息到通过所述下位机上传到所述上位机;所述上位机将所述视频信息和所述检测信息发送到所述远程客户端;所述远程客户端接管现场控制设备的上位机,调用上位机内安装的软件资源,同时接收和显示所述现场控制设备回传的现场及所述现场实训设备的所述视频信息和所述检测信息。
优选地,所述摄像设备包括固定于工作台的升降装置、滑动设置在所述升降装置上的云台舵机、设置在所述云台舵机上的摄像头以及和固定在所述升降装置一端驱动所述云台舵机在所述升降装置上滑动的驱动电机。
优选地,所述升降装置为丝杆起降平台。
优选地,还包括用于控制所述主控装置切换控制所述控制对象的切换电路,所述切换电路连接在所述下位机和所述主控装置之间。
优选地,所述主控装置包括PLC控制器和/或变频器;所述控制对象包括伺服电机、步进电机和异步电机中的一种或多种。
优选地,所述远程客户端包括智能手机、智能平板和计算机终端中的一种或多种。
优选地,所述上位机为计算机终端。
优选地,所述下位机为微处理器模块。
优选地,所述现场检测设备包括检测转速的光电传感器、检测电流的电流传感器、检测电压的电压传感器和检测温度的温度传感器中的一种或多种。
优选地,还包括与所述上位机通讯连接的显示器,所述显示器显示所述视频信息和所述检测信息。
上述远程在线实训学习系统,学生利用该系统,在任何有无线网络信号覆盖的地方,借助身边的个人计算机或智能手机,以无线控制方式,控制和接管安放在实训室内的系统现场控制端,利用现场控制端上位机内的资源,学习PLC 等程序设计,对实训模块进行操作与控制,以完成相应课程的实训,从而极大地节约了学习成本,提高了设备资源的利用率,弥补了互联网在线学习发展潮流中的缺陷,在广大工科专业在线学习或线上、线下混合式教学领域具有非常广阔的应用前景与推广价值,对推动我国远程教育,向更高、更深层次发展,具有重要意义。
附图说明
图1为本发明较佳实施例中远程在线实训学习系统的系统模块示意图;
图2为图1所示远程在线实训学习系统中现场控制设备和现场实训设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请参阅图1,本发明较佳实施例中远程在线实训学习系统包括远程客户端 10、现场控制设备、现场实训设备14及现场检测设备15。
远程客户端10用于将实训学员输入的操作指令向现场控制设备发送,同时接收和显示现场信息。实训学员利用身边的智能手机、智能平板和计算机终端中,在装载通用远程控制软件TeamViewer后,即可利用无线,和现场控制设备网络与安装在实训室的系统现场实训设备14,进行远程无线通信,以完成相应的实训项目。远程客户端10采用无线通信方式,向现场控制设备发送操作指令,接管现场控制设备的上位机11,调用安装在上位机11上的各种软件资源,应用程序(如PLC编程程序与各类组态软件),同时接收和显示现场控制设备回传的现场及现场实训设备的现场视频和各类现场检测参数的信息。
现场控制设备包括与远程客户端10通讯接收操作指令的上位机11、与上位机11通讯用于下发操作指令以现场控制的下位机12、接收操作指令进行现场实训监控的摄像设备13。现场实训设备14包括与下位机12通讯的主控装置和与主控制装置连接的控制对象,主控装置接收操作指令控制控制对象执行相应的动作;摄像设备13根据操作指令对控制对象进行拍摄跟踪并将视频信息通过下位机12上传到上位机11。本学习系统中,实训对象采用模块化设计,加装通信串口,一个实训项目对应于一个实训模块,实训项目和实训模块今后可以根据需要不断扩充。远程实训模块与系统的现场控制端电缆相连,采用 RS-232进行异步串行通信。现场检测设备15对控制对象进行检测并输出检测信息到通过下位机12上传到上位机11;上位机11将现场的视频信息和检测信息发送到远程客户端10以显示。
上位机11接收学生远程客户端10的命令,与实训室的现场实训设备14 进行有线通信,学生利用客户端,远程操纵现场控制端的上位机11,进行各种编程软件以及组态软件(GX-Develop、组态王、Wincc等)的学习和应用,对远程实训模块进行相应的控制,按实训要求,完成相应实训内容。同时在实训过程中,它还可以,接收学生远程客户端10的命令,调整自带摄像设备13的角度,以便实时上传实训现场图像和监控数据给学生客户端,便于学生观察实训效果,修改实训相关的程序设计,和协助实训室现场管理员,进行实训设备的安全防护。
摄像设备13包括固定于工作台20的升降装置131、滑动设置在升降装置 131上的云台舵机132、设置在云台舵机132上的摄像头133以及和固定在升降装置131一端驱动云台舵机132在升降装置131上滑动的驱动电机134。优选地,升降装置131为丝杆起降平台。优选的,现场摄像头133可以有一个或多个,便于监控现场实训对象及现场环境。
现场检测设备15包括检测转速的光电传感器、检测电流的电流传感器、检测电压的电压传感器和检测温度的温度传感器中的一种或多种。
远程在线实训学习系统还包括用于控制主控装置切换控制控制对象的切换电路17,切换电路17连接在下位机12和主控装置之间。
主控装置包括PLC控制器141和/或变频器142;控制对象包括伺服电机 144、步进电机和异步电机143中的一种或多种。上位机11为计算机终端。下位机12为微处理器模块,如单片机模块。远程在线实训学习系统还包括与上位机11通讯连接的显示器16,显示器16显示视频信息和检测信息。
作为一种实施方式,学生远程客户端10需装载TeamViewer软件,方可使用本系统。系统使用前,学生需与实验室管理员预约,预约成功后,即可获得实训室内一台现场上位机11(放置在对应控制箱内)的TeamViewer动态密码,学生登录客户端TeamViewer,输入现场上位机11的ID地址和TeamViewer动态密码后,即可完成客户端与该上位机11的通信连接。
通信成功后,现场上位机11自动弹出登陆管理界面,该界面程序为方便现场管理员进行本次实训存档与管理所制。学生远程用户在输入学号、密码等,管理程序校验成功后,学生远程用户即可接管该上位机11。
学生客户端除调用上位机11内的各种软件资源进行程序设计、数据上传、软件运行外,还可根据现场控制端中的控制运行界面,实时控制现场控制端中的丝杆起降平台和云台,调整摄像头133的位置和角度,进行0-180度的旋转、升降,以便观察实训运行效果,实现对实训现场和各类实训参数的监控。
现场控制端机械设计图如图2,主要由控制箱(箱内含上位机11,其显示屏外露)、步进电机控制的升降台、摄像头133等构成。其中,控制箱是现场控制设备的核心,由本学习系统的主控板、驱动电路、接口电路、通信电路、内置上位机11构成。主控制板输出引脚采用电缆连接方式与现场实训设备14 相连,以便外地学生,对现场实训设备14进行操作与控制。摄像头133个数,根据需要,可以进行增添,以学生扩大观察视野,更加方便地观察实训过程和状态。
设备控制端具体工作过程如下:
1、控制箱中的主控板,结合上位机11程序,通过Teamviewer软件,与远程客户端10进行数据通信。
2、控制箱中的主控板与上位机11的主板相连。现场检测设备15在实训过程中,采集实训模块中诸如三相异步电机转速、电流,电压、温度等参量,然后通过串口,在上位机11显示屏上显示出来。
3、远程客户端10与现场控制设备无线通信,实时、同步显示显示屏的内容,学生根据屏幕显示的如电机转速、温度,电流、电压等参量,以及现场摄像头133上传界面中的图像信息,观察实训现象,以便及时调整自己,按实训项目设计的程序,完成相应的实训内容。实训室管理人员,也可通过观看上位机11显示屏的显示的学生编制的实训程序和实训测量参数,对远程学生进行辅导。
5、在必要时,学生远程客户端10还可根据现场情况,辅助实训室管理人员操作切换电路控制继电器,进行系统安全报警,紧急合闸等安全措施。
在一示例中,现场实训设备14将三菱FX-3U PLC,三菱E520变频器和三相异步电动机集成一起,外界有串口通信接口,便于与控制箱进行异步串行通信。在实训前,由现场管理人员,完成现场实训设备14与现场控制设备中控制箱的线路连线。远程客户端10也可以通过控制控制箱中的切换开关进行远程连接。现场实训设备14今后根据需要,可以不断添加,也可以利用目前现有的实训模块,增添串行接口,进行简单改造得到,从而扩展实训项目。
使用本系统,学生不用亲临实训室,在任何有网络覆盖的地点,即可真实地完成相应的实训项目,从而大大节省学习成本,提高实训设备的利用率。本系统远程在线学习技术,属于国内首创,填补了国内远程实践教育环节的不足,对推动我国远程教育,向更高、更深层次的发展具有重要意义。
系统软件采用LabVIEW编写。LabVIEW对于测控系统领域,界面编程控制是其特长,但由于本身技术的局限,远程通信控制是其短板,本项目程序中,集成有新型通用通信软件TeamViewer,利用其强大的远程通信优势,与 LabVIEW完美结合,以弥补LabVIEW的不足,完成相应通信功能,达到了理想通信效果。
本系统设计巧妙,将LabVIEW和TeamViewer有机地融合,发挥各自所长,从而使得整个系统的设计变得简洁,避免了开发复杂的底层功能程序与协议,省去了结构复杂且难以维护的数据传输服务器等,提高了系统的可靠性,降低了成本,缩短了开发周期,也易于今后系统的维护,适合我国教育资源不均衡的特点,因而有利于大面积推广普及。
目前图形界面控制,一般采用VC,C#等程序编制,而本项目经过综合比较,采用了目前在测控领域流行的LabVIEW软件编写。在程序设计上,LabVIEW 拥有丰富的函数库,各种功能函数封装了复杂的底层代码,因而项目在编写时只需专注软件功能的开发,而不必钻研复杂的底层代码编写。它基于简单易懂的图像化开发流程方法,无疑大大缩短了本项目的开发周期。
在本项目实际的设计中,LABVIEW确实在图形界面上,显示出其强大的设计能力,然而,由于自身技术所限,基于LabVIEW的Web发布技术,目前只能做到在内网(局域网)的“远程控制”,而要实现外网控制,真正做到远程控制,就得穿透内网。LabVIEW目前只能是通过打开VIRTUAL INSTRUMENT(VI),通过设置后,生成内网URL,再启动LabVIEW的Web 服务器,来在局域网内,进行“远程面板控制”,而它要突破内网局限,就只得购置昂贵的服务器,购买域名,购买流量等等,将电脑内网IP映射至外网,把LabVIEW生成的URL的服务器改成购买的服务器,进行登录运行,再进行远程控制。中间要设置域名,服务器,端口,了解复杂的通信协议,稍有不慎即通讯不成功,费时费力,增加投资。
我们本次发明的设想的是,外地学生通过远程客户端10,接管现场上位机 11,学习PLC编程、组态软件的设计,以及进行现场图像数据的传输等,如果用上述方法,进行远程控制,投资大,技术上也很难实现可靠运行。
经过比较与实践,我们选择了一款专业远程控制软件TeamViewer,以实现无线通信各个功能。TeamViewer由德国TeamViewer GmbH公司2005年研制,是“一个能在任何防火墙和NAT代理的后台用于远程控制、桌面共享和文件传输的简单且快速的通用通信软件”。我们在设计中,在学生远程客户端10的计算机与现场上位机11上,同时运行TeamViewer,从而使得两台计算机上,自动生成伙伴ID,远程学生客户端,只需要输入现场控制端的伙伴ID到 TeamViewer,两台计算机即可自动建立起连接,从而实现两者之间的远程通信。
本系统设计中,TeamViewer的使用,弥补了LabVIEW远程通信的不足,提高通信传输速度以及可靠性,达到了一举多得的效果。
上述远程在线实训学习系统,学生利用该系统,在任何有无线网络信号覆盖的地方,借助身边的个人计算机或智能手机,以无线控制方式,控制安放在实训室内的系统现场控制端,对实训模块进行操作与控制,以完成相应课程的实训,从而极大地节约了学习成本,提高了设备资源的利用率,弥补了互联网在线学习发展潮流中的缺陷,在广大工科专业在线学习或线上、线下混合式教学领域具有非常广阔的应用前景与推广价值,对推动我国远程教育,向更高、更深层次发展,具有重要意义。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种远程在线实训学习系统,其特征在于,所述系统包括远程客户端、现场控制设备、现场实训设备及现场检测设备,其中:
所述远程客户端用于将实训学员输入的操作指令向外发送,同时接收和显示远程信息;
所述现场控制设备安装有PLC编程软件与组态软件,包括与所述远程客户端通讯接收所述操作指令的上位机、与所述上位机通讯用于下发所述操作指令以现场控制的下位机及接收所述操作指令进行现场实训监控的摄像设备;
所述现场实训设备包括与所述下位机通讯的主控装置和与所述主控制装置连接的控制对象,所述主控装置接收所述操作指令控制所述控制对象执行相应的动作;所述摄像设备根据所述操作指令对所述控制对象进行拍摄跟踪并将现场视频信息通过所述下位机上传到所述上位机;
所述现场检测设备对所述控制对象进行检测并输出检测信息到通过所述下位机上传到所述上位机;所述上位机将所述视频信息和所述检测信息发送到所述远程客户端;所述远程客户端接管所述现场控制设备的上位机,调用上位机内安装的软件资源,同时接收和显示所述现场控制设备回传的现场及所述现场实训设备的所述视频信息和所述检测信息。
2.如权利要求1所述的远程在线实训学习系统,其特征在于,所述摄像设备包括固定于工作台的升降装置、滑动设置在所述升降装置上的云台舵机、设置在所述云台舵机上的摄像头以及和固定在所述升降装置一端驱动所述云台舵机在所述升降装置上滑动的驱动电机。
3.如权利要求2所述的远程在线实训学习系统,其特征在于,所述升降装置为丝杆起降平台。
4.如权利要求1所述的远程在线实训学习系统,其特征在于,还包括用于控制所述主控装置切换控制所述控制对象的切换电路,所述切换电路连接在所述下位机和所述主控装置之间。
5.如权利要求1所述的远程在线实训学习系统,其特征在于,所述主控装置包括PLC控制器和/或变频器;所述控制对象包括伺服电机、步进电机和异步电机中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的远程在线实训学习系统,其特征在于,所述远程客户端包括智能手机、智能平板和计算机终端中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的远程在线实训学习系统,其特征在于,所述上位机为计算机终端。
8.如权利要求1所述的远程在线实训学习系统,其特征在于,所述下位机为微处理器模块。
9.如权利要求1所述的远程在线实训学习系统,其特征在于,所述现场检测设备包括检测转速的光电传感器、检测电流的电流传感器、检测电压的电压传感器和检测温度的温度传感器中的一种或多种。
10.如权利要求1所述的远程在线实训学习系统,其特征在于,还包括与所述上位机通讯连接的显示器,所述显示器显示所述视频信息和所述检测信息。
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