CN111147608A - 一种虚实结合的实验室模拟系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种虚实结合的实验室模拟系统，包括远程VPN连接和云端组态环境；所述远程VPN连接包括用户所使用的第一PC机、普通路由器、VPN路由器；所述普通路由器与VPN路由器之间构成一个VPN通道，所述普通路由器与第一PC机相连，所述VPN路由器与现场的控制器端相连；所述云端组态环境包括MQTT服务器、Web客户端及数据库；一种虚实结合的实验室模拟系统的工作方法，（1）初始化过程；（2）第一PC机通过VPN通道将程序下载至控制器；（3）第一PC机登录至Web客户端，通过Web客户端将程序传送至MQTT服务器，MQTT服务器将程序保存至数据库；本发明可以通过远程VPN连接远程下载调控控制器程序，云端组态环境部分真实的模拟实验室实验效果；大大降低了实验室的建设成本。

Description

一种虚实结合的实验室模拟系统及其工作方法
技术领域
本发明属于网络组态应用领域，具体涉及一种虚实结合的实验室模拟系统及其工作方法。
背景技术
在自动化教学的过程中，PLC作为一种控制器，是教具的常用选择。但是，现有的教学体系中，一般会在实验室中购买PLC并配置一系列相对应的设施，需要投入大量成本。而且在做基础功能的入门时，很多复杂的功能根本使用不到，而且容易造成不必要的实验损耗。实验室开放的时间与空间也是有限的，不能充分满足练习的需要。因此提出一种虚实结合的实验室模拟系统，可以有效解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种虚实结合的实验室模拟系统及其工作方法。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种虚实结合的实验室模拟系统，其特征在于：包括远程VPN连接和云端组态环境；所述远程VPN连接包括用户所使用的第一PC机、普通路由器、VPN路由器；所述普通路由器与VPN路由器之间构成一个VPN通道，所述普通路由器与第一PC机相连，所述VPN路由器与现场的控制器端相连；所述云端组态环境包括MQTT服务器、Web客户端及数据库，所述MQTT服务器与数据库、Web客户端相连；所述云端组态环境与普通路由器及VPN路由器连接。
进一步的，所述MQTT服务器作为BORKER转发来自Web客户端的数据；所述MQTT服务器用于将Web客户端的数据解析过来并转发至数据库保存；所述MQTT服务器对Web客户端与模拟实验相关的仿真程序、设计接线、仿真结果数据进行解析，并保存至数据库。
进一步的，所述数据库用于存储Web客户端的账户名、密码、控制器的相关变量与控制器的通讯协议及仿真结果。
进一步的，所述Web客户端包括实验仿真系统的登录页面、设计页面和仿真页面；
其中，所述登录页面需要输入对应的账号信息进行登录；
所述设计页面用于设置控制器的型号与接线方式，确定需要监控的控制器参数；并且可以选择常用的控制对象进行添加，与控制器配合，形成完整的电气设计；
所述仿真页面，通过调用数据库内相关通讯协议，监控控制器的参数变化；在仿真页面中，更改在设计页面已设计完成的常用控制对象的状态，经过控制器的运算，将仿真结果展示出来。
优选的，所述登录页面存在着权限区分，包括普通账户和管理员账户；所述管理员账户可用于设定用户的账号、密码、权限，分配用户可以使用的控制器，查看用户的仿真结果；所述普通账户可以进入设计页面进行设计、进入仿真页面进行仿真。
进一步的，所述普通路由器与用户所使用的第一PC机相连，形成VPN客户端；所述VPN路由器端与第二PC机连接进行相关的参数配置，形成VPN通道，所述第二PC机作为VPN服务器；所述VPN客户端通过VPN通道可以直接访问VPN路由器所在局域网内的所有控制器，进行控制程序的下载。
进一步的，所述控制器中相关变量、通讯协议与Web客户端所需的值存储在数据库之中，便于用户登录Web客户端后，根据实际控制需求，配置所需的通讯协议及需要监控的相关变量。
本发明的实施例另外还提供一种虚实结合的实验室模拟系统的工作方法，其特征在于，包括以下过程：
（1）初始化过程：
（1-1）VPN连接功能初始化；
用户在控制器所在的实验室内，架设一台VPN路由器，通过对于VPN路由器的简单配置，使其与实验室内的第二PC机配合，将第二PC机作为VPN的服务器；用户在另一网段使用第一PC机通过普通路由器登录VPN路由器所在网段的VPN服务器，便可以将第一PC机与控制器视为处于同一网段；第一PC机便可以对控制器进行访问修改，所述控制器包括可编程控制器PLC；
（1-2）数据库初始化；
在数据库中存储Web客户端的账户名、密码、控制器的相关变量与控制器的通讯协议；
（1-3）Web客户端初始化；
建立Web客户端与MQTT服务器之间、MQTT服务器与数据库之间、云端组态环境与VPN路由器及普通路由器之间的网络连接；
（2）第一PC机通过VPN通道将程序下载至控制器；
用户可以使用任意网段的第一PC机登录普通路由器经过Internet，连接VPN路由器所在的局域网，访问控制器，并将程序写入控制器内；
（3）第一PC机通过Web客户端将程序传送至MQTT服务器，MQTT服务器将程序保存至数据库；
用户通过第一PC机经普通路由器登录至Web客户端；在登录页面，输入普通账户名和密码登录；
（4）在Web客户端选择设计页面进行设计、校验：
用户登录后，进入设计页面，选择与实际相匹配的虚拟控制器，将写的程序转化为text文本格式，上传至虚拟控制器内，并配置与控制器相关的实验器材如模拟量输入输出模块，变频器，电机，彩灯等常用实验室器材，模拟接线在一起。
设计页面完成设计后，通过与数据库进行交互，验证设计是否符合电气规则，并将验证结果存入数据库中；校验无误后，进入仿真页面；
（5）在Web客户端选择仿真页面配置通讯协议，进行仿真，监控仿真过程；
在仿真页面选择正确的通讯协议，与实际的控制器进行通讯；开始模拟后，可以看到模拟出的实验现象变化，基本与实际情况保持一致；
仿真页面中，调用相关的通讯协议，实现控制器与实验室中实际的控制器状态同步；通过改变仿真页面其他被控对象或开关按钮，实现对于控制器相关参数的改变，并根据实际控制器的运算，将结果反馈至仿真页面；
（6）仿真结果保存至数据库，登录管理员账号查看仿真结果；
用户登录Web客户端的时候，选择管理员账号登录，可以配置其他账户信息，并且查看所有的仿真结果。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明的一种虚实结合的实验室模拟系统，包括远程VPN连接和云端组态环境；可以通过远程VPN连接远程下载调控控制器程序，云端组态环境部分真实的模拟实验室实验效果；大大降低了实验室的建设成本，同时减少了实验室在运转中，对实验器材的损耗；打破了时间和空间上的局限性，使得实验室可以更加充分的被使用。
本发明的一种虚实结合的实验室模拟系统由虚实结合而成，在设计页面，选择与实际相匹配的虚拟控制器，将写的程序转化为text文本格式，上传至虚拟控制器内，并配置与控制器相关的实验器材如模拟量输入输出模块，变频器，电机，彩灯等常用实验室器材，模拟接线在一起进行虚实结合，相较于纯虚拟的环境，仿真效果更具有真实性，具有直观的感受；相较于实际的环境，更加便捷，且成本远远低于实际环境所需。
附图说明
图1为本发明的一种虚实结合的实验室模拟系统的整体框架示意图；
图2为本发明的一种虚实结合的实验室模拟系统中远程VPN连接的通信示意图；
图3为本发明的一种虚实结合的实验室模拟系统中云端组态环境的示意图；
图4为本发明的一种虚实结合的实验室模拟系统的工作方法中初始化流程图；
图5本发明的一种虚实结合的实验室模拟系统的工作方法中运行流程图。
附图标记说明：1、PC端；2、路由器；3、云端组态环境；4、VPN路由器；5、控制器；7、VPN服务器；8、Web客户端；9、MQTT服务器；10、数据库。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作为广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-图5所示，一种虚实结合的实验室模拟系统，包括远程VPN连接和云端组态环境；所述远程VPN连接包括用户所使用的第一PC机、普通路由器、VPN路由器；所述普通路由器与VPN路由器之间构成一个VPN通道，所述普通路由器与第一PC机相连，所述VPN路由器与现场的控制器端相连；所述云端组态环境包括MQTT服务器、Web客户端及数据库，所述MQTT服务器与数据库、Web客户端相连；所述云端组态环境与普通路由器及VPN路由器连接。在本发明的实施例中，所述数据库为MySQL数据库；所述控制器为可编程控制器PLC。
在进一步的实施例中，所述MQTT服务器作为BORKER转发来自Web客户端的数据；所述MQTT服务器用于将Web客户端的数据解析过来并转发至数据库保存；将仿真的结果转发至数据库保存。
在进一步的实施例中，所述数据库用于存储Web客户端的账户名、密码、控制器的相关变量与控制器的通讯协议及仿真结果。
在进一步的实施例中，所述Web客户端包括实验仿真系统的登录页面、设计页面和仿真页面。
其中，所述登录页面需要输入对应的账号信息进行登录。优选的，所述登录页面存在着权限区分，包括普通账户和管理员账户两种登录方式；所述管理员账户可用于设定用户的账号、密码、权限，分配用户可以使用的控制器，查看用户的仿真结果；所述普通账户可以进入设计页面进行设计、进入仿真页面进行仿真。具体的，登录页面设计有管理员登录与用户登录的选项，管理员使用管理员账号登录后可以对用户信息、通讯协议等，进行增删改查操作；同时，可以看到普通用户的登录记录、及实验结果、仿真的详细情况。普通用户登录后，只能进入设计页面与仿真页面。
所述设计页面用于设置控制器的型号与接线方式，确定需要监控的控制器参数；并且可以选择常用的控制对象进行添加，与控制器配合，形成完整的电气设计。具体的，设计页面包含各种元器件、常用的模块、常用控制器等供实验选择，并附有校验功能，根据常用的电气知识对设计进行校验。
所述仿真页面，通过调用数据库内相关通讯协议，监控控制器的参数变化；在仿真页面中，更改在设计页面已设计完成的常用控制对象的状态，经过控制器的运算，将仿真结果展示出来。具体的，仿真页面通过选择正确的通讯协议，与实验室真实的控制器相连，直接运行看到设计页面的运行效果。
在进一步的实施例中，所述普通路由器与用户所使用的第一PC机相连，形成VPN客户端；所述VPN路由器端与第二PC机连接进行相关的参数配置，形成VPN通道，所述第二PC机作为VPN服务器使用；所述VPN客户端通过VPN通道可以直接访问VPN路由器所在局域网内的所有控制器，进行控制程序的下载。
在进一步的实施例中，所述控制器中相关变量、通讯协议与Web客户端所需的值存储在数据库之中，通过数据库表的映射关系，将它们联系在一起，便于用户进行配置。
本发明的实施例另外还提供一种虚实结合的实验室模拟系统的工作方法，包括以下过程：
（1）初始化过程：
（1-1）VPN连接功能初始化；
用户在控制器所在的实验室内，架设一台VPN路由器，通过对于VPN路由器的简单配置，使其与实验室内的第二PC机配合，将第二PC机作为VPN的服务器；用户在另一网段使用第一PC机通过普通路由器登录VPN路由器所在网段的VPN服务器，便可以将第一PC机与控制器视为处于同一网段；第一PC机便可以对控制器进行访问修改，所述控制器包括可编程控制器PLC。
（1-2）数据库初始化；
在数据库中存储Web客户端的账户名、密码、控制器的相关变量与控制器的通讯协议。
（1-3）Web客户端初始化；
建立Web客户端与MQTT服务器之间、MQTT服务器与数据库之间、云端组态环境与VPN路由器及普通路由器之间的网络连接。
（2）第一PC机通过VPN通道将程序下载至控制器。
用户可以使用任意网段的第一PC机登录普通路由器经过Internet，连接VPN路由器所在的局域网，访问控制器，并将程序写入控制器内。
（3）第一PC机登录至Web客户端，通过Web客户端将程序传送至MQTT服务器，MQTT服务器将程序保存至数据库。
具体的，用户通过第一PC机经普通路由器登录至Web客户端；在登录页面，输入普通账户名和密码登录。通过Web客户端将程序传送至MQTT服务器，MQTT服务器将程序保存至数据库。
（4）在Web客户端选择设计页面进行设计、校验。
具体的，用户登录后，进入设计页面，选择与实际相匹配的虚拟控制器，将写的程序转化为text文本格式，上传至虚拟控制器内，并配置与控制器相关的实验器材如模拟量输入输出模块，变频器，电机，彩灯等常用实验室器材，模拟接线在一起。
设计页面完成设计后，通过与数据库进行交互，验证设计是否符合电气规则，并将验证结果存入数据库中；校验无误后，进入仿真页面。
（5）在Web客户端选择仿真页面配置通讯协议，进行仿真，监控仿真过程。
具体的，在仿真页面选择正确的通讯协议，与实际的控制器进行通讯；开始模拟后，可以看到模拟出的实验现象变化，基本与实际情况保持一致。
仿真页面中，调用相关的通讯协议，实现控制器与实验室中实际的控制器状态同步；通过改变仿真页面其他被控对象或开关按钮，实现对于控制器相关参数的改变，并根据实际控制器的运算，将结果反馈至仿真页面。
（6）仿真结果保存至数据库，登录管理员账号查看仿真结果。
具体的，当仿真结果保存至数据库后，用户登录Web客户端的时候，选择管理员账号登录，可以配置其他账户信息，并且查看所有的仿真结果。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种虚实结合的实验室模拟系统，其特征在于：包括远程VPN连接和云端组态环境；所述远程VPN连接包括用户所使用的第一PC机、普通路由器、VPN路由器；所述普通路由器与VPN路由器之间构成一个VPN通道，所述普通路由器与第一PC机相连，所述VPN路由器与现场的控制器端相连；所述云端组态环境包括MQTT服务器、Web客户端及数据库，所述MQTT服务器与数据库、Web客户端相连；所述云端组态环境与普通路由器及VPN路由器连接。
2.根据权利要求1所述的一种虚实结合的实验室模拟系统，其特征在于：所述MQTT服务器作为BORKER转发来自Web客户端的数据；所述MQTT服务器对Web客户端与模拟实验相关的仿真程序、设计接线、仿真结果数据进行解析，并保存至数据库。
3.根据权利要求1所述的一种虚实结合的实验室模拟系统，其特征在于：所述数据库用于存储Web客户端的账户名、密码、控制器的相关变量与控制器的通讯协议及仿真结果。
4.根据权利要求1所述的一种虚实结合的实验室模拟系统，其特征在于：所述Web客户端包括实验仿真系统的登录页面、设计页面和仿真页面；
其中，所述登录页面需要输入对应的账号信息进行登录；
所述设计页面用于设置控制器的型号与接线方式，确定需要监控的控制器参数；并且可以选择常用的控制对象进行添加，与控制器配合，形成完整的电气设计；
所述仿真页面，通过调用数据库内相关通讯协议，监控控制器的参数变化；在仿真页面中，更改在设计页面已设计完成的常用控制对象的状态，经过控制器的运算，将仿真结果展示出来。
5.根据权利要求4所述的一种虚实结合的实验室模拟系统，其特征在于：所述登录页面存在着权限区分，包括普通账户和管理员账户；所述管理员账户可用于设定用户的账号、密码、权限，分配用户可以使用的控制器，查看用户的仿真结果；所述普通账户可以进入设计页面进行设计、进入仿真页面进行仿真。
6.根据权利要求1所述的一种虚实结合的实验室模拟系统，其特征在于：所述普通路由器与用户所使用的第一PC机相连，形成VPN客户端；所述VPN路由器端与第二PC机连接进行相关的参数配置，形成VPN通道，所述第二PC机作为VPN服务器；所述VPN客户端通过VPN通道可以直接访问VPN路由器所在局域网内的所有控制器，进行控制程序的下载。
7.根据权利要求1所述的一种虚实结合的实验室模拟系统，其特征在于：所述控制器中相关变量、通讯协议与Web客户端所需的值存储在数据库之中，便于用户登录Web客户端后，根据实际控制需求，配置所需的通讯协议及需要监控的相关变量。
8.一种根据权利要求1所述的虚实结合的实验室模拟系统的工作方法，其特征在于：包括以下过程：
（1）初始化过程：
（1-1）VPN连接功能初始化；
（1-2）数据库初始化；
（1-3）Web客户端初始化；
（2）第一PC机通过VPN通道将程序下载至控制器；
（3）第一PC机登录至Web客户端，通过Web客户端将程序传送至MQTT服务器，MQTT服务器将程序保存至数据库；
（4）在Web客户端选择设计页面进行设计、校验；
（5）在Web客户端选择仿真页面配置通讯协议，进行仿真，监控仿真过程；
（6）仿真结果保存至数据库，登录管理员账号查看仿真结果。
9.根据权利要求8所述的一种虚实结合的实验室模拟系统的工作方法，其特征在于：所述步骤（1-1）VPN连接功能初始化，包括以下过程：用户在控制器所在的实验室内，架设一台VPN路由器，通过对于VPN路由器的简单配置，使其与实验室内的第二PC机配合，将第二PC机作为VPN的服务器；用户在另一网段使用第一PC机通过普通路由器登录VPN路由器所在网段的VPN服务器，便可以将第一PC机与控制器视为处于同一网段；第一PC机便可以对控制器进行访问修改，所述控制器包括可编程控制器PLC。
10.根据权利要求8所述的一种虚实结合的实验室模拟系统的工作方法，其特征在于：所述步骤（1-2）的数据库初始化包括以下过程：在数据库中存储Web客户端的账户名、密码、控制器的相关变量与控制器的通讯协议。
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