专利名称：计算机远程遥控实验系统及其实验方法
技术领域：
本发明涉及现代远程教育中的一种计算机远程遥控实验系统及其实验方法。
背景技术：
远程教育主要利用广播、电视、计算机网络或其他通讯方法实现。远程教育应包括远程课堂和实验两个方面。目前远程教育中的实验主要采用以下几种方式进行一种方式，利用计算机仿真技术和多媒体技术构成的虚拟仪器和虚拟设备所组成的虚拟实验系统。例如用MatLab为矩阵实验室软件、Electronics Work-bench为电子工作平台，LabView为虚拟仪器、DAQDesigner为图样设计进行虚拟实验。这是一种全新的实验方法。但是目前技术水平，用虚拟方式构成的仪器、设备与真实的仪器、设备的实验，在很多方面还有很大差别，缺乏真实感。
另一种方式采用邮寄实验箱到学生家中进行实验，完成实验后再寄回的方法。国外有采用邮寄方式的远程实验，但成本高、周期长。
目前计算机远程教育中应用的计算机网络技术中，特别是可以实现远程连接的一些软件，例如Telnet为远程登录软件、Pc Anywhere为远程计算机、NetMeeting为网络会议软件、RemoteExpert32为远程专家软件，都不是专门为远程实验而开发的，使用中均有缺陷，不能直接利用这些软件完成远程实验的各个环节，目前尚无实用的远程实验控制软件。
现有的计算机控制技术，在常规实验中，通过计算机，可以对实验装置进行控制；利用它们的各种输入、输出口，可以采集实验设备的工作状态，此外利用它们的串行通讯口，使数据可以双向传送的特点，可以实现以计算机控制技术为基础的实验。但光靠计算机的通讯和控制功能，还不能解决远程实验中远程编程、远程调试和远程监测的系列操作问题。
目前经常使用遥控、遥测技术去控制某一设备，或者将某一设备的工作参数或状态显示在远方屏幕上的技术。但这种方式的遥控、遥测技术是一类高成本、高可靠性和特定使用对象以及有限使用条件的技术。它实现的仅仅是对某种类型的设备的远程控制和监测这样单一的任务，其控制规律和控制要求都是事先设计好的，无法根据实验要求改变。因而不能实现从编程到调试以及数据采集、结果分析等整个远程实验过程的各个阶段的多项任务。此外这类遥控、遥测系统往往采用一个软件平台，不能满足远程实验要求开放性、广泛性、实践性和能从最基本的底层开始进行实验等要求。
由此可见，目前远程教育的实验有许多不足之处，远程实验是在传统实验的基础上，在采用遥控遥测技术、计算机网络技术和计算机控制技术，这样几项功能组合应用中，还存在诸多关键问题，有待开发。
发明内容
本发明的目的是针对上述远程实验的现状，为了提高远程教育的水平，弥补远程实验项目的不足，在原实验室实验的基础上，结合遥控、遥测技术、计算机网络技术、计算机控制技术，针对教学实验的要求和特点进行研究、开发远程实验项目，实现低成本、多项目、由浅入深的系列计算机远程遥控实验。正常远程实验时不借助于实验室工作人员的帮助，让接受远程教育的学生在异地通过计算机网络就能对学校实验室中的实验设备进行编程、调试、运行、修改、监视等操作，并能将实验结果和实验室中实验设备的实际运行状态的画面传送、显示在实验者的计算机屏幕上。以达到和在实验室内进行实验相类似的效果。
本发明的技术方案是这样实现的，一种计算机远程遥控实验系统包括计算机、实验设备，该计算机与实验设备连接并控制实验设备运行实验过程，其特点是，所述的计算机远程实验遥控系统还包括多台客户计算机、服务器、局域网、多台智能化实验设备、工业控制计算机、摄像头、话筒、打印机、路由器、调制解调器、因特网、电信线路；客户计算机和服务器通过局域网与工业控制计算机、智能化实验设备、摄像头、话筒、打印机连接；多台客户机、多台智能化实验设备并联连接在服务器总线上；所述的计算机远程遥控实验系统还包括因特网，采用网络通讯协议(TCP/IP)，将客户计算机、智能化实验设备、工业控制计算机通过调制解调器、因特网、路由器与服务器并联连接；所述的计算机远程遥控实验系统还包括通过电信线路和调制解调器分别与客户计算机、工业控制计算机、智能化实验设备连接；计算机远程遥控实验系统通过通讯协议传递信息，工业控制计算机通过指令方式的“软开关”切换编程、调试、修改、运行、监视、结果的操作和运行方式。
上述的计算机远程遥控实验系统，其中，所述的智能化实验设备还包括设有工业控制计算机、电动调节装置、传感器检测装置、安全保护装置、通讯接口，实验设备，通过通讯电缆与实验设备相应的执行机构连接。
上所述的计算机远程遥控实验系统，其中，所述的工业控制计算机内设有通讯接口。
上述的计算机远程遥控实验系统，其中，所述的电动调节装置与实验设备中的人工调节器连接。
上述的计算机远程遥控实验系统，其中，所述的传感器检测装置与实验设备相应的执行机构连接。
上述的计算机远程遥控实验系统，其中，所述的安全保护装置与实验设备相应的机械执行机构相连接。
一种用于上述系统的计算机远程遥控实验系统的实验方法，其特点是，所述的实验方法包括以下步骤，实验准备阶段、遥控连接阶段、实验编程阶段、实验调试阶段、实验运行阶段和实验结果阶段，在远程遥控实验过程中，按指令方式通过控制软件执行上述各个步骤，其中所述的实验准备阶段根据实验项目，计算机运行远程控制软件后，远程实验系统进入等待状态；所述的遥控连接阶段连接方式主要是计算机网络连接，根据计算机网络的不同，相应使用不同的硬件和遥控软件，连接过程是在网络中的客户端计算机向控制智能化实验设备的工业控制计算机呼叫连接，并取得智能化实验设备的控制权；所述的实验编程阶段工业控制计算机用“软开关”切换成编程状态，按实验要求进行编程；实验者进行编程，根据远程实验的特点和要求，在程序中增加设有供远程调试、控制和采集数据的程序；所述的实验调试阶段“软开关”切换成调试状态，对所编的程序进行调试，调试中应可以采用对标志位操作的方法使某些执行条件满足以模仿现场的操作，同时通过监控观察实验设备的执行情况；在程序中可编入供调试和观察的程序段，通过遥控方式调试实验设备；实验过程很多或控制程序很长时，通过设定条件，分步运行，先调试一部分的程序，然后再调试另一部分程序，最后再统一调试全部程序；若实验设备的调试结果不能满足实验要求，“软开关”切换成修改状态，对程序进行修改，然后再次进行调试，直到满足实验要求；所述的实验运行阶段“软开关”切换成运行状态，将通过调试的程序进行正式运行，同时监视程序的运行状况，根据实验要求控制实验设备的工作过程；所述的实验结果阶段在实验进行过程中，观察实验设备的实际运行情况，打开视频窗口，用摄像头观察实验设备的实际运行，观看现场直播，同时监视程序的运行，读取实验数据结果，存盘或打印机输出实验结果，完成实验报告。
上述的计算机远程遥控实验系统及其实验方法，其中，在所述的实验调试阶段中，所述的“软开关”通过计算机指令改变工业控制计算机的控制标志，切换操作功能，与工业控制计算机接口电路相连，该“软开关”设有切换编程、调试、修改、运行、监视、结果输出工作方式的指令。
上述的计算机远程遥控实验系统，其中，所述的控制软件采用网络连接的多种智能化实验设备和相应的操作，该控制软件包括可编程控制器控制软件、单片机或嵌入式计算机控制软件、变频器控制软件、伺服系统控制软件。
本发明采用了以上的技术方案，使远程实验系统在原实验室实验的基础上，用遥控遥测技术、计算机网络技术、工业控制计算机智能化技术，并通过远程遥控实验方法，实现了远程实验；智能化实验设备，由于将手工调节装置设为电动调节，现场观察由传感器和摄像头代替，并增强了安全检测，保护功能，使现场不需要人工操作，适应远程实验；对控制的工业控制计算机，由于设有“软开关”切换功能，方便了远程对编程、调试、修改、运行、监视、结果输出等工作方式进行切换；在调试和运行程序时，由于设置了标志位和数据存储位，方便了远程控制操作和读取实验结果；由于在系统中安装了摄像头及麦克风，以模仿现场环境，可便捷直观地监视实验过程，通过计算机输出实验结果；通过以上的一系列技术措施，使实验者在异地的计算机上可以进行编程、调试、修改、运行、监视等一系列实验工作，而结果又可在计算机屏幕上得到显示、存盘、打印输出，达到和在实验室内进行实验的效果。
本发明的具体结构由以下实施例及其附图进一步给出。
图1是本发明计算机远程遥控实验系统及其实验方法的计算机远程遥控实验系统结构框图。
图2是本发明计算机远程遥控实验系统及其实验方法的智能化实验设备结构框图。
图3是本发明计算机远程遥控实验系统及其实验方法的远程实验操作流程图。
图4是本发明计算机远程遥控实验系统及其实验方法的连接步骤图。
图5是本发明计算机远程遥控实验系统及其实验方法的调试步骤图。
图6是本发明计算机远程遥控实验系统及其实验方法的实验数据和结果监视步骤图。
图7是本发明计算机远程遥控实验系统及其实验方法的实验过程现场图像直播监视步骤图。
具体实施例方式
请参见图1所示，一种计算机远程遥控实验系统包括多台客户计算机1A、1B、1C、服务器2、局域网3、多台智能化实验设备4A、4B、4C、工业控制计算机41A、41B、41C、摄像头5A、5B、话筒6A、6B、打印机7A、7B、路由器8、调制解调器9B、9C、9D、因特网10、电信线路11。
计算机远程遥控实验系统内的计算机网络连接主要有三种远程连接方式通过局域网通过因特网，采用TCP/IP通讯协议；通过电话或其他通讯方式的连接等。
通过Intranet局域网，客户计算机1A和服务器2通过局域网3与工业控制计算机41A、智能化实验设备4A、摄像头5A、话筒6A、打印机7A连接。学生可以通过客户计算机算机1A上网，通过局域网3登录到学校的服务器2后，进入校内局域网3，然后进入实验室相应的工业控制计算机41A上，即可操纵智能化实验设备4A进行远程实验，实验过程通过摄像头5A监视，实验结果通过摄像头5A、话筒6A、打印机7A输出。由于一般局域网的带宽较宽，所以进行远程实验的效果比较好。
计算机远程遥控实验系统还包括因特网，通过因特网，采用TCP/IP通讯协议，客户计算机1B、智能化实验设备4B、工业控制计算机41B、摄像头5B、话筒6B、打印机7B通过调制解调器9B、因特网10、路由器8、局域网3与服务器2连接。通过因特网Intemet；学生可以通过异地的客户计算机算机1B上网，通过通过调制解调器9B、通过Internet网10路由器8、进入校内局域网3、登录到学校的服务器2后，然后进入实验室相应的工业控制计算机41B上，即可操纵智能化实验设备4B，进行远程实验，实验过程通过摄像头5B监视，实验结果通过摄像头5B、话筒6B、打印机7B输出。
计算机远程遥控实验系统还包括通过电信线路11和调制解调器9C、9D分别与客户计算机1C、工业控制计算机41C、智能化实验设备4C连接。用客户计算机1C的制解调调器Modem 9C拨号的方式，通过电话线11、调制解调器Modem 9D直接连接学校实验室的工业控制计算机41C、智能化实验设备4C，实验结果数据通过调制解调器、电话线传输到客户计算机1C。这种方式的特点是只需要电话线路就可实现远程连接，适宜于无网络的边远地区。但由于受连接方式和带宽的影响，不宜传送现场实验设备的工作画面。
计算机远程遥控实验系统通过通讯协议传递信息。工业控制计算机通过指令方式的“软开关”切换编程、调试、修改、运行、监视、结果输出的操作和运行方式。
请配合参见图2，所述的智能化实验设备4包括工业控制计算机41、电动遥控调节装置42、传感器检测装置43、安全保护装置44、通讯接口45、实验设备46。
电气控制系统的设计为了能对实验设备进行远程控制，并同时和远程的计算机通讯，实现远程实验过程。在智能化实验设备中将电气控制系统设为工业控制计算机41，根据实验的不同，在智能化实验设备内设有工业控制计算机41，也可以采用单片机、嵌入式计算机、可编程控制器、交流变频调速器、伺服电机系统等，一般可以采用可编程控制器作为远程实验的控制装置。为了适应远程实验的需要，工业控制计算机内设有通讯接口45，工业控制计算机设有通过指令切换的“软开关”，该“软开关”具有切换编程、调试、修改、运行、监视、结果输出等工作方式的功能。
原实验设备46中需要实验者手工调节的实验装置设为电动调节装置42，该电动调节装置42与实验设备中的人工调节器连接，自动改变实验设备工作状态，以解决实验者不在现场问题。
原实验设备46中需要人工观察的装置设为传感器检测装置43，可包括位置检测、位移检测、电流检测、电压检测、速度检测等传感器装置，该传感器装置与实验设备相应的功能执行机构连接，并将数据读入工业控制计算机内，以便实验者远程观察。
智能化实验设备还设置安全保护装置44，可包括电器保护装置与机械执行机构连接；机械执行机构中设有机械保护装置，以防止实验失误时损坏实验设备。
远程连接的目的和作用，将客户机1A的控制要求，通过网络传输到远程服务器2上，控制智能化实验设备4A，并将智能化实验设备4A的运行结果传回学生的客户机1A上。
请参见图3，在具有上述功能的实验系统中进行远程实验，一种计算机远程实验方法，包括实验准备阶段12、遥控连接阶段13、实验编程阶段14、实验调试阶段15、调试修改阶段16、实验运行阶段17和实验结果18，远程实验过程，按以下步骤进行实验准备阶段12，首先根据实验项目，实验室准备好(调试和连接)实验设备和控制计算机，运行远程控制软件后，远程实验系统进入等待状态。
遥控连接阶段13，连接方式主要是计算机网络连接(无计算机网络连接的边远地区也可以进行电话线路连接)。根据计算机网络的不同，可使用不同的遥控软件。请配合参见图4网络连接步骤图，服务器2运行NetMeeting软件131，设置服务器NetMeeting为主持会议并自动接收状态132，将运程控制软件设置为共享，同时设允许控制状态133，服务器等待呼叫134，客户机1运行NetMeeting软件135，键入服务器IP地址然后进行呼叫136，请求控制权等待服务器共享界面137，运行服务器的远程控制共享软件138，连接过程主要是实现在网络中的客户端计算机向实验室的工业控制计算机呼叫连接，并取得实验设备的控制权。
实验编程阶段14，将控制计算机或可编程控制器用“软开关”切换成编程状态，按实验要求进行编程并检验，根据实验要求，实验者进行编程，根据远程实验的特点和要求，需要在程序中增加一些供远程调试、控制和采集数据的程序段，这些程序段主要是设置一些便于远程控制的标志位和数据存储位，以便于进行远程实验。
实验调试阶段15，“软开关”切换成调试状态，对所编的程序进行实验调试阶段，请配合参见图5，通过遥控方式将已编程序传送到智能化实验设备的工业控制计算机，进入调试状态，根据实验的大小和复杂程度设定运行条件，使实验设备运行152，调试中应可以采用标志位操作的方法使某些执行条件，启动标志置位153，以满足模仿现场的操作，同时通过监视启动结果154，观察实验设备的执行情况，为了方便调试，在程序中可编入一些供调试和观察程序，如果实验过程很多或控制程序很长，可以设定条件，分步运行。即启动下一个标志位155先调试一部分的程序，然后再调试另一部分程序，监视这次启动结果156。
若实验设备的调试结果不能满足实验要求，“软开关”切换成修改状态157，对程序进行修改16，然后再次进行调试，调试中经常会出现程序修改157的过程，这是应反复进行编程和调试的转换，直到满足实验要求。分步调试结束158，最后再统一调试全部程序。
程序运行阶段17，“软开关”切换成运行状态，请配合参见图6，运行通过调试的程序173，同时采用监视172的方法，读取实验数据，检查实验结果175。
实验结果监视阶段18，请配合参见图7，启动摄像头视屏监视181，运行实验程序182，观察实验设备运行实况183，根据实验过程监视实验设备的运行过程184，检查实验结果185，通过读取实验数据175存盘或打印输出记录实验结果，完成实验报告。
在计算机远程遥控实验系统中设有远程实验控制软件；根据远程实验的连接和控制方式的不同，要运行不同的远程实验控制软件，才能进行远程实验。例如，采用网络连接和三菱FX系列PLC为可编控制器，控制实验设备的远程实验方式，可以采用NetMeeting和FX GP-Win作为连接、控制软件或者直接使用组态软件，既有画面，又有控制和现场图像，也可以采取编写屏幕采集和端口控制转移软件的方法实现。
当客户机进行实验时，先运行NetMeeting，在地址栏键入服务器的IP地址，然后呼叫。等连接完成后，在控制栏选择请求控制，就可以将服务器的共享文件夹显示在客户机上，这时，运行编程软件，即可对智能化实验设备进行编程，然后进行调试程序等过程。在实验中，通过对标志位的操作来远程启动、停止程序的执行。通过监视标志位，监视起动结果，可以判别程序的错误，直到满足实验要求。在实验中也可以打开视屏开关，通过摄像头和麦克风直接观察智能化实验设备的运行实况，打印机输出记录实验结果，完成实验报告。
又如，采用网络连接和三菱交流变频调速器或伺服电机系统的远程实验方式，可以采用Pc Anywhere和VFD或Mel Servo软件实现远程实验。
再如，采用电话线路和Modem的远程实验。对于没有计算机网络的边远地区，可以采用电话线路和Modem的拨号连接实现远程实验，采用调制解调器Modem直接拨号的方式，连接三菱FX系列PLC的远程实验方式，只需在客户机的Windows操纵系统中运行FX GP-Win或者其他的控制软件，即可进行远程实验。
电信线路连接，首先根据要求完成实验所需要的连线，再将PLC的通讯接口经专用电缆接入Modem的接口，将电话线和Modem接通，打开电源，等待呼叫。客户端的计算机也和Modem接通，然后打开编程软件进行编程，完成后用拨号的方式直接向实验室的Modem通过电话线路拨号。连通后，即可将所编的程序传送到可编程控制器进行试运行，调试等实验。Modem直接拨号的方式也能完成远程实验的过程。但是受传输速度的限制，不宜使用摄像头直播可编程控制器实验的运行实况。
本发明一种计算机远程遥控实验系统及其实验方法，其实验系统及实验方法设计新颖、科学、合理，能便捷、直观、远程遥控实验过程，能获得在实验室实验的相同效果，极大地方便异地、边远地区学生的实验学习，有效地提高远程教育质量和降低教学成本。
权利要求
1.一种计算机远程遥控实验系统包括计算机、实验设备，该计算机与实验设备连接并控制实验设备运行实验过程，其特征在于所述的计算机远程实验遥控系统还包括多台客户计算机、服务器、局域网、多台智能化实验设备、工业控制计算机、摄像头、话筒、打印机、路由器、调制解调器、因特网、电信线路；客户计算机和服务器通过局域网与工业控制计算机、智能化实验设备、摄像头、话筒、打印机连接；多台客户机、多台智能化实验设备并联连接在服务器总线上；所述的计算机远程遥控实验系统还包括因特网，采用网络通讯协议(TCP/IP)，将客户计算机、智能化实验设备、工业控制计算机通过调制解调器、因特网、路由器与服务器并联连接；所述的计算机远程遥控实验系统还包括通过电信线路和调制解调器分别与客户计算机、工业控制计算机、智能化实验设备连接；计算机远程遥控实验系统通过通讯协议传递信息，工业控制计算机通过指令方式的“软开关”切换编程、调试、修改、运行、监视、结果输出的操作和运行方式。
2.根据权利要求1所述的计算机远程遥控实验系统，其特征在于所述的智能化实验设备还包括设有工业控制计算机、电动调节装置、传感器检测装置、安全保护装置、通讯接口，实验设备，通过通讯电缆与实验设备相应的执行机构连接。
3.根据权利要求1或2所述的计算机远程遥控实验系统，其特征在于所述的工业控制计算机内设有通讯接口。
4.根据权利要求1或2所述的计算机远程遥控实验系统，其特征在于所述的电动调节装置与实验设备内的人工调节器连接。
5.根据权利要求1或2所述的计算机远程遥控实验系统，其特征在于所述的传感器检测装置与实验设备内相应的执行机构连接。
6.根据权利要求1或2所述的计算机远程遥控实验系统，其特征在于所述的安全保护装置与实验设备内相应的机械执行机构相连接。
7.一种用于上述系统的计算机远程遥控实验系统的实验方法，其特征在于所述的实验方法包括以下步骤，实验准备阶段、遥控连接阶段、实验编程阶段、实验调试阶段、实验运行阶段和实验结果阶段，在远程遥控实验过程中，按指令方式通过控制软件执行上述各步骤，其中所述的实验准备阶段，根据实验项目，计算机运行远程连接软件后，远程实验系统进入等待状态；所述的遥控连接阶段，连接方式主要是计算机网络连接，根据计算机网络的不同，相应使用不同的硬件和遥控软件，连接过程是在网络中的客户端计算机向控制智能化实验设备的工业控制计算机呼叫连接，并取得智能化实验设备的控制权；所述的实验编程阶段，工业控制计算机用“软开关”切换成编程状态，按实验要求进行编程，实验者进行编程，根据远程实验的特点和要求，在程序中增加设有供远程调试、控制和采集数据的程序；所述的实验调试阶段，“软开关”切换成调试状态，对所编的程序进行调试，调试中应可以采用对标志位操作的方法使某些执行条件满足以模仿现场的操作，同时通过监控观察实验设备的执行情况，在程序中可编入供调试和观察的程序段，通过遥控方式调试实验设备，实验过程很多或控制程序很长时，通过设定条件，分步运行，先调试一部分的程序，然后再调试另一部分程序，最后再统一调试全部程序，若实验设备的调试结果不能满足实验要求，“软开关”切换成修改状态，对程序进行修改，然后再次进行调试，直到满足实验要求；所述的实验运行阶段，“软开关”切换成运行状态，将通过调试的程序进行正式运行，同时监视程序的运行状况，根据实验要求控制实验设备的工作过程；所述的实验结果阶段，在实验进行过程中，观察实验设备的实际运行情况，打开视频窗口，用摄像头观察实验设备的实际运行，观看现场直播，同时监视程序的运行，读取实验数据结果，存盘或打印机输出实验结果，完成实验报告。
8.根据权利要求7所述的计算机远程遥控实验系统及其实验方法，其特征在于在所述的实验调试阶段中，所述的“软开关”通过计算机指令改变工业控制计算机的控制标志，切换操作功能，与工业控制计算机接口电路相连，该“软开关”设有切换编程、调试、修改、运行、监视、结果输出工作方式的指令。
9.根据权利要求7所述的计算机远程遥控实验系统，其特征在于所述的控制软件采用网络连接的多种智能化实验设备和相应的操作，该控制软件包括，可编程控制器控制软件、单片机或嵌入式计算机控制软件、变频器控制软件、伺服系统控制软件。
全文摘要
本发明涉及一种现代远程教育中计算机远程遥控实验系统及其实验方法，其特点是，包括计算机及网络系统，智能化实验设备，所述的计算机网络系统包括多台客户机、服务器、调制解调器、路由器、摄像头、话筒、打印机等，具有局域网、因特网和电信线路连接三种连网形式。所述的智能化实验设备中包括电动调节装置、传感器检测装置、安全保护装置，具有通讯接口和软件切换控制功能的工业控制计算机。所述的远程实验方法其特点是包括实验准备、遥控连接、实验编程、实验调试、运行监视、实验结果，通过计算机及网络系统能对远程的智能化实验设备进行编程、观察、操作、控制等实验过程，并将现场画面传回客户机屏幕上，以达到现场实验效果。本发明一种计算机远程遥控实验系统及其实验方法，设计新颖、科学、合理，能便捷、直观、远程遥控实验过程，能获得在实验室实验的相同效果，极大地方便异地、边远地区学生的实验学习，有效地提高远程教育质量和降低教学成本。
文档编号G06F15/16GK1419201SQ0113220
公开日2003年5月21日 申请日期2001年11月14日 优先权日2001年11月14日
发明者张仁杰, 周麟, 杨耐生, 李世基, 赵燕玉 申请人:上海电视大学