3 Modely 3.1 Model stabilizace hladiny kapaliny. Vzdálený přístup k virtuální výukové laboratoři 1 Úvod. 2 Vzdálená laboratoř

Transkript

1 Roč. 71 (2015) Číslo 3 Pro inspiraci 13 Vzdálený přístup k virtuální výukové laboratoři 1 Úvod V dnešní době je nedílnou součástí výuky na středních a vysokých školách, zabývajících se automatizací, práce s modely řízenými pomocí programovatelných automatů. Pořízení těchto specializovaných laboratoří je nákladné. Proto je vhodné, aby byly využívány 24 hodin denně 7 dnů v týdnu. Toto časově náročné využití může zajistit pouze vzdálený přístup. Studenti se připojí vzdáleně k modelu a mohou testovat úkoly s modelem spojené. Výsledek pak mohou sledovat pomocí IP kamery, umístěné k pracovišti. Dnes již je tato laboratoř na vysoké škole polytechnické vybavena modely stabilizace hladiny kapaliny, železničního uzlu, kuličkami na nakloněné rovině, synchronních os elektrických pohonů a modelu řízení teploty. Pro vzdálené připojení k laboratoři je potřeba mít systém, který zajistí možnost rezervace modelu studentem, bezpečné zapnutí a vypnutí modelu na dálku, a možnost sledovat funkci ovládaného modelu. 2 Vzdálená laboratoř Vzdálená laboratoř se skládá z jednotlivých mechatronických modelů. Ty jsou připojeny k programovatelným automatům (PLC). Řídícím základem laboratoře je server, na kterém se spouští podle potřeby virtuální počítače. Pomocí těchto počítačů studenti pracují (programují) jednotlivé PLC a tím řídí zvolený model. K virtuálním počítačům se studenti připojují po síti Internet pomocí rezervačního systému, který vytvoří klienta pro vzdálenou plochu (RDP). Pomocí programovatelného switche jsou vytvořena virtuální lana, která izolují jednotlivé modely. Celý princip zapojení je na obr Modely 3.1 Model stabilizace hladiny kapaliny Obr. 2. Model stabilizace hladiny kapaliny. Základní úlohou tohoto modelu je návrh řízení zajišťující stabilizaci hladin v definovaných výškách u obou válcových nádob. Hladinu ve válci lze regulovat řízeným napouštěním a vypouštěním. Z hlediska řízení jde o nelineární systém se čtyřmi analogovými vstupy a výstupy. Model je tvořen soustavou dvou průhledných válcových nádob na kapalinu. Řídicí systém udržuje výšku hladin ve dvou válcových nádobách podle zadání, a to jednak pomocí dvou řízených čerpadel, a jednak řízením odtoku z těchto nádob. Napouštění a vypouštění je vybaveno mechanickými ventily, které mohou sloužit např. pro simulaci poruchy. Kontinuální měření výšky hladiny kapaliny v nádobách je zajištěno tlakovými čidly. Rychlost napouštění se měří za pomocí impulsních průtokoměrů. Elektronika modelu je realizována s využitím mikrokontroléru LPC1754 (Cortex-M3) od společnosti NXP a je propojena s nadřazeným řídícím systémem pomocí sériového rozhraní RS232 nebo využitím analogových a digitálních vstupů (výstupů) PLC nebo ipc. Program pro procesor je vytvořen s využitím programovacího jazyka C. Obr. 1. Schéma zapojení vzdálené laboratoře. 3.2 Model železničního uzlu Základní úlohou tohoto modelu je návrh řízení modelové železnice tak, aby odpovídala reálnému provozu na železnici a zabránit kolizi vlaků. Z hlediska řízení jde o systém s 23 digitálními výstupy, 12 digitálními vstupy a 7 analogovými výstupy. Model je tvořen železničními kolejemi ve tvaru ležaté osmičky, se dvěma odstavným kolejemi, které jsou umístěny na nosné desce o rozměrech 2 x 1,5 metru. Kolejiště obsahuje šest výhybek. Snímání projetí vlaku je zajištěno magnetem, který je zabudovaný ve vlaku a jazýčkových kontaktů, vložených v kolejišti. Železniční dráha je rozdělena do několika segmentů, kde každý segment je napájen zvlášť. Na této železniční koleji jsou umístěny dva vlaky s vagóny.

2 Slaboproudý obzor Roč. 71 (2015) Číslo 3 Pro inspiraci 14 Rychlost a směr vlaku je možné regulovat změnou velikosti a polarity napětí 12 V. Součástí modelu jsou i světelné semafory. Elektronika modelu je opět realizována s využitím mikrokontroléru LPC1754 (Cortex-M3) od společnosti NXP a je propojena s nadřazeným řídicím systémem pomocí sériového rozhraní RS232 či jakýmkoliv převodníkem na RS232. potenciometru a pomocí změřeného napěti je určena její poloha. Pohyb kuličky je vyvozován naklápěním vodící dráhy kolem jedné osy pomocí servomotoru. Náklon dráhy je vyhodnocován potenciometrem. Náklon ramene je ovládán pomocí analogových výstupů v rozsahu 0-10 V, při 5 V je rameno v rovnovážné poloze. Závislost nelineární. Poloha kuličky na dráze je určena na analogovém vstupu v rozsahu 0-10 V. Poloha kuličky vpravo je určena napětím 0 V, poloha kuličky vlevo pak napětím 10 V. Kalibraci provádí uživatel v aplikaci pro řízení. Závislost změny polohy je lineární. 3.4 Model synchronních os elektrických pohonů Obr. 3. Model železničního uzlu. 3.3 Model kuličky na nakloněné rovině Obr. 6. Obr. 4. Kulička na nakloněné rovině. Základní úlohou tohoto modelu je návrh řízení zajišťující, aby kulička dosáhla a udržela svou požadovanou polohu. Z hlediska řízení jde o nelineární systém s jedním vstupem (servomotor) a dvěma výstupy (poloha kuličky, poloha dráhy). Model synchronních os elektrických pohonů. Základní úlohou tohoto modelu je řešení polohovacích aplikací - Motion control. Student musí zajistit vzájemnou synchronizaci ozubených kol. Otáčky pohonů se dají plynule měnit podle požadavků na rychlost otáčení. Vzájemný pohyb synchronních pohonů k sobě a od sebe zabezpečují po lineární dráze další pohony. Model je tvořen čtyřmi synchronními servomotory, na nichž bude vidět jejich vzájemná součinnost a synchronizace. Komunikace mezi motory a ipc je vytvořena pomocí sběrnice EtherCAT. EtherCAT je ethernetová sběrnice pracující v reálném čase s optimalizovaným protokolem uvnitř standardního ethernetového rámce. Řízení motorů je prováděno pomocí řídícího software TwinCAT od společnosti BeckHoff. 3.5 Model řízení teploty Obr. 5. Kulička na nakloněné rovině - principiální schéma. Model Kulička na nakloněné rovině je tvořen uzavřenou lineární drahou, po které se odvaluje kovová kulička, jejíž poloha je snímána pomocí odporového drátu paralelně nataženého ve vodící dráze. Kulička slouží jako jezdec Tento model se skládá z řídícího procesoru, binárních a analogových vstupů a výstupů z frekvenčního měniče a průmyslového spínače, pomocí něhož jsou jednotlivé díly připojené do sítě. Tyto požadavky splňuje automatizační zařízení Allen - Bradley. Pracoviště modelu regulace teploty se skládá z halogenové žárovky, řízeného ventilátoru a digitálního teploměru. Úkolem studenta je naprogramovat požadovanou kontrolu regulace teploty. 4 Princip vzdáleného připojení a práce s modely Student se přihlásí pomocí webové rezervační aplikace do rezervačního systému a zarezervuje si datum, čas a dobu,

3 Roč. 71 (2015) Číslo 3 Pro inspiraci 15 po kterou chce s daným modelem pracovat. V systému je nainstalováno několik virtuálních počítačů. Každý virtuální počítač má nainstalované aplikace pro práci s konkrétním modelem. Obr. 7. Obr. 8. Pracoviště modelu regulace teploty. Pracoviště regulace teploty. Rezervační systém načasuje pomocí linuxového příkazu at počáteční a koncový skript. Před začátkem rezervace je spuštěn startovací skript, který vytvoří ve virtuálním prostředí vmware klon virtuálního počítače. Tento klon se spustí. Pro klon je vytvořený klient vzdálené plochy, soubor rdp, pomocí kterého se student vzdálenou plochou připojí k virtuálnímu počítači. Autentifikace studenta k vlastnímu virtuálnímu počítači je zajištěna pomocí open source programu pgina. Tato aplikace uživatele autentifikuje na základě jména a hesla vytvořeného v databázi MySQL. Toto jméno a heslo slouží zároveň k vytváření rezervace. Po přihlášení ke vzdálenému stroji může student vzdáleně ovládat osvětlení modelu, napájení k IP kameře, vlastní model a PLC (Programmable Logic Controller). Po uplynutí rezervovaného času ukončovací skript zastaví klon virtuálního počítače a odpojí model od napájení. Veškeré změny, které provede student během práce na vzdáleném počítači, nebudou uloženy. To je zajištěno vytvořením vždy nového klonu virtuálního počítače při rezervaci. 4.1 Webová rezervační aplikace Webová rezervační aplikace je naprogramována v programovacím jazyce PHP 5. Data jsou uložena v databázi MySQL. Aplikace pracuje na serveru Centos 6.4. Aplikace umožňuje rezervaci přístupu na zvolený den a čas, periodickou rezervaci, zobrazení statistik přístupů k modelům, zobrazení statistik uživatele, možnost manipulace s rezervacemi ze strany učitele a zablokování rezervace z důvodů výuky. Rezervační aplikace má tři úrovně přihlašování: admin, učitel a student. Administrátorským účtem lze spravovat uživatele a modely. Ve správě uživatelů je možné vytvářet nového uživatele. Dále lze importovat uživatele z externího souboru. Učitel může studenta předčasně odpojit od systému a dělat periodické rezervace, aby se nemohli ke vzdálené laboratoři přihlašovat studenti v době výuky. Student si může rezervovat a pracovat s jednotlivými modely. Webová aplikace je doplněna nápovědou k systému a k přihlášení ke vzdálené ploše. 4.2 Přihlášení do webové části rezervačního systému Přihlašovací část byla programována s přihlédnutím na maximální bezpečnost aplikace. Přihlášení probíhá přes přihlašovací formulář pomocí uživatelského jména a hesla. Heslo se samo o sobě neodesílá, ale při kliknutí na tlačítko přihlášení dojde k jeho zpracování pomocí javascriptu a odeslání už v zahashované formě. K hashování se využívá SHA512. Na serveru nejprve dojde ke zjištění, zda nebyl účet dočasně zablokován (5 špatných pokusů o přihlášení za poslední dvě hodiny). Pokud účet nebyl zablokován, dojde k ověření platnosti údajů, zda se shoduje uživatelské jméno a heslo, k upravenému heslu se ještě přidá salt a porovná se s heslem přijatým z databáze. Pokud se hesla nebudou shodovat, dojde k zaznamenání pokusu do tabulky log_login_attempts (ID uživatele a čas). Pokud heslo i uživatelské jméno projdou ověřovacím procesem, pak dojde k uložení údajů o připojení do cookies (ID uživatele, práva, kvůli pozdějšímu ověřování při procházení stránek). Pokud se uživatel pokusí přistoupit k nějaké části systému bez předchozího přihlášení, například měl vytvořenou záložku s adresou na rezervační formulář, dojde k automatickému přesměrování na přihlašovací formulář. Po přihlášení je k dispozici úvodní obrazovka (obr. 9) s aktuálními rezervacemi uživatele. Obr. 9. Úvodní obrazovka rezervačního systému.

4 16 Pro inspiraci Roč. 71 (2015) Číslo Rezervace Rezervace času je rozdělena do dvou částí. V první části si uživatel vybírá model (pokud má přidělen model, se kterým má pracovat, bude automaticky přesměrován na výběr dne a času). Ve druhé části uživatel určí den a čas. Výběr dne probíhá pomocí kalendáře, který zobrazuje zvolený měsíc rozdělený po týdnech. Defaultně je vždy navolen aktuální den. Po zvolení dne dojde k načtení časové osy umožňující rezervaci času. Rezervace funguje systémem Drag select, v překladu výběr tažením. Minimálně lze rezervovat čtvrt hodiny a maximálně tolik, kolik bylo uživateli přiděleno na týden. Uživatel na administrátorském účtu má možnost i nastavení svých rezervací periodicky, například pro zamezení přístupu přes vzdálenou plochu v době výuky. Na obr. 10 je vidět formulář rezervace. na konkrétní virtuální počítač. Tato položka souvisí s adresou jednotlivých virtuálních počítačů. Plná adresa vypadá takto: : Obr. 11. Relační schéma databáze. Obr. 10. Časová rezervace. 4.4 Databáze Spojení s databází MySQL je zprostředkováváno způsobem Prepared Statement. To je přístup za pomoci předpřipravených dotazů. Zároveň je tento přístup jedním z kroků k zabezpečení pro SQL injection. Připravenému SQL dotazu přiřadíme proměnné pomocí funkce bindparam a pomocí základních typů lze i ověřit, zda proměnná obsahuje například pouze integer. K tomuto účelu jsou vytvořeny třídy pro přístup k databázi, kdy spojení, typ a dotaz jsou objekty. Je to jednodušší pro pozdější úpravy. Na obr. 11 je vidět datový model databáze. Databáze obsahuje tabulky uživatelských účtů Account _table, tabulku oprávnění - Restriction_table, špatné pokusy o přihlášení - Log_login_attempts, tabulku modelů Model _table a tabulku rezervace Reservation. 4.5 Vzdálená plocha Remote Desktop Protocol (RDP) je proprietární protokol vyvinutý společností Microsoft, který poskytuje uživateli s grafickým rozhraním připojení k jinému počítači prostřednictvím síťového připojení. Soubor rdp obsahuje základní nastavení klienta RDP. Nejdůležitější položkou je full address. Ta obsahuje adresu a port pro přesměrování 4.6 VmWare Pro správu a spouštění virtuálních počítačů je v operačním systému Centos nainstalován VMware Workstation verze 7. Pro každý model je vytvořený jeden virtuální počítač s potřebným softwarem. Ten slouží jako šablona pro pracovní klony virtuálních počítačů. Virtuální počítače v systému VmWare se ovládají pomocí příkazového řádku příkazem vmrun. Pro vytvoření klonu virtuálního počítače a jeho spuštění slouží skript runvmware.sh. runvmware.sh #!/bin/bash vmrun clone /root/vmware/virtual/xpprofessional.vmx /root/vmware/pokus/pokus.vmx nogui linked vmrun start /root/vmware/pokus/xpcurren_date_time.vmx nogui & Pro zastavení virtuálního počítače lze využít script stopvmware.sh. stopvmware.sh #!/bin/bash vmrun stop /root/vmware/pokus/xpcurren_date_time.vmx nogui Příkaz at slouží k ukládání příkazů nebo skriptů, které mají být provedeny v zadaném čase. Spuštění příkazů at, tedy naplánovaných úloh, má na starosti démon atd. Proto je nutné mít zapnutého démona pomocí příkazu chkconfig - -level 35 atd on. Startovací skript spustíme /skripty/runvmware.sh at 11:45 jan 31.

5 Roč. 71 (2015) Číslo 3 Pro inspiraci Autentifikace uživatelů pgina V případě přihlášení uživatele přes vzdálenou plochu k virtuálnímu PC jsme museli vyřešit problém autentifikace. Vzdálenou plochu může využívat jen uživatel, který je zařazen do skupiny administrators. Není však možné, aby všichni uživatelé, využívající virtuální stroje, měli svá konta vygenerovaná ve virtuálním stroji. Dále se studentovi ve webové přihlašovací aplikaci objeví odkaz s přístupem na vzdálenou plochu (RDP). Současně příkaz at připojí napájení ke všem potřebným zařízením (viz startovací skript). Pro zabezpečení VM je ještě implementován autentifikační systém PGina, který umožňuje přihlášení do počítače jen uživateli, který má právě zarezervovaný virtuální stroj. Pro zvýšený bezpečnosti je rovněž povolován nebo zakazován příslušný port pro vzdálenou plochu. na webový ovladač napájení a odkaz na webovou kameru, která umožňuje online pohled na zvolený model. Obr. 13. Přihlašovací formulář Pgina do operačního systému. Obr. 12. Konfigurace aplikace pgina. Je-li pgina nahrána procesem Winlogon, pokusí se zavést zásuvný modul v našem případě MySQL. Připojí se k serveru MySQL. Když se pokusí uživatel přihlásit, pgina použije zásuvný modul MySQL k rozpoznání, zda uživatel může být autentizován, či nikoliv. Pokud zásuvný modul určí, že uživatel může pokračovat s přihlášením, pgina mu vytvoří lokální účet, přidá ho do skupiny na základě autentifikace uvedeného uživatele a přihlásí jej do operačního systému. Tabulka uživatelů ke vzdáleným strojům je neustále aktualizována na základě rezervací uživatelů rezervačního systému. Uživatelé s platnou rezervací (uživatel, model, čas) se tak mohou přihlásit přes vzdálenou plochu k virtuálnímu stroji. Tato aktualizace zabezpečí virtuální stroje a povolí tak autentifikaci pouze uživatelům, kteří mají právě platnou rezervaci k vzdálenému modelu. Není tak možné, aby se ke vzdálenému stroji mohl přihlásit někdo jiný. Uvedený systém autentifikace byl otestován pro operační systémy Windows XP, Windows 7 a Windows Virtuální počítač Vlastní virtuální počítač obsahuje operační systém, vývojové prostředí pro řídící prvky příslušného modelu, odkaz 5 Praktické použití vzdálené laboratoře 5.1 Model stabilizace hladiny kapaliny prakticky Základem využití vzdálené laboratoře je možnost připojení studentů k příslušnému modelu i v době, kdy nejsou přítomni v laboratoři, či v nočních hodinách. Toto si můžeme prezentovat na následujícím příkladu řízení stabilizace hladiny. Student dostane za úkol vytvořit řídící aplikaci - projekt, který na základě nastavení konkrétních hodnot výšky v jednotlivých válcích má provést tyto změny. Během práce v laboratoři většina studentů nestihne zadanou úlohu realizovat, a tak ji mohou dokončit po cvičení přes vzdálený přístup. Pro vlastní řízení je použito PLC WAGO s následujícími moduly: x AI 0-10V snímají čidla modelu a x AO 0-10V řídi rychlost čerpání kapaliny a otevírání ventilu. Obr. 14. Hardwarová konfigurace PLC. Obr. 15. Ukázka časového průběhu úrovně hladiny v obou válcích (levý válec modrý průběh, pravý válec černý průběh). Výsledná hodnota levý 40 cm, výsledná hodnota pravý 20 cm.

6 18 Pro inspiraci Roč. 71 (2015) Číslo 3 počítači je zajištěna opensource aplikaci pgina. Po ukončení rezervace studenta dojde k automatickému odpojení modelu a všech jeho komponent od napájení. Výsledkem je tedy funkční systém, který umožňuje studentům vzdálenou práci s modely a testovat programy pro řízení sedmi modelů pomocí PLC [4], [5]. Každý model má na virtuálním počítači připraven základní demonstrační program. Obr. 16. Ukázka prohození úrovní hladin kapalin levý válec ze 40 cm na 20 cm a pravý válec z 20 cm na 40 cm. Tato úloha je na první pohled poměrně jednoduchá, ale problémem je, že oba válce jsou propojeny jako spojené nádoby, a tak dochází automatickému vyrovnávání hladin. Celý děj pro změnu z ustálených hodnot na nově zadané je pak možné sledovat i v grafu, který je pak součásti dokumentace, kterou student odevzdává. V rámci zadaného úkolu jsou hodnoceny způsob regulace, kterou student si zvolil, praktická realizace projektu a způsob naprogramování, jakož i nasnímané hodnoty při změně výšky hladin. 6 Závěr Článek se zabývá možností řízení přístupu ke vzdálené laboratoři. Pro stálé využití laboratoře pro výuku byl vytvořen rezervační systém. Tento systém se skládá z naprogramované webové rezervační aplikace, která řeší autentifikaci a rezervaci studenta do systému. Aplikace umožňuje rezervaci přístupu na zvolený den a čas, periodickou rezervaci, zobrazení statistik přístupů k modelům, zobrazení statistik uživatele, možnost manipulace s rezervacemi ze strany učitele a zablokování rezervace z důvodů výuky. Virtuální počítače se spouští ve virtualizačním programu VMware Workstation. Jejich management se provádí příkazy vmware. Linuxový příkaz at spouští startovací a ukončovací skripty v daném čase. Bezpečná autentifikace k virtuálnímu Tento článek byl výsledkem řešení interního grantu Vytvoření rezervačního systému k laboratorním modelům. Literatura PaedDr. František Smrčka, Ph.D. Ing. Michal Bílek Prof. Ing. František Zezulka, CSc. [1] Zezulka, F., et al. Trends in Automation - investigation in Network Control Systems and Sensor Networks, In 10th IFAC Workshop on Programmable devices and Embedded Systems PDeS 2010, Silesian University Gliwice. 2010, p [2] Burget, P., et al. Remote Labs and Resource Sharing in Control Systems Education. In Preprints of the 17th IFAC World Congress. Seoul, South Korea, 2008, ISBN (references). [3] Smrčka, F., Bílek, M., Zezulka, F. Teaching by Means of Remote Access to Models. In Proceedings of 15th International Conference on Mechatronics: Mechatronika FEL ČVUT, Praha. 2012, p ISBN [4] Zezulka, F., Smrčka, F. A computer lab with Internet access management. Littera Scripta, 2012, roč. 5, č. 1, s ISSN X. [5] Smrčka, F., Bílek, M. Vzdálená laboratoř pro Allen Bradley. In Konference Informatika XXV/2012. Mendelova univerzita v Brně. 2012, s ISBN