基于IIoT的西門子S7-1200 PLC線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞： 線上實(shí)訓(xùn) 遠(yuǎn)程操作 S7-1200 PLC IIoT

PLC 是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的控制器，PLC 編程及應(yīng)用被各高校自動(dòng)化控制相關(guān)專業(yè)列為重要的專業(yè)核心課程。在“互聯(lián)網(wǎng)+”迅猛發(fā)展的態(tài)勢(shì)下，各種新型的教學(xué)模式興起，如虛擬仿真教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)線上教學(xué)、云教學(xué)等。傳統(tǒng)的PLC 教學(xué)的實(shí)訓(xùn)課程多以線下實(shí)訓(xùn)模式為主，為了配合網(wǎng)絡(luò)線上教學(xué)，迫切需要開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作、線上實(shí)訓(xùn)的PLC 實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)。

趙立平等人基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造[1]。郭瓊等人研究了基于PLC 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)并開發(fā)相應(yīng)的實(shí)踐案例[2]。譚波設(shè)計(jì)了西門子S7 系列PLC 的液壓機(jī)過(guò)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[3]。王桂芳等人開發(fā)了基于S7-200 PLC 的過(guò)程控制試驗(yàn)平臺(tái)[4]。劉波等人設(shè)計(jì)了基于PLC 的機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)臺(tái)[5]。相關(guān)研究都是針對(duì)PLC 遠(yuǎn)程監(jiān)控或線下試驗(yàn)，對(duì)于PLC 線上教學(xué)的研究還較少。

該文以西門子S7-1200 系列PLC 為研究對(duì)象，開發(fā)了基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作、線上實(shí)訓(xùn)的西門子S7-1200 PLC 實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，助力各高校更好地開展PLC 課程的網(wǎng)絡(luò)線上教學(xué)。

1 平臺(tái)的結(jié)構(gòu)及工作原理

西門子PLC 可以通過(guò)OPC 技術(shù)、Web 通信技術(shù)等完成PLC 連接互聯(lián)網(wǎng)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，而基于IIoT 的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品也廣泛興起，為PLC 連接互聯(lián)網(wǎng)提供了又一種便捷手段[6]。

西門子S7-1200 PLC 的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)主要由硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)和云平臺(tái)這3 個(gè)部分組成，具體如圖1所示。硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)分別通過(guò)Wi-Fi、4G 或Internet 連接到云平臺(tái)。硬件和軟件平臺(tái)與云平臺(tái)的互聯(lián)網(wǎng)連接建立后，可建立軟硬件平臺(tái)之間的VPN 通道。通過(guò)VPN 通道，TIA Portal 軟件可將設(shè)計(jì)好的PLC程序，遠(yuǎn)程下載至PLC，且能遠(yuǎn)程監(jiān)控PLC；實(shí)訓(xùn)教學(xué)監(jiān)控軟件可連接PLC，并進(jìn)行PLC 存儲(chǔ)器的操作控制，信號(hào)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，從而實(shí)現(xiàn)PLC 典型實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目的線上實(shí)訓(xùn)。

2 硬件平臺(tái)

實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的硬件包括電源、S7-1200 PLC 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）網(wǎng)關(guān)。平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)型號(hào)如表1所示。

電源是S7-1200 PLC 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）網(wǎng)關(guān)的供電設(shè)備；依據(jù)PLC 和網(wǎng)關(guān)的電壓等級(jí)和功率要求，電源選用明緯SDR 240 型直流電源。

S7-1200 PLC 是實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)對(duì)象，通過(guò)Ethernet 連接至工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）網(wǎng)關(guān)，選用西門子1215 DC/DC/RLY 型PLC。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）網(wǎng)關(guān)是一種基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)的通信設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間、設(shè)備與上位機(jī)之間的互聯(lián)網(wǎng)連接。工業(yè)物理網(wǎng)（IIoT）網(wǎng)關(guān)是為PLC 提供網(wǎng)絡(luò)連接的部件，可通過(guò)Wi-Fi、4G 或Internet 連接到互聯(lián)網(wǎng)，選用享控科技的K321 網(wǎng)關(guān)設(shè)備。享控科技的K321 網(wǎng)關(guān)具有RS485 和網(wǎng)口接口，同時(shí)支持西門子、三菱、臺(tái)達(dá)、羅克韋爾等主流PLC 的通信協(xié)議接入，通過(guò)其服務(wù)云和服務(wù)軟件，能夠進(jìn)行網(wǎng)關(guān)下游設(shè)備數(shù)據(jù)檢測(cè)，組建VPN 通道，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作、調(diào)試和數(shù)據(jù)傳輸。

3 軟件平臺(tái)

實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的軟件包括TIA Portal 軟件、實(shí)訓(xùn)教學(xué)監(jiān)控軟件和網(wǎng)關(guān)服務(wù)軟件，所有軟件都安裝在計(jì)算機(jī)上，如圖2 所示。TIA Portal V15 是西門子S7-1200PLC 的編程軟件，可通過(guò)網(wǎng)關(guān)組建的VPN 通道，對(duì)PLC進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，程序下載和監(jiān)視；PLCTrain 是平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)監(jiān)控軟件，其包含多個(gè)典型的基礎(chǔ)PLC 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目監(jiān)控界面，當(dāng)PLC 程序編寫好后，可以通過(guò)軟件進(jìn)行監(jiān)視和控制，實(shí)時(shí)觀察實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目運(yùn)行效果；電子人是網(wǎng)關(guān)服務(wù)軟件，實(shí)訓(xùn)開始之前使用“電子人”可以建立軟件平臺(tái)和硬件平臺(tái)之間的網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)建平臺(tái)計(jì)算機(jī)和PLC 之間的VPN 通道。

3. 1 實(shí)訓(xùn)教學(xué)監(jiān)控軟件PLCTrain

西門子PLC 與上位機(jī)通信的技術(shù)主要包括WinCC等組態(tài)軟件技術(shù)、Prodave 通信軟件包技術(shù)、OPC 技術(shù)、Snap7 開源協(xié)議技術(shù)[7]。

平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)監(jiān)控軟件——PLCTrain 是利用Python語(yǔ)言，基于Snap7 開源協(xié)議開發(fā)的。依據(jù)PLC 實(shí)訓(xùn)教學(xué)的主要教學(xué)內(nèi)容，選取電機(jī)控制、交通燈、鐵塔之光、飲料販賣機(jī)、洗衣機(jī)這5 個(gè)典型的PLC 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目（可進(jìn)行10 余個(gè)分支項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)）和一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目（用于聯(lián)網(wǎng)測(cè)試），開發(fā)其對(duì)應(yīng)的監(jiān)控界面；其中飲料販賣機(jī)的監(jiān)控界面如圖3 所示。

3. 2 實(shí)訓(xùn)操作

平臺(tái)構(gòu)建成功后，在首次使用之前，需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入享控的服務(wù)云，對(duì)K321 網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行初始化配置，配置其聯(lián)網(wǎng)方式、IP 地址、連接設(shè)備數(shù)量、連接設(shè)備IP 地址等參數(shù)。K321 網(wǎng)關(guān)設(shè)備下可連接多個(gè)PLC 設(shè)備，可通過(guò)交換機(jī)擴(kuò)展。初始化配置只需要配置一次，便可終身使用，配置完成就可以進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，實(shí)訓(xùn)流程如圖4 所示。

平臺(tái)是可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程線上實(shí)訓(xùn)的，實(shí)訓(xùn)流程中，“上電，連接網(wǎng)絡(luò)”的操作由硬件平臺(tái)處的相關(guān)人員完成，只需要確保PLC 和IIoT 網(wǎng)關(guān)電源開啟，并連接好兩者之間的網(wǎng)線，確保網(wǎng)關(guān)連接上互聯(lián)網(wǎng)。實(shí)訓(xùn)結(jié)束后，也可由相關(guān)人員斷開硬件設(shè)備電源，保證設(shè)備的正常使用。實(shí)訓(xùn)的人員利用互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)平臺(tái)軟件的操作，異地遠(yuǎn)程完成相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)。

4 平臺(tái)測(cè)試

搭建系統(tǒng)平臺(tái)，進(jìn)行平臺(tái)功能測(cè)試，按照實(shí)訓(xùn)流程，對(duì)平臺(tái)的各功能和典型的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（IIoT）網(wǎng)關(guān)和PC 都使用Wi-Fi 聯(lián)網(wǎng)方式。圖5 為交通燈項(xiàng)目測(cè)試，圖6 為TIA Portal 線上遠(yuǎn)程監(jiān)控PLC。測(cè)試結(jié)果表明，平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)西門子S7-1200 PLC 和PC 的互聯(lián)網(wǎng)連接，能夠建立兩者之間的VPN 通道，能夠通過(guò)TIA Portal 軟件遠(yuǎn)程對(duì)PLC 進(jìn)行線上遠(yuǎn)程程序下載、修改，調(diào)試等操作；PLCTrian 實(shí)訓(xùn)監(jiān)控軟件的所有實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目均可以正常線上實(shí)訓(xùn)，能夠達(dá)到PLC 線上實(shí)訓(xùn)教學(xué)的目的，幫助提高PLC 應(yīng)用技能水平。

5 結(jié)語(yǔ)

利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）網(wǎng)關(guān)，設(shè)計(jì)了西門子S7-1200 PLC 教學(xué)的線上實(shí)訓(xùn)平臺(tái)方案，并成功搭建好平臺(tái)，開發(fā)了擁有PLC 典型實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)監(jiān)控軟件PLCTrian；在平臺(tái)上對(duì)每個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：平臺(tái)具有西門子S7-1200 PLC 線上遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程調(diào)試、遠(yuǎn)程程序下載的功能，且通過(guò)實(shí)訓(xùn)軟件可以完成西門子S7-1200 PLC 的典型項(xiàng)目線上實(shí)訓(xùn)。后疫情時(shí)代，將平臺(tái)成功應(yīng)用于學(xué)校相關(guān)PLC 課程線上教學(xué)中，對(duì)PLC 課程線上教學(xué)的開展和學(xué)生PLC 技能學(xué)習(xí)有著顯著的作用。