基于IIoT的西門子S7-1200 PLC線上實訓(xùn)教學平臺設(shè)計

關(guān)鍵詞： 線上實訓(xùn) 遠程操作 S7-1200 PLC IIoT

PLC 是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的控制器，PLC 編程及應(yīng)用被各高校自動化控制相關(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)勢下，各種新型的教學模式興起，如虛擬仿真教學、網(wǎng)絡(luò)線上教學、云教學等。傳統(tǒng)的PLC 教學的實訓(xùn)課程多以線下實訓(xùn)模式為主，為了配合網(wǎng)絡(luò)線上教學，迫切需要開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)遠程操作、線上實訓(xùn)的PLC 實訓(xùn)教學平臺。

趙立平等人基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對泵房自動化控制系統(tǒng)進行了改造[1]。郭瓊等人研究了基于PLC 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的特點并開發(fā)相應(yīng)的實踐案例[2]。譚波設(shè)計了西門子S7 系列PLC 的液壓機過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[3]。王桂芳等人開發(fā)了基于S7-200 PLC 的過程控制試驗平臺[4]。劉波等人設(shè)計了基于PLC 的機電一體化實驗臺[5]。相關(guān)研究都是針對PLC 遠程監(jiān)控或線下試驗，對于PLC 線上教學的研究還較少。

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

1 平臺的結(jié)構(gòu)及工作原理

西門子PLC 可以通過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 的實訓(xùn)教學平臺主要由硬件平臺、軟件平臺和云平臺這3 個部分組成，具體如圖1所示。硬件平臺和軟件平臺分別通過Wi-Fi、4G 或Internet 連接到云平臺。硬件和軟件平臺與云平臺的互聯(lián)網(wǎng)連接建立后，可建立軟硬件平臺之間的VPN 通道。通過VPN 通道，TIA Portal 軟件可將設(shè)計好的PLC程序，遠程下載至PLC，且能遠程監(jiān)控PLC；實訓(xùn)教學監(jiān)控軟件可連接PLC，并進行PLC 存儲器的操作控制，信號狀態(tài)的實時顯示，從而實現(xiàn)PLC 典型實訓(xùn)教學項目的線上實訓(xùn)。

2 硬件平臺

實訓(xùn)教學平臺的硬件包括電源、S7-1200 PLC 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）網(wǎng)關(guān)。平臺硬件設(shè)計型號如表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)的電壓等級和功率要求，電源選用明緯SDR 240 型直流電源。

S7-1200 PLC 是實訓(xùn)教學平臺的教學對象，通過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，可以實現(xiàn)不同設(shè)備之間、設(shè)備與上位機之間的互聯(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，同時支持西門子、三菱、臺達、羅克韋爾等主流PLC 的通信協(xié)議接入，通過其服務(wù)云和服務(wù)軟件，能夠進行網(wǎng)關(guān)下游設(shè)備數(shù)據(jù)檢測，組建VPN 通道，實現(xiàn)設(shè)備的遠程操作、調(diào)試和數(shù)據(jù)傳輸。

3 軟件平臺

實訓(xùn)教學平臺的軟件包括TIA Portal 軟件、實訓(xùn)教學監(jiān)控軟件和網(wǎng)關(guān)服務(wù)軟件，所有軟件都安裝在計算機上，如圖2 所示。TIA Portal V15 是西門子S7-1200PLC 的編程軟件，可通過網(wǎng)關(guān)組建的VPN 通道，對PLC進行遠程監(jiān)控，程序下載和監(jiān)視；PLCTrain 是平臺的實訓(xùn)教學監(jiān)控軟件，其包含多個典型的基礎(chǔ)PLC 實訓(xùn)項目監(jiān)控界面，當PLC 程序編寫好后，可以通過軟件進行監(jiān)視和控制，實時觀察實訓(xùn)項目運行效果；電子人是網(wǎng)關(guān)服務(wù)軟件，實訓(xùn)開始之前使用“電子人”可以建立軟件平臺和硬件平臺之間的網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)建平臺計算機和PLC 之間的VPN 通道。

3. 1 實訓(xùn)教學監(jiān)控軟件PLCTrain

西門子PLC 與上位機通信的技術(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]。

平臺的實訓(xùn)監(jiān)控軟件——PLCTrain 是利用Python語言，基于Snap7 開源協(xié)議開發(fā)的。依據(jù)PLC 實訓(xùn)教學的主要教學內(nèi)容，選取電機控制、交通燈、鐵塔之光、飲料販賣機、洗衣機這5 個典型的PLC 實訓(xùn)項目（可進行10 余個分支項目的實訓(xùn)）和一個測試項目（用于聯(lián)網(wǎng)測試），開發(fā)其對應(yīng)的監(jiān)控界面；其中飲料販賣機的監(jiān)控界面如圖3 所示。

3. 2 實訓(xùn)操作

平臺構(gòu)建成功后，在首次使用之前，需要通過互聯(lián)網(wǎng)進入享控的服務(wù)云，對K321 網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行初始化配置，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PLC 設(shè)備，可通過交換機擴展。初始化配置只需要配置一次，便可終身使用，配置完成就可以進行項目實訓(xùn)，實訓(xùn)流程如圖4 所示。

平臺是可以通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程線上實訓(xùn)的，實訓(xùn)流程中，“上電，連接網(wǎng)絡(luò)”的操作由硬件平臺處的相關(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。實訓(xùn)的人員利用互聯(lián)網(wǎng)，通過平臺軟件的操作，異地遠程完成相關(guān)項目的實訓(xùn)學習。

4 平臺測試

搭建系統(tǒng)平臺，進行平臺功能測試，按照實訓(xùn)流程，對平臺的各功能和典型的實訓(xùn)項目進行測試。測試時，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 為交通燈項目測試，圖6 為TIA Portal 線上遠程監(jiān)控PLC。測試結(jié)果表明，平臺能夠?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TIA Portal 軟件遠程對PLC 進行線上遠程程序下載、修改，調(diào)試等操作；PLCTrian 實訓(xùn)監(jiān)控軟件的所有實訓(xùn)項目均可以正常線上實訓(xùn)，能夠達到PLC 線上實訓(xùn)教學的目的，幫助提高PLC 應(yīng)用技能水平。

5 結(jié)語

利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）網(wǎng)關(guān)，設(shè)計了西門子S7-1200 PLC 教學的線上實訓(xùn)平臺方案，并成功搭建好平臺，開發(fā)了擁有PLC 典型實訓(xùn)項目的實訓(xùn)監(jiān)控軟件PLCTrian；在平臺上對每個實訓(xùn)項目進行了測試，測試結(jié)果表明：平臺具有西門子S7-1200 PLC 線上遠程監(jiān)控、遠程調(diào)試、遠程程序下載的功能，且通過實訓(xùn)軟件可以完成西門子S7-1200 PLC 的典型項目線上實訓(xùn)。后疫情時代，將平臺成功應(yīng)用于學校相關(guān)PLC 課程線上教學中，對PLC 課程線上教學的開展和學生PLC 技能學習有著顯著的作用。