基于IIoT的西门子S7-...PLC线上实训教学平台设计_谭波.pdf

2023 NO.4 科 教 资 讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION基于IIoT的西门子S7-1200 PLC线上实训教学平台设计谭波(重庆三峡职业学院智能制造学院 重庆 404000)摘要：该文主要论述了基于工业物联网技术，应用于西门子S7-1200 PLC实训课程教学的线上实训平台的开发。平台包含由PLC、工业互联网网关等组成的硬件平台和由多个PLC典型教学实训项目监控界面组成的软件平台。平台能够实现西门子S7-1200 PLC的线上远程操作和多个PLC教学实训项目的线上实训。平台成功应用于PLC相关课程线上教学中，对提高学生的西门子S7-1200 PLC控制系统设计和调试的技能水平及综合应用的能力有显著作用。关键词：线上实训 远程操作 S7-1200 PLC IIoT中图分类号：TP273.5文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)04-0212-04Design of Online Training and Teaching Platform for Siemens S7-1200 PLC Based on IIoTTAN Bo(School of Intelligent Manufacturing,Chongqing Three Gorges Vocational College,Chongqing,404000 China)Abstract:This paper mainly discusses the development of online training platform for Siemens S7-1200 PLC training teaching based on IIoT.The platform includes a hardware platform which consists of PLC and industrial Internet gateway and a software platform which consists of several monitoring interfaces for PLC typical teaching and training projects.The platform can realize online remote operation of Siemens S7-1200 PLC and the online training for several PLC teaching and training projects.The platform is successfully applied in the online teaching of PLC-related courses,which has a significant effect on improving students skill level in the design and debugging and comprehensively application ability for Siemens S7-1200 PLC control system.Key Words:Online training;Remote operation;S7-1200 PLC;IIoTPLC是一种广泛应用于工业自动化控制领域的控制器，PLC编程及应用被各高校自动化控制相关专业列为重要的专业核心课程。在“互联网+”迅猛发展的态势下，各种新型的教学模式兴起，如虚拟仿真教学、网络线上教学、云教学等。传统的PLC教学的实训课程多以线下实训模式为主，为了配合网络线上教学，迫切需要开发出能够实现远程操作、线上实训的PLC实训教学平台。赵立平等人基于工业物联网对泵房自动化控制系统进行了改造1。郭琼等人研究了基于PLC远程监控系统的特点并开发相应的实践案例2。谭波设计了西门子 S7 系列 PLC 的液压机过程数据采集系统3。王桂芳等人开发了基于S7-200 PLC的过程控制试验平台4。刘波等人设计了基于PLC的机电一体化实验DOI：10.16661/ki.1672-3791.2207-5072-7528基金项目：重庆三峡职业学院校级科研项目（项目编号：cqsx2021010）。作者简介：谭波（1987），男，硕士，工程师，讲师，主要从事自动化控制、工业机器人应用技术方向研究工作。212科 教 资 讯 2023 NO.4 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯台5。相关研究都是针对PLC远程监控或线下试验，对于PLC线上教学的研究还较少。该文以西门子S7-1200系列PLC为研究对象，开发了基于工业物联网（IIoT）技术，能够实现远程操作、线上实训的西门子S7-1200 PLC实训教学平台，助力各高校更好地开展PLC课程的网络线上教学。1 平台的结构及工作原理西门子PLC可以通过OPC技术、Web通信技术等完成PLC连接互联网。工业物联网（IIoT）技术广泛应用于各种工业领域，而基于IIoT的网关产品也广泛兴起，为PLC连接互联网提供了又一种便捷手段6。西门子S7-1200 PLC的实训教学平台主要由硬件平台、软件平台和云平台这3个部分组成，具体如图1所示。硬件平台和软件平台分别通过 Wi-Fi、4G 或Internet连接到云平台。硬件和软件平台与云平台的互联网连接建立后，可建立软硬件平台之间的VPN通道。通过VPN通道，TIA Portal软件可将设计好的PLC程序，远程下载至PLC，且能远程监控PLC；实训教学监控软件可连接PLC，并进行PLC存储器的操作控制，信号状态的实时显示，从而实现PLC典型实训教学项目的线上实训。2 硬件平台实训教学平台的硬件包括电源、S7-1200 PLC和工业物联网（IIoT）网关。平台硬件设计型号如表 1所示。电源是S7-1200 PLC和工业物联网（IIoT）网关的供电设备；依据PLC和网关的电压等级和功率要求，电源选用明纬SDR 240型直流电源。S7-1200 PLC是实训教学平台的教学对象，通过Ethernet 连接至工业物联网（IIoT）网关，选用西门子1215 DC/DC/RLY型PLC。工业物联网（IIoT）网关是一种基于工业物联网（IIoT）技术的通信设备，可以实现不同设备之间、设备与上位机之间的互联网连接。工业物理网（IIoT)网关是为PLC提供网络连接的部件，可通过Wi-Fi、4G或Internet连接到互联网，选用享控科技的K321网关设备。享控科技的K321网关具有RS485和网口接口，同时支持西门子、三菱、台达、罗克韦尔等主流PLC的通信协议接入，通过其服务云和服务软件，能够进行网关下游设备数据检测，组建VPN通道，实现设备的远程操作、调试和数据传输。3 软件平台实训教学平台的软件包括TIA Portal软件、实训教图1 平台结构表1 硬件型号名称电源PLC工业物联网（IIoT）网关型号SDR 2401215 DC/DC/RLYK321技术参数240W DC24V14输入/10输出Wi-Fi/固网RS485/网口品牌明纬西门子享控科技213 2023 NO.4科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 科 教 资 讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯学监控软件和网关服务软件，所有软件都安装在计算机上，如图2所示。TIA Portal V15是西门子S7-1200 PLC的编程软件，可通过网关组建的VPN通道，对PLC进行远程监控，程序下载和监视；PLCTrain是平台的实训教学监控软件，其包含多个典型的基础PLC实训项目监控界面，当PLC程序编写好后，可以通过软件进行监视和控制，实时观察实训项目运行效果；电子人是网关服务软件，实训开始之前使用“电子人”可以建立软件平台和硬件平台之间的网络连接，构建平台计算机和PLC之间的VPN通道。3.1 实训教学监控软件PLCTrain西门子PLC与上位机通信的技术主要包括WinCC等组态软件技术、Prodave通信软件包技术、OPC技术、Snap7开源协议技术7。平台的实训监控软件PLCTrain是利用Python语言，基于Snap7开源协议开发的。依据PLC实训教学的主要教学内容，选取电机控制、交通灯、铁塔之光、饮料贩卖机、洗衣机这5个典型的PLC实训项目（可进行10余个分支项目的实训）和一个测试项目（用于联网测试），开发其对应的监控界面；其中饮料贩卖机的监控界面如图3所示。3.2 实训操作平台构建成功后，在首次使用之前，需要通过互联网进入享控的服务云，对K321网关设备进行初始化配置，配置其联网方式、IP地址、连接设备数量、连接设备IP地址等参数。K321网关设备下可连接多个PLC设备，可通过交换机扩展。初始化配置只需要配置一次，便可终身使用，配置完成就可以进行项目实训，实训流程如图4所示。平台是可以通过互联网实现远程线上实训的，实图4 实训流程图2 平台软件图3 饮料贩卖机监控界面214科 教 资 讯 2023 NO.4 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯训流程中，“上电，连接网络”的操作由硬件平台处的相关人员完成，只需要确保PLC和IIoT网关电源开启，并连接好两者之间的网线，确保网关连接上互联网。实训结束后，也可由相关人员断开硬件设备电源，保证设备的正常使用。实训的人员利用互联网，通过平台软件的操作，异地远程完成相关项目的实训学习。4 平台测试搭建系统平台，进行平台功能测试，按照实训流程，对平台的各功能和典型的实训项目进行测试。测试时，工业互联网（IIoT）网关和PC都使用Wi-Fi联网方式。图5为交通灯项目测试，图6为TIA Portal线上远程监控PLC。测试结果表明，平台能够实现西门子S7-1200 PLC和PC的互联网连接，能够建立两者之间的VPN通道，能够通过TIA Portal软件远程对PLC进行线上远程程序下载、修改，调试等操作；PLCTrian实训监控软件的所有实训项目均可以正常线上实训，能够达到PLC线上实训教学的目的，帮助提高PLC应用技能水平。5 结语利用工业物联网（IIoT）网关，设计了西门子S7-1200 PLC教学的线上实训平台方案，并成功搭建好平台，开发了拥有 PLC 典型实训项目的实训监控软件PLCTrian；在平台上对每个实训项目进行了测试，测试结果表明：平台具有西门子S7-1200 PLC线上远程监控、远程调试、远程程序下载的功能，且通过实训软件可以完成西门子S7-1200 PLC的典型项目线上实训。后疫情时代，将平台成功应用于学校相关PLC课程线上教学中，对PLC课程线上教学的开展和学生PLC技能学习有着显著的作用。参考文献1 赵立平,张普,李玲江.基于工业物联网的煤矿生活区水泵房自动化系统改造研究J.矿业装备,2022(3):284-285.2 郭琼,姚晓宁,钱晓忠,等.基于PLC的远程监控系统研究及实践J.实验技术与管理,2019,36(5):94-97.3 谭波.基于Python和西门子S7系列PLC的液压机过程数据采集系统设计J.锻压装备与制造技术,2021,56(3):52-55.4 王桂芳,程上方,刘奇寿,等.基于S7-200 PLC的过程控制实验平台开发J.实验技术与管理,2019,36(7):78-82,86.5 刘波,刘晓鹏,赵俊生,等.基于PLC的机电一体化实验台设计J.实验室研究与探索,2018,37(4):87-89,111.6 王伟刚.基于ARM架构的工业物联网网关研究与实现J.中国信息化,2022(3):51-52.7 魏学舟,刘涛.基于Sn