基于IIoT的西门子S7-1200 PLC线上实训教学平台设计

关键词： 线上实训 远程操作 S7-1200 PLC IIoT

PLC 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S7-1200PLC 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

西門子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。