基于VPN的可视远程PLC实验平台构建

荆忠凯, 王柏洲, 宋 建

(华南理工大学 聚合物成型加工工程教育部重点实验室,聚合物新型成型装备国家工程研究中心,广东 广州 510640)



基于VPN的可视远程PLC实验平台构建

荆忠凯, 王柏洲, 宋 建

(华南理工大学 聚合物成型加工工程教育部重点实验室,聚合物新型成型装备国家工程研究中心,广东 广州 510640)

针对当前学校实验资源不足的问题，首先对原有PLC实验台进行局域网升级改造，并通过加入摄像头使其具备网络可视功能，最后利用虚拟专用网络(VPN)技术构建了一种可视远程PLC实验平台。介绍了PLC网络实验要求与改造前、后实验台硬件的网络拓扑结构，阐述了利用常用的市售网络产品组建的VPN网络架构与集成方法。实验平台的投入使用，使学生可以在宿舍和教室通过网络远程进行PLC编程实验，同时可通过网络摄像头观察PLC系统的实际运行状态，增强现场体验感。新的实验平台不但提高了设备的利用率与开放度，而且更加激发了学生的学习兴趣，改善了教学效果。

PLC； 远程实验； VPN； 可视化

0 引 言

基于网络的远程实验室，投入少、资源利用率高，已成为各级院校实施“绿色教育”办学理念的重要内容，是现代实验室建设的新趋势[1-3]。西门子S7-200系列PLC以优良的性能和较高的性价比在工业自动化领域得到了广泛的应用，越来越多的学校将其列入“PLC控制技术”(或同类课程)的教学大纲。对于应用技术类课程而言，实验环节至关重要，但由于实验资源的不足，大多数学校均采用演示实验的方式教学，学生动手机会少，效果不佳。针对这一问题，国内已有院校与企业合作，使用专用通讯模块和服务器实现了PLC的远程实验[4-5]，但因其对访问端硬件配置有特殊要求，使用不够便利。因此，探索一种基于通用资源的PLC远程实验模式极有必要。

1 项目介绍

实验室现有的S7-200 PLC网络控制技术实验台是一种可进行PLC与PLC、PLC与触摸屏、PLC与变频器间多种协议通信实验的综合实验设备，主要由2台CPU 224XP CN PLC、一台Smart 700 IE触摸屏、一台G110变频器和一台三相异步电动机组成。其中：触摸屏与PLC1的PORT1连接，实现二者的PPI通信；PLC1的PORT0与PLC2的PORT1连接，可进行PLC间的PPI通信和Modbus主/从通信；PLC2的PORT0与变频器串口连接，实现USS通信[6-9]。实验台PLC网络控制系统的原理框图如图1所示。

图1 实验台PLC网络控制系统结构框图

近年来，随着学校“卓越工程师教育培养计划”的实施[10-11]，本科实验教学环节得到了进一步的强化，现有实验资源则相形见绌。项目组通过调研分析，决定对现有设备进行改造升级，建设一种基于公共网络资源的可视化远程PLC实验平台，让学生不但可随时随地远程登录实验室的PLC实验台，进行各种PLC网络控制技术实验，还可远程在线观察实验设备的运行状态，增强实验体验。

2 实验平台的网络构建

2.1 实验台的局域网改造

原有的PLC网络控制技术实验台主要用于实验室现场教学，无互联网接入功能。改造的主要内容是组建连接PLC、触摸屏、摄像头等智能器件的局域网。

CPU 224 XP有两个RS485通信接口，但无以太网通信端口。CP243-1是西门子公司专为S7-200系列PLC提供的以太网通信模块。通过扩展可将CPU 224 XP接入局域网。

Smart 700 IE是西门子公司推出的新款SMART LINE触摸屏，与前一代产品相比，不但支持更多的第三方PLC串口通信协议，而且还集成了Modbus通信功能，更重要的是增加了1个RJ45接口，支持以太网通信。

摄像头用于实现在线观察实验设备的运行状态。常见的在线摄像头有USB和以太网两种接口形式。在此选用的是网络摄像头，可直接将采集的图像和声音数据传送至本地网络。

为方便接入路由器，在每台设备内配置1部交换机，与PLC1、PLC2、触摸屏和网络摄像头组建图2所示的局域网络。

图2 实验台局域网结构拓扑图

2.2 基于VPN的实验平台构建

虚拟专用网络(Virtual Private Network，VPN)是指利用密码技术和访问控制技术在公共网络中建立的专用网络[12-13]。在该虚拟网络中，任意2个节点之间的连接没有传统专用网所需的端到端的物理链路，而是利用公共网络资源的动态组成。虚拟专用网络对客户端透明，客户端之间好像使用一条专用线路进行通信[14-15]。该技术不但数据通信准确、安全，而且实现简单、费用低，应用日益广泛。

建立VPN有两种方式：一种是在本地局域网内设置1台VPN服务器，通过该服务器建立客户端与本地网络的VPN；另一种是使用VPN路由器直接建立VPN[16]。服务器方式可同时接入的远程客户端多，但投资较大；路由器方式接入量虽少，但具有组网简单、成本低的优势。相对而言，实验平台如果同时接入的VPN客户端数量较少，则宜选择VPN路由器方式。

将各个实验台局域网的交换机与VPN路由器相连组成本地网络B，并通过VPN路由器接入公共网络。此时，位于任意网络A的客户端计算机便可使用VPN技术与每台实验设备中的PLC、触摸屏以及摄像头建立P2P连接。构建的实验平台网络结构拓扑如图3所示。

图3 实验平台网络结构拓扑图

3 网络配置与运行

3.1 实验台局域网配置

要实现实验台局域网的互联互通，必须在同一网段内(如192.168.0.***)对各智能器件的以太网通信参数进行配置。

使用STEP7—Micro/WIN软件中的“以太网向导”工具，分别配置PLC1、PLC2的CP243-1通信模块IP地址为192.168.0.65、192.168.0.66。Smart 700 IE 的IP地址配置直接在触摸屏上完成。开机后依次进入【Control Panel】→【Ethernet】界面，设置IP地址：192.168.0.67。网络摄像头的IP地址根据生产商提供的专用软件设置，IP地址：192.168.0.68。所有设备的子网掩码均设为255.255.255.0。

3.2 VPN网络配置与运行

VPN网络配置包括网络B中的VPN路由器和位于网络A的客户端计算机2部分。

VPN路由器配置。登陆路由器管理界面，设置WAN口的IP地址(固定公网IP)并在静态地址分配表中对各智能器件的MAC地址与对应的IP地址进行绑定；启用路由器的VPN功能后选择合适的协议类型，继而选择工作模式、组网模式和设置用户名和密码。

客户端计算机配置。VPN是实现位于不同局域网中端口P2P互连的一项隧道技术，要求网络A与网络B位于不同网段。网络A的网段设置为192.168.1.***。依次打开客户端计算机操作系统(以Windows 7为例)的【控制面板】→【网络和Internet】→【网络和共享中心】→【设置新的连接或网络】→【连接到工作区】→【使用我的Internet连接(VPN)】，在要连接到的Internet地址栏输入网络B路由器的WAN口IP地址，而后设置用户名和密码(与网络B路由器设置一致)并点击连接。上述配置完成后客户端计算机便可通过构建的VPN实验平台进行实验。

运行STEP7—Micro/WIN软件，点击进入【通信】工具界面，设置PG/PC接口的访问路径为本机的以太网接口，在远程地址中填入目标PLC的IP地址，确认后建立与PLC的联机通信。图4为USS通信程序的远程在线状态监控与调试界面。同样，通过将WinCC flexible 软件中下载地址设置为目标触摸屏的IP地址，成功实现了触摸屏组态界面的远程下载与调试。

图4 USS通信远程在线状态监控与调试界面

另外，在浏览器中输入目标网络摄像头的IP地址，成功登陆后能在线观看上述USS通信程序调试过程中指示灯和电动机的运行状态，画面清晰流畅。

4 结 语

实验平台建成之后，学生在教室和宿舍均可进行远程实验练习，提高设备利用率的同时极大激发了学生的学习热情，提升了教学效果。

采用VPN技术构建的具有可视功能的PLC远程实验平台，最大限度地利用了公共网络资源，所需的VPN路由器、交换机等硬件均为常用的市售产品，具有实现简单、可扩展性强等特点，可供各类院校同类实验室的网络化、信息化建设参考借鉴。

[1] 余清臣.绿色教育在中国:思想与行动[J]. 教育学报, 2011,7(6):73-76.

[2] 刘 婷,钱扬义,彭 豪.基于网络的远程实验室研究:国内13年研究回顾[J].远程教育杂志,2013(2):107-112.

[3] 孙 遒. 基于绿色教育理念构建高校绿色机房[J]. 实验室研究与探索, 2010,29(11):355-357.

[4] 吴益宇,李佳亮,张迎辉,等.西门子的PLC远程在线访问实验室[J].可编程控制器与工厂自动化,2011(3):61-64.

[5] 姜建芳,杨秀爽,陈新华,等.基于WinCC Web Navigator的PLC远程实验室设计[J].实验室研究与探索,2008,27(12):57-62.

[6] SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册[Z].2008.

[7] SIMATIC NETCP 243-1 IT用于工业以太网和信息技术的通讯处理器[Z].2003.

[8] SIMATIC HMI设备Smart 700 IE、Smart 1000 IE操作说明[Z].2013.

[9] SIMATIC G110单项交流变频器简明操作手册[Z].2005.

[10] 张安富,刘兴凤.实施“卓越工程师教育培养计划”的思考[J]. 高等工程教育研究，2010(4):56-59.

[11] 李 旭,张为公.基于科研项目的数字电路创新型实验教学改革[J].实验室研究与索,2015,34(1):168-209.

[12] 肖圳莎,林 闯,杨 冉,等.P2P-VPN虚拟网络架构模型分析[J].计算机科学与探索,2009,3(3):257-266.

[13] 郝 辉,钱华林. VPN及其隧道技术研究[J]. 微电子学与计算机, 2004,21(11):47-51.

[14] 蒋东毅,吕述望,罗晓广. VPN的关键技术分析[J].计算机工程与应用,2003(15):173-177.

[15] 韩思亮,汤建新,马皓.PLC远程监控与故障诊断系统设计与实现[J].工业仪表与自动化装置, 2005(1):23-26.

[16] TP-LINK无线企业VPN路由器TL-WVR300/TL-WVR308用户手册[M].REV2.0.0

Construction of the PLC Remote Visualization Experiment Platform Based on VPN

JINGZhong-kai,WANGBai-zhou,SONGJian

(The Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of Ministry of Education, The National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

For the current problem of insufficient resources of equipment in school, firstly the original experiment PLC bench was upgraded in LAN, then a camera was added to make it with network visualization capabilities, and finally virtual private network (VPN) technology was used to build a visual remote PLC experimental platform. The PLC network test requirements were introduced, hardware and network topology before and after renovation of the experiment station were introduced, VPN network architecture and integration method which utilized common commercial networking products were described. With the novel experimental platform students can make PLC program experiments remotely over the network in the dormitory and classroom, and observe the actual operating status of the PLC system via webcam. It enhances students a sense of field experience. New experimental platform has been improved the utilization and openness of equipment, stimulated the students’ interest in learning, and also improved teaching effectiveness.

PLC; remote experiment; virtual private network(VPN); visualization

2015-02-27

荆忠凯(1990-)，男，山东德州人，硕士生，主要研究方向工业装备的自动化控制。

宋 建(1971-)，男，高级工程师，研究方向为工业装备的自动化控制，E-mail:songjian@scut.edu.cn

TP 391.9

A

1006-7167(2015)12-0129-03