由于項(xiàng)目需要連接PLC和PC，所以傳送幾種狀態(tài)和控制信息。 為了實(shí)現(xiàn)最快的響應(yīng)速度，采用了I/O直接連接。 但是，這需要添加I/O卡，與PLC的I/O功能有些重復(fù)。 那么，網(wǎng)絡(luò)通信可能嗎？ 本文進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)。

西門子S7-1200

概述

使用的PLC是目前主流的西門子S7-1200。 支持PROFINET、PROFIBUS等網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)/協(xié)議，也可以間接連接到Modbus設(shè)備。 任何標(biāo)準(zhǔn)都有很多服務(wù)/協(xié)議。 詳情請(qǐng)參照Communication with SIMATIC 但是，這些標(biāo)準(zhǔn)中有些用于西門子的設(shè)備相互連接，不一定適用于PC。

下圖為TIA門戶v 14的通信相關(guān)命令，也可作為線索。

PLC通信指令

與PC的通信可以使用OPC服務(wù)器，但它是基于OLE/COM的，只能在Windows上使用。 一些軟件(如LabView )支持與西門子PLC的通信。 是跨平臺(tái)開源方案，一個(gè)是Snap7。 先試試這個(gè)吧。 另外，請(qǐng)嘗試最原始的TCP協(xié)議。

Snap7

Snap7是針對(duì)西門子S7協(xié)議的。 PLC不需要S7的服務(wù)器這一配置，但只需要利用Snap7 lib，就可以將PC作為S7客戶端讀取/寫入服務(wù)器端的數(shù)據(jù)塊。

數(shù)據(jù)塊映射

塊分為輸入?yún)^(qū)域(DI、AI )、輸出區(qū)域) DQ、AQ )、程序塊) DB )等。 在下圖中，DB3是測(cè)試程序的數(shù)據(jù)塊。

數(shù)據(jù)塊和監(jiān)視值

可以使用Snap7包附帶的(編譯的)測(cè)試程序查看/更改值。

Snap7測(cè)試程序

訪問設(shè)置

讀寫前需要進(jìn)行配置和權(quán)限設(shè)置。 禁用塊優(yōu)化，并授予完全權(quán)限。 有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱Snap7文檔。

另外，有些設(shè)置未在文檔中列出，即允許從遠(yuǎn)程對(duì)象進(jìn)行PUT/GET通信訪問。 否則就會(huì)出現(xiàn)“函數(shù)不可用”，

錯(cuò)誤，如“基于函數(shù)的處理器”。

Snap7通信的訪問設(shè)定

Python版的Snap7

使用腳本語(yǔ)言有時(shí)會(huì)很方便。 Python-snap7是Snap7 lib的python軟件包。 因?yàn)橹皇墙涌趯拥姆庋b，所以對(duì)速度的影響很小。

安裝時(shí)，需要安裝Snap7庫(kù)，然后使用pip安裝python-snap7。 有些平臺(tái)沒有現(xiàn)成的Snap7庫(kù)，需要自己編譯。 總之是草莓派，我自己編譯的。 實(shí)測(cè)Python2和Python3都工作。

核心代碼如下： I/O只有2字節(jié)，所以直接讀取/寫入2字節(jié)。

導(dǎo)入快照7

從快照7 .快照7類型導(dǎo)入S7區(qū)域數(shù)據(jù)庫(kù)，S7區(qū)域PA，S7區(qū)域應(yīng)用

第7類客戶端：類

def _ init _ (自，ip，槽=1，軌跡=0) :

self.client=snap7. client.client (

self.client.connect(IP，機(jī)架，插槽)。

延遲(自) :

區(qū)域=S7區(qū)域應(yīng)用

db=0

開始=0

amount=2

ba=self.client.read _ area (區(qū)域、數(shù)據(jù)庫(kù)、開始、停止) )。

d=巴西

d=8

d|=壩0

返回d

efwritedq (自，數(shù)據(jù)) :

區(qū)域=S7區(qū)域帕

db=0

開始=0

amount=2

ba=字節(jié)數(shù)組(amount )

BA0=數(shù)據(jù)0x FF

BA [1]=數(shù)據(jù)8

sel

f.client.write_area(area, db, start, ba)

速度測(cè)試

循環(huán)讀/寫DQ，看看總耗時(shí)。示意代碼如下：

def testWriteLoop(self, count): d = 0 self.log.info("Write DQ from: %04x", d) t1 = time.time() while d < count: self.plc.writeDQ(d) d += 1 t2 = time.time() self.log.info("Write DQ till: %04x. Average: %.2fms", (d - 1), (t2 - t1) * 1000 / d)

可以看到單次讀/寫的平均時(shí)間略高于9ms.

讀寫測(cè)試結(jié)果

下圖是最低位的波形。10個(gè)周期對(duì)應(yīng)于20次寫，耗時(shí)約182ms。高低電平不對(duì)稱的問題后面再說(shuō)。

遞增寫DQ時(shí)DQ0.0的波形

反向通信

如果PC做Snap7的服務(wù)器，則PLC需要使用GET/PUT指令讀/寫PC端的數(shù)據(jù)。既然都是S7協(xié)議，我們假設(shè)它的速度和正向是相當(dāng)?shù)模瑫呵姨^(guò)，先試試另一類型的通信。

原始的TCP通信

S7-1200支持開放式用戶通信，即基于TCP，但不屬于任何標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層協(xié)議的，完全由用戶自己定義的協(xié)議。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

PC端作為服務(wù)器：實(shí)際測(cè)試使用樹莓派充當(dāng)PC的角色。PLC端發(fā)送數(shù)據(jù)：由一個(gè)DI來(lái)觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送。樹莓派開啟數(shù)據(jù)發(fā)送：通過(guò)控制一個(gè)GPIO來(lái)開關(guān)繼電器，進(jìn)而改變PLC端的DI（信號(hào)1）；樹莓派在收到數(shù)據(jù)后，改變另一個(gè)GPIO的狀態(tài)（信號(hào)2）作為標(biāo)志；比較信號(hào)2和信號(hào)1的時(shí)間差。

實(shí)驗(yàn)器材及連線

PC端

PC端作為服務(wù)器，監(jiān)聽某一端口。在Linux上，可以用命令行工具netcat進(jìn)行調(diào)試。

開兩個(gè)窗口：

netcat -l 2000: 監(jiān)聽端口2000netcat localhost 2000: 與本機(jī)2000端口連接

一個(gè)窗口輸入字符，另一個(gè)窗口就會(huì)顯示出來(lái)。

然后，用Python socket寫一個(gè)類似的服務(wù)器端程序，核心代碼如下：

import socket self.sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) self.sock.bind(('', self.args.port)) self.sock.listen(1) self.conn, addr = self.sock.accept() data = self.conn.recv(32) self.log.info("Received: %02X %02X", data[0], data[1])

可以用 netcat 測(cè)試這個(gè)服務(wù)器程序。

PC端的TCP server

PLC端

PLC端使用TSEND_C發(fā)送數(shù)據(jù)。

由trigger觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送，trigger對(duì)應(yīng)于數(shù)字輸入，比如DI0.1.trigger同時(shí)觸發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)器。TSEND發(fā)送這個(gè)計(jì)數(shù)器的值，這樣PC每次收到的數(shù)據(jù)是遞增的。CONT設(shè)為TRUE，保持連接，這樣速度最快。

PLC端程序

在網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)置中指定PC端的IP地址和端口號(hào)，端口號(hào)要和服務(wù)器監(jiān)聽的端口號(hào)一致。由PLC主動(dòng)發(fā)起連接。

PLC端網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)置

初步的結(jié)果

下圖中，黃色為PLC端的輸入（信號(hào)1），綠色為樹莓派上收到數(shù)據(jù)后的輸出（信號(hào)2）。

都以上升沿作為標(biāo)志。兩者的時(shí)間差不到9ms。

通信耗時(shí)的波形圖

可以更快嗎？

通信負(fù)載

由通信引起的循環(huán)負(fù)荷：默認(rèn)是20%，取值可以從15%到50%。改變這個(gè)值，發(fā)現(xiàn)對(duì)通信時(shí)間并沒有影響。

輸入濾波器

這個(gè)值默認(rèn)是6.4ms，它是用來(lái)過(guò)濾按鍵抖動(dòng)的。但對(duì)于電路觸發(fā)（非人工/機(jī)械按鍵）的情況，這個(gè)抖動(dòng)可以設(shè)得很小。

PLC輸入濾波器

將它調(diào)小至0.1ms，整個(gè)耗時(shí)降低了約6ms. 通信耗時(shí)不到3ms了。

通信耗時(shí)（0.1ms輸入濾波）

循環(huán)時(shí)間

PLC的運(yùn)行方式是不斷循環(huán)去讀取輸入，執(zhí)行程序塊，更新輸出的模式。循環(huán)周期過(guò)長(zhǎng)，是否會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)通信呢？

通過(guò)在線診斷，可以看到循環(huán)時(shí)間最長(zhǎng)為4ms，通常都在1~2ms。

PLC循環(huán)時(shí)間

這說(shuō)明循環(huán)時(shí)間并不是瓶頸。而且反過(guò)來(lái)，循環(huán)時(shí)間比通信時(shí)間還短（即使輸入濾波器為6.4ms，通信時(shí)間9ms時(shí)，循環(huán)時(shí)間依然是1~2ms），這說(shuō)明通信和循環(huán)似乎是分頭執(zhí)行的。

其它

本來(lái)還想試一下中斷執(zhí)行方式的，但把通信程序塊放到中斷響應(yīng)里執(zhí)行并沒有成功?？紤]到對(duì)于PLC的百兆網(wǎng)口，3ms已經(jīng)夠快了，就沒再折騰了。

還試驗(yàn)了一下，在PLC上單純地增加一個(gè)計(jì)數(shù)器或反復(fù)翻轉(zhuǎn)輸出電平，每次操作耗時(shí)大約也是3ms。

順便說(shuō)一句，在PLC的數(shù)字輸出上，卻看不到電平的翻轉(zhuǎn)（看到的總是高電平）。前面有一張“遞增寫DQ時(shí)DQ0.0的波形”圖，18ms的周期，基本上已看不到電平下降到0了。感覺PLC的輸出頻率并不高，甚至可能有高頻濾波。

結(jié)語(yǔ)

從PLC的眾多網(wǎng)絡(luò)通信方式中，本文試驗(yàn)了簡(jiǎn)單易行并且跨平臺(tái)的兩種方式，用來(lái)和PC通信。

使用基于S7協(xié)議的Snap7庫(kù)，在讀寫PLC時(shí)大約耗時(shí)9ms.使用開放式的TCP協(xié)議，PLC向PC發(fā)送數(shù)據(jù)最快不到3ms.

考慮到S7-1200只是百兆網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)速度應(yīng)該是不錯(cuò)的，可以滿足大部分需要。