因項目需要PLC與PC連接，傳輸一些狀態(tài)和控制信息。為了最快的響應(yīng)速度，保險的方式是采用I/O直接連接。但這需要額外增加I/O卡，而且和PLC的I/O功能有些重復(fù)。那么，網(wǎng)絡(luò)通信是否可行呢？本文將進行一些實驗。

圖：西門子S7-1200

概述

使用的PLC是目前主流的西門子S7-1200. 它支持的網(wǎng)絡(luò)標準/協(xié)議很多，比如PROFINET, PROFIBUS等,還可以間接連接Modbus設(shè)備。每個標準下都有很多服務(wù)/協(xié)議，詳情可以參考Communication with SIMATIC。但這些標準有些是用于西門子的設(shè)備互聯(lián)的，不一定適用于PC。

下圖是 TIA Portal V14 中通信相關(guān)的指令，也可以作為線索。

圖：PLC通信指令

和PC的通信，一種方式是使用OPC server，但它是基于OLE/COM的，只能用于Windows。有些軟件比如LabView提供了和西門子PLC通信的支持。跨平臺的開源的方案，有一個是Snap7。我們可以先試試這個。另外可以嘗試最原始的TCP協(xié)議。

Snap7

Snap7是針對西門子S7協(xié)議的。PLC不需任何配置就是S7的server，而我們只需要利用Snap7 lib，就可以讓PC作為S7 client，讀/寫服務(wù)器端的數(shù)據(jù)塊。

數(shù)據(jù)塊映射

數(shù)據(jù)塊分為輸入?yún)^(qū)(DI, AI)，輸出區(qū)(DQ, AQ)，程序數(shù)據(jù)塊(DB）等等。下圖中，DB3是測試程序的數(shù)據(jù)塊。

圖：數(shù)據(jù)塊及監(jiān)測值

用Snap7包中自帶的（編譯好的）測試程序可以查看/修改它的值。

圖：Snap7測試程序

訪問設(shè)置

在讀寫前需要進行配置和權(quán)限的設(shè)置：禁用塊優(yōu)化，給予完全訪問權(quán)限，詳見 Snap7的文檔。

還有一個文檔中沒提到的設(shè)置：允許來自遠程對象的PUT/GET通信訪問。否則會出現(xiàn) "Function not available", "function refused by CPU"之類的錯誤。

圖：Snap7通信的訪問設(shè)置

Python版的Snap7

有時使用腳本語言會更方便一些。python-snap7就是一個Snap7 lib的Python封裝。因為只是接口層的封裝，對速度的影響很小。

安裝時需要先安裝Snap7的庫，再用pip安裝python-snap7。有些平臺沒有現(xiàn)成的Snap7的庫，需要自己編譯。反正樹莓派上我是自己編譯的。 實測Python2和Python3都可以工作。

核心調(diào)用代碼如下。因為I/O只有兩字節(jié)，就直接讀/寫兩字節(jié)了。

import snap7

from snap7.snap7types import S7AreaDB, S7AreaPA, S7AreaPE

class S7Client:

def __init__(self, ip, slot=1, rack=0):

self.client = snap7.client.Client()

self.client.connect(ip, rack, slot)

def readDI(self):

area = S7AreaPE

db = 0

start = 0

amount = 2

ba = self.client.read_area(area, db, start, amount)

d = ba[1]

d <<= 8

d |= ba[0]

return d

def writeDQ(self, data):

area = S7AreaPA

db = 0

start = 0

amount = 2

ba = bytearray(amount)

ba[0] = data & 0xff

ba[1] = data >> 8

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

速度測試

循環(huán)讀/寫DQ，看看總耗時。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/寫的平均時間略高于9ms.

圖：讀寫測試結(jié)果

下圖是最低位的波形。10個周期對應(yīng)于20次寫，耗時約182ms。高低電平不對稱的問題后面再說。

圖：遞增寫DQ時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)?#xff0c;暫且跳過，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，但不屬于任何標準應(yīng)用層協(xié)議的，完全由用戶自己定義的協(xié)議。

實驗設(shè)計

PC端作為服務(wù)器：實際測試使用樹莓派充當(dāng)PC的角色。

PLC端發(fā)送數(shù)據(jù)：由一個DI來觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送。

樹莓派開啟數(shù)據(jù)發(fā)送：通過控制一個GPIO來開關(guān)繼電器，進而改變PLC端的DI（信號1）；

樹莓派在收到數(shù)據(jù)后，改變另一個GPIO的狀態(tài)（信號2）作為標志；

比較信號2和信號1的時間差。

圖：實驗器材及連線

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進行調(diào)試。

開兩個窗口：

netcat -l 2000: 監(jiān)聽端口2000

netcat localhost 2000: 與本機2000端口連接

一個窗口輸入字符，另一個窗口就會顯示出來。

然后，用Python socket寫一個類似的服務(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 測試這個服務(wù)器程序。

圖：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對應(yīng)于數(shù)字輸入，比如DI0.1.

trigger同時觸發(fā)一個計數(shù)器。TSEND發(fā)送這個計數(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。

圖：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，端口號要和服務(wù)器監(jiān)聽的端口號一致。由PLC主動發(fā)起連接。

圖：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1），綠色為樹莓派上收到數(shù)據(jù)后的輸出（信號2）。

都以上升沿作為標志。兩者的時間差不到9ms。

圖：通信耗時的波形圖

可以更快嗎？

通信負載

由通信引起的循環(huán)負荷：默認是20%，取值可以從15%到50%。改變這個值，發(fā)現(xiàn)對通信時間并沒有影響。

輸入濾波器

這個值默認是6.4ms，它是用來過濾按鍵抖動的。但對于電路觸發(fā)（非人工/機械按鍵）的情況，這個抖動可以設(shè)得很小。

圖：PLC輸入濾波器

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

圖：通信耗時（0.1ms輸入濾波）

循環(huán)時間

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

通過在線診斷，可以看到循環(huán)時間最長為4ms，通常都在1~2ms。

圖：PLC循環(huán)時間

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

其它

本來還想試一下中斷執(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。考慮到對于PLC的百兆網(wǎng)口，3ms已經(jīng)夠快了，就沒再折騰了。

還試驗了一下，在PLC上單純地增加一個計數(shù)器或反復(fù)翻轉(zhuǎn)輸出電平，每次操作耗時大約也是3ms。

順便說一句，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

從PLC的眾多網(wǎng)絡(luò)通信方式中，本文試驗了簡單易行并且跨平臺的兩種方式，用來和PC通信。

使用基于S7協(xié)議的Snap7庫，在讀寫PLC時大約耗時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)，這個速度應(yīng)該是不錯的，可以滿足大部分需要。

總結(jié)

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