由于項目需要連接PLC和PC，所以傳送幾種狀態(tài)和控制信息。 為了實(shí)現最快的響應速度，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。 那么，網(wǎng)絡(luò )通信可能嗎？ 本文進(jìn)行一些實(shí)驗。
西門(mén)子S7-1200
概述
使用的PLC是目前主流的西門(mén)子S7-1200。 支持PROFINET、PROFIBUS等網(wǎng)絡(luò )標準/協(xié)議，也可以間接連接到Modbus設備。 任何標準都有很多服務(wù)/協(xié)議。 詳情請參照Communication with SIMATIC 但是，這些標準中有些用于西門(mén)子的設備相互連接，不一定適用于PC。下圖為T(mén)IA門(mén)戶(hù)v 14的通信相關(guān)命令，也可作為線(xiàn)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(mén)子PLC的通信。 是跨平臺開(kāi)源方案，一個(gè)是Snap7。 先試試這個(gè)吧。 另外，請嘗試最原始的TCP協(xié)議。
Snap7
Snap7是針對西門(mén)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(hù)端讀取/寫(xiě)入服務(wù)器端的數據塊。
數據塊映射
塊分為輸入區域(DI、AI )、輸出區域) DQ、AQ )、程序塊) DB )等。 在下圖中，DB3是測試程序的數據塊。
數據塊和監視值
可以使用Snap7包附帶的(編譯的)測試程序查看/更改值。
Snap7測試程序
訪(fǎng)問(wèn)設置
讀寫(xiě)前需要進(jìn)行配置和權限設置。 禁用塊優(yōu)化，并授予完全權限。 有關(guān)詳細信息，請參閱Snap7文檔。另外，有些設置未在文檔中列出，即允許從遠程對象進(jìn)行PUT/GET通信訪(fǎng)問(wèn)。 否則就會(huì )出現“函數不可用”，
錯誤，如“基于函數的處理器”。
Snap7通信的訪(fǎng)問(wèn)設定
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。 因為只是接口層的封裝，所以對速度的影響很小。安裝時(shí)，需要安裝Snap7庫，然后使用pip安裝python-snap7。 有些平臺沒(méi)有現成的Snap7庫，需要自己編譯。 總之是草莓派，我自己編譯的。 實(shí)測Python2和Python3都工作。
核心代碼如下： I/O只有2字節，所以直接讀取/寫(xiě)入2字節。
導入快照7
從快照7 .快照7類(lèi)型導入S7區域數據庫，S7區域PA，S7區域應用
第7類(lèi)客戶(hù)端：類(lèi)
def _ init _ (自，ip，槽=1，軌跡=0) :
self.client=snap7. client.client (
self.client.connect(IP，機架，插槽)。
延遲(自) :
區域=S7區域應用
db=0
開(kāi)始=0
amount=2
ba=self.client.read _ area (區域、數據庫、開(kāi)始、停止) )。
d=巴西
d=8
d|=壩0
返回d
efwritedq (自，數據) :
區域=S7區域帕
db=0
開(kāi)始=0
amount=2
ba=字節數組(amount )
BA0=數據0x FF
BA [1]=數據8
sel
f.client.write_area(area, db, start, ba)速度測試
循環(huán)讀/寫(xiě)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(xiě)的平均時(shí)間略高于9ms.
讀寫(xiě)測試結果
下圖是最低位的波形。10個(gè)周期對應于20次寫(xiě)，耗時(shí)約182ms。高低電平不對稱(chēng)的問(wèn)題后面再說(shuō)。
遞增寫(xiě)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(xiě)PC端的數據。既然都是S7協(xié)議，我們假設它的速度和正向是相當的，暫且跳過(guò)，先試試另一類(lèi)型的通信。
原始的TCP通信
S7-1200支持開(kāi)放式用戶(hù)通信，即基于TCP，但不屬于任何標準應用層協(xié)議的，完全由用戶(hù)自己定義的協(xié)議。
實(shí)驗設計
PC端作為服務(wù)器：實(shí)際測試使用樹(shù)莓派充當PC的角色。PLC端發(fā)送數據：由一個(gè)DI來(lái)觸發(fā)數據發(fā)送。樹(shù)莓派開(kāi)啟數據發(fā)送：通過(guò)控制一個(gè)GPIO來(lái)開(kāi)關(guān)繼電器，進(jìn)而改變PLC端的DI（信號1）；樹(shù)莓派在收到數據后，改變另一個(gè)GPIO的狀態(tài)（信號2）作為標志；比較信號2和信號1的時(shí)間差。
實(shí)驗器材及連線(xiàn)
PC端
PC端作為服務(wù)器，監聽(tīng)某一端口。在Linux上，可以用命令行工具netcat進(jìn)行調試。
開(kāi)兩個(gè)窗口：
netcat -l 2000: 監聽(tīng)端口2000netcat localhost 2000: 與本機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(xiě)一個(gè)類(lèi)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(gè)服務(wù)器程序。
PC端的TCP server
PLC端
PLC端使用TSEND_C發(fā)送數據。
由trigger觸發(fā)數據發(fā)送，trigger對應于數字輸入，比如DI0.1.trigger同時(shí)觸發(fā)一個(gè)計數器。TSEND發(fā)送這個(gè)計數器的值，這樣PC每次收到的數據是遞增的。CONT設為T(mén)RUE，保持連接，這樣速度最快。
PLC端程序
在網(wǎng)絡(luò )連接設置中指定PC端的IP地址和端口號，端口號要和服務(wù)器監聽(tīng)的端口號一致。由PLC主動(dòng)發(fā)起連接。
PLC端網(wǎng)絡(luò )連接設置
初步的結果
下圖中，黃色為PLC端的輸入（信號1），綠色為樹(shù)莓派上收到數據后的輸出（信號2）。
都以上升沿作為標志。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(gè)值，發(fā)現對通信時(shí)間并沒(méi)有影響。
輸入濾波器
這個(gè)值默認是6.4ms，它是用來(lái)過(guò)濾按鍵抖動(dòng)的。但對于電路觸發(fā)（非人工/機械按鍵）的情況，這個(gè)抖動(dòng)可以設得很小。
PLC輸入濾波器
將它調小至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的運行方式是不斷循環(huán)去讀取輸入，執行程序塊，更新輸出的模式。循環(huán)周期過(guò)長(cháng)，是否會(huì )影響網(wǎng)絡(luò )通信呢？
通過(guò)在線(xiàn)診斷，可以看到循環(huán)時(shí)間最長(cháng)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)似乎是分頭執行的。
其它
本來(lái)還想試一下中斷執行方式的，但把通信程序塊放到中斷響應里執行并沒(méi)有成功?？紤]到對于PLC的百兆網(wǎng)口，3ms已經(jīng)夠快了，就沒(méi)再折騰了。
還試驗了一下，在PLC上單純地增加一個(gè)計數器或反復翻轉輸出電平，每次操作耗時(shí)大約也是3ms。
順便說(shuō)一句，在PLC的數字輸出上，卻看不到電平的翻轉（看到的總是高電平）。前面有一張“遞增寫(xiě)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(jué)PLC的輸出頻率并不高，甚至可能有高頻濾波。
結語(yǔ)
從PLC的眾多網(wǎng)絡(luò )通信方式中，本文試驗了簡(jiǎn)單易行并且跨平臺的兩種方式，用來(lái)和PC通信。
使用基于S7協(xié)議的Snap7庫，在讀寫(xiě)PLC時(shí)大約耗時(shí)9ms.使用開(kāi)放式的TCP協(xié)議，PLC向PC發(fā)送數據最快不到3ms.考慮到S7-1200只是百兆網(wǎng)絡(luò )，這個(gè)速度應該是不錯的，可以滿(mǎn)足大部分需要。