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。 為了實現(xiàn)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)絡通信可能嗎？ 本文進行一些實驗。
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/協(xié)議。 詳情請參照Communication with SIMATIC 但是，這些標準中有些用于西門子的設備相互連接，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。 是跨平臺開源方案，一個是Snap7。 先試試這個吧。 另外，請嘗試最原始的TCP協(xié)議。
Snap7
Snap7是針對西門子S7協(xié)議的。 PLC不需要S7的服務器這一配置，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)測試程序查看/更改值。
Snap7測試程序
訪問設置
讀寫前需要進行配置和權限設置。 禁用塊優(yōu)化，并授予完全權限。 有關詳細信息，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行PUT/GET通信訪問。 否則就會出現(xiàn)“函數(shù)不可用”，
錯誤，如“基于函數(shù)的處理器”。
Snap7通信的訪問設定
Python版的Snap7
使用腳本語言有時會很方便。 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，需要安裝Snap7庫，然后使用pip安裝python-snap7。 有些平臺沒有現(xiàn)成的Snap7庫，需要自己編譯。 總之是草莓派，我自己編譯的。 實測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)。
導入快照7
從快照7 .快照7類型導入S7區(qū)域數(shù)據(jù)庫，S7區(qū)域PA，S7區(qū)域應用
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，機架，插槽)。
延遲(自) :
區(qū)域=S7區(qū)域應用
db=0
開始=0
amount=2
ba=self.client.read _ area (區(qū)域、數(shù)據(jù)庫、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.
讀寫測試結果
下圖是最低位的波形。10個周期對應于20次寫，耗時約182ms。高低電平不對稱的問題后面再說。
遞增寫DQ時DQ0.0的波形
反向通信
如果PC做Snap7的服務器，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，我們假設它的速度和正向是相當?shù)?，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用層協(xié)議的，完全由用戶自己定義的協(xié)議。
實驗設計
PC端作為服務器：實際測試使用樹莓派充當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。
實驗器材及連線
PC端
PC端作為服務器，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2000netcat 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對應于數(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設為TRUE，保持連接，這樣速度最快。
PLC端程序
在網(wǎng)絡連接設置中指定PC端的IP地址和端口號，端口號要和服務器監(jiān)聽的端口號一致。由PLC主動發(fā)起連接。
PLC端網(wǎng)絡連接設置
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。
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，這個抖動可以設得很小。
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。
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。
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里執(zhí)行并沒有成功?？紤]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)器或反復翻轉輸出電平，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（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。
結語
從PLC的眾多網(wǎng)絡通信方式中，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，這個速度應該是不錯的，可以滿足大部分需要。