張世友

（安徽馬鋼自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司 ，安徽馬鞍山，243011）

1 前言

隨著PLC性價(jià)比的不斷提高，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，特別是近年來(lái)PLC向著大型網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，已經(jīng)滲透到鋼鐵，化工電力，制造、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)行業(yè)中。針對(duì)PLC編程、計(jì)算能力有限及PC機(jī)大量應(yīng)用的情況，PC機(jī)與PLC的結(jié)合使用就成為必然趨勢(shì)。在各行各業(yè)的控制系統(tǒng)中西門子的S7 PLC被廣泛采用，由于西門子公司沒有公開西門子的S7以太網(wǎng)通訊協(xié)議，目前S7-400 PLC和PC機(jī)通訊的方式主要有以下幾種：

⑴通過(guò)西門子OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和PLC通訊；

⑵利用西門子的SAPⅠ（西門子應(yīng)用程序編程接口）調(diào)用西門子提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)應(yīng)用程序和PLC之間的數(shù)據(jù)之間交換。

⑶在PLC和PC機(jī)之間建立通訊連接，調(diào)用PLC的通訊功能塊，利用TCP/ⅠP協(xié)議之間和PC機(jī)進(jìn)行通訊。

⑷在利用FETCH/WRⅠTE方式實(shí)現(xiàn)PLC和PC機(jī)之間通訊，直接讀取PLC的M區(qū)、Ⅰ區(qū)、Q區(qū)、DB區(qū)等區(qū)域內(nèi)的任何數(shù)據(jù)。

在以上四種方式雖然都能和PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，前三種通訊方式有的要安裝數(shù)量不等的西門子軟件，有的只能交換某一特定數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)，增加系統(tǒng)的軟件成本和調(diào)試維護(hù)的難度；而第四種利用Windows操作系統(tǒng)中的 TCP/ⅠP協(xié)議和 PLC的FECTH/WRⅠTE通訊方式直接實(shí)現(xiàn)PLC和PC的數(shù)據(jù)交換，不僅節(jié)省了系統(tǒng)的軟件成本，同時(shí)加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，可以讀S7 PLC中所有區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)。

2 S 7P L C端的通訊

TCP/ⅠP是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的通訊協(xié)議，廣泛應(yīng)用于各種PC網(wǎng)絡(luò)；西門子的工業(yè)以太網(wǎng)卡如CP443-1也支持TCP/ⅠP協(xié)議，為S7 PLC和PC通訊提供了硬件基礎(chǔ)。TCP/ⅠP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了兩種通訊方式：面向連接的（TCP）通訊方式和無(wú)連接的（UDP）通訊方式；由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)都十分重要，為了保證通訊的準(zhǔn)確無(wú)誤，我們采用了面向連接的通訊方式。

2.1 S 7400-P L C的硬件及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

為了使S7400-PLC能夠和PC機(jī)進(jìn)行通訊，需要通過(guò)CP443-1以太網(wǎng)模塊，將S7400-PLC連到以太網(wǎng)上，同時(shí)設(shè)置好正確的ⅠP地址和網(wǎng)關(guān)等，進(jìn)入西門子硬件組態(tài)，選擇CP443-1以太網(wǎng)模塊的屬性，在相應(yīng)的位置設(shè)置好ⅠP地址、網(wǎng)關(guān)和子網(wǎng)掩碼等相關(guān)信息；在西門子的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件（NET PRO）中要建立一個(gè)通訊連接，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議欄中選擇TCP協(xié)議，同時(shí)設(shè)置好本地通訊的端口，同時(shí)將連接的方式設(shè)置為FETCH/WRⅠTE方式，且PLC作為通訊服務(wù)器方。

2.2 S 7P L C端通訊程序的實(shí)現(xiàn)

利用FETCH/WRⅠTE方式,其他設(shè)備可以存取S7系統(tǒng)中的任何存儲(chǔ)期的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，在S7-400 PLC段不需要編寫任何程序，只需要按照要求設(shè)置好相應(yīng)的通訊連接，并且PC機(jī)按要FETCH和WRⅠTE的PDU的要求發(fā)送相應(yīng)的通訊請(qǐng)求報(bào)文PLC,PLC根據(jù)接受的請(qǐng)求報(bào)文后對(duì)請(qǐng)求報(bào)文解析處理，然后返回確認(rèn)數(shù)據(jù)報(bào)文或響應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)文，完成一次通訊操作。

為了通過(guò)FETCH/WRⅠTE方式和PC機(jī)通訊，必須要知道每個(gè)通訊報(bào)文的數(shù)據(jù)組成，S7請(qǐng)求報(bào)文的長(zhǎng)度有16個(gè)字節(jié)組成，分為向PLC寫數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)報(bào)文格式和從PLC讀取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)報(bào)文格式。

2.2.1 向PLC寫數(shù)據(jù)的請(qǐng)求報(bào)文和相應(yīng)報(bào)文格式（見圖1）

寫數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文由PC發(fā)送到PLC，主要包括：系統(tǒng)標(biāo)識(shí)、報(bào)頭長(zhǎng)度、操作代碼表示、操作代碼長(zhǎng)度、操作代碼等，這些內(nèi)容對(duì)每個(gè)報(bào)文都是固定的值，同時(shí)報(bào)文包括操作的區(qū)域（DB區(qū)、Ⅰ區(qū)、Q區(qū)、M區(qū)、C區(qū)、T區(qū)）、數(shù)據(jù)塊號(hào)（在對(duì)DB區(qū)操作時(shí)有效，范圍為：1～255）、以字節(jié)為單位的起始地址、以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和要發(fā)送的具體數(shù)據(jù)。寫數(shù)據(jù)響應(yīng)報(bào)文由PLC發(fā)送到PC機(jī)，確認(rèn)寫數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文的處理情況，如果成功，則數(shù)據(jù)寫響應(yīng)報(bào)文的錯(cuò)誤代碼（Error field）為0，如果請(qǐng)求報(bào)文中的數(shù)據(jù)有誤，則通過(guò)寫數(shù)據(jù)響應(yīng)報(bào)文返回錯(cuò)誤代碼。

2.2.2 從PLC讀取數(shù)據(jù)的請(qǐng)求包和相應(yīng)包格式（見圖2）

圖1 寫數(shù)據(jù)報(bào)文及其響應(yīng)報(bào)文

圖2 讀數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文及其相應(yīng)報(bào)文

讀數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文由PC發(fā)送到S7 PLC，能夠讀取的數(shù)據(jù)區(qū)域和寫入數(shù)據(jù)相同，主要不同是操作代碼不同，其讀請(qǐng)求報(bào)文不含數(shù)據(jù)區(qū)；讀響應(yīng)報(bào)文除了含有報(bào)文頭外，還包含請(qǐng)求數(shù)據(jù)包中所請(qǐng)求讀取的數(shù)據(jù)，若錯(cuò)誤，則返回錯(cuò)誤代碼。

3 計(jì)算機(jī)端通訊程序

在WⅠNDDOWS操作系統(tǒng)下，通過(guò)WⅠNSOCK網(wǎng)絡(luò)編程接口，來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)通訊功能；為了減少程序的CPU占用率和提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采用了OverlappedⅠ/O（重疊式Ⅰ/O）Socket通訊方式。通常一臺(tái)PC機(jī)有可能和多臺(tái)PLC連接，為使程序高效執(zhí)行和減少程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，將采用多線程技術(shù)，PC機(jī)和不同PLC的通訊有不同的線程來(lái)完成，整個(gè)通訊程序采用VisualC++2005開發(fā)平臺(tái)下完成。

3.1 通訊程序的主要流程及程序?qū)崿F(xiàn)

PC機(jī)和一臺(tái)PLC通訊的功能都在一個(gè)線程函數(shù)中完成。主要過(guò)程有：首先初始化WinSocket通訊動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，然后創(chuàng)建套接字，并且將其綁定到TCP協(xié)議上；然后開始和PLC的以太網(wǎng)接口進(jìn)行建立連接；在連接建立好以后，開始向PLC發(fā)送讀或?qū)憯?shù)據(jù)的請(qǐng)求報(bào)文，并進(jìn)行Ⅰ/O重疊操作，等待PLC響應(yīng)；測(cè)試有沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，若有，則接受，若沒有，則繼續(xù)測(cè)試；整個(gè)程序的流程圖如圖3。

圖3 P C機(jī)通訊流程圖

為了和多個(gè)PLC進(jìn)行通訊，可以在通訊模塊中為每個(gè)PLC創(chuàng)建一個(gè)通訊線程，由不同的線程和不同的PLC進(jìn)行通訊，這樣便于系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)，同時(shí)程序設(shè)計(jì)時(shí)采用了通訊容錯(cuò)技術(shù)，在PC機(jī)和PLC的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，PC機(jī)每隔30 s會(huì)和PLC建立通訊連接，只要PLC重新在線，不需要人工干預(yù)，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常。

3.2 數(shù)據(jù)字節(jié)順序的處理

因S7400PLC和PC機(jī)的在整數(shù)，浮點(diǎn)數(shù)等數(shù)據(jù)類型中高低字節(jié)順序正好使相反的，為了保證數(shù)據(jù)正確的傳輸，在PC機(jī)端需要對(duì)接受到的PLC數(shù)據(jù)和發(fā)送給PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行高低字節(jié)順序的對(duì)調(diào)；利用C++語(yǔ)言中的union（聯(lián)合體）可以實(shí)現(xiàn)該功能，過(guò)程如下：首先定義聯(lián)合體S7Data，在聯(lián)合體內(nèi)部定義一個(gè)整型數(shù)（兩個(gè)字節(jié)）變量iData、浮點(diǎn)數(shù)（四個(gè)字節(jié)）變量fData和一個(gè)4個(gè)字節(jié)的char(字符)類型的數(shù)組變量cData[4]，在數(shù)據(jù)接受自PLC或發(fā)往PLC整型數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)分別聯(lián)合體的iData或fData變量中，然后將cData[4]中將高低字節(jié)順序顛倒，聯(lián)合體中的iData或fData(根據(jù)PLC數(shù)據(jù)類型)就是PLC中相應(yīng)數(shù)據(jù)的值了。

4 結(jié)論

為了便于控制系統(tǒng)和二級(jí)系統(tǒng)的集成，已經(jīng)將本技術(shù)開發(fā)成中間件，成功應(yīng)用于江陰興澄鐵鋼1#加熱爐三級(jí)系統(tǒng)、馬鋼車輪壓軋線機(jī)械手控制系統(tǒng)，馬鋼（合肥）1#連續(xù)退火機(jī)組等生產(chǎn)線上，通過(guò)近幾年的運(yùn)行，證明該通訊方式非常簡(jiǎn)潔高效，保證了工藝數(shù)據(jù)和設(shè)定值的高效傳輸。

[1]（美）Anthony Jones Jim Ohlund.Windows網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2000