基于集成PN口的s7-300 PLC通訊方案

郭越 付永民

摘要：本文針對(duì)西門(mén)子可編程控制器在生產(chǎn)線升級(jí)改造過(guò)程中建立PLC之間的主-主通訊的難題，提出一種基于集成PN口的通訊解決方案。利用profinet總線實(shí)現(xiàn)s7-300 PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)生產(chǎn)線上的通信連接的經(jīng)濟(jì)解決方法。為控制裝置的升級(jí)改造提供了很好的依據(jù)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和借鑒性。并對(duì)S7-300 集成 PN 口的 S7 通信做了基本介紹，對(duì)其配置步驟以及編程方法作了完整的描述。

關(guān)鍵詞：s7通訊；連接資源；s7-300 PLC；集成 PN 口

1、技術(shù)現(xiàn)狀

在煙草生產(chǎn)企業(yè)中，基于profibus總線協(xié)議的西門(mén)子可編程控制器大范圍應(yīng)用。Profibus總線協(xié)議采用了ISO/OSI模型中的第一層、第二層以及必要時(shí)還采用了第七層?？偩€傳輸采用RS485 串行總線。然而，profibus總線需要銅質(zhì)雙芯電纜，最高傳輸帶寬是12mbps，傳輸距離最長(zhǎng)為100米，傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性不能滿足復(fù)雜的控制要求。針對(duì)這一現(xiàn)狀，西門(mén)子公司推出了適應(yīng)能力更強(qiáng)的基于工業(yè)以太網(wǎng)的profinet總線協(xié)議。它傳輸帶寬達(dá)到100mbps，兩個(gè)設(shè)備之間傳輸距離最長(zhǎng)為100米，實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)比profibus及時(shí)準(zhǔn)確，而且不需要總線終端電阻，極大減少了網(wǎng)絡(luò)故障現(xiàn)象。在支持的通訊協(xié)議類(lèi)型中，profibus和profinet都支持S7通訊協(xié)議。但是在profinet協(xié)議中，S7通訊受到的限制更少，應(yīng)用更廣泛。

S7通訊協(xié)議是s7系列plc基于mpi、profibus、Ethernet網(wǎng)絡(luò)的一種優(yōu)化的通訊協(xié)議，在profibus總線中，主要用于s7-400/400、s7-300/400plc之間主-主通訊，也非常適合s7 plc與HMI通訊，例如與操作面板OP/TP以及與上位監(jiān)控軟件wincc的通信。

每個(gè)CPU都有資源限制，如過(guò)程映像區(qū)的大小、計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器的個(gè)數(shù)。同樣，通訊的資源也有限制，在產(chǎn)品樣本里有CPU的鏈接數(shù)量指標(biāo)，這就是CPU 的通信資源。舊版本的S7-300PLC中有動(dòng)態(tài)連接和靜態(tài)連接之分，動(dòng)態(tài)連接是指通過(guò)MPI,PLC與plc通過(guò)調(diào)用SFC通信的通信連接，調(diào)用SFC時(shí)建立連接，停止調(diào)用時(shí)連接仍然維持，通過(guò)調(diào)用斷開(kāi)連接的SFC才能釋放連接資源；靜態(tài)連接指與HMI的通信連接，當(dāng)把OP/TP、WinCC連接到同一CPU時(shí)會(huì)發(fā)生有的OP/TP、WinCC連接不上，這是因?yàn)槭褂玫倪B接數(shù)已經(jīng)超過(guò)了CPU的連接資源限制，此外還有一個(gè)靜態(tài)連接資源保留給編程器用。

PLC與PLC之間的通信也占用這些資源，一個(gè)s7的連接要占用一個(gè)靜態(tài)連接，因?yàn)閟7-300PLC靜態(tài)連接資源較少，所以在profibus總線系統(tǒng)中s7-300系統(tǒng)建議不采用s7連接。同時(shí)s7-300系統(tǒng)之間也不能直接建立s7連接，可以通過(guò)最新版本CP342-5(V5.0以上)、CP343-1擴(kuò)展16個(gè)s7連接而只占用CPU一個(gè)連接資源。S7-300 PLC只能作為通信的Server，s7-300PLC可以通過(guò)CP與s7-300PLC（通過(guò)CP）建立雙邊s7通信，通過(guò)發(fā)送/接收功能塊相互訪問(wèn)對(duì)方數(shù)據(jù)。

2、基于profinet總線協(xié)議的s7通信

隨著profinet技術(shù)的成熟和推廣，profinet IO系統(tǒng)和profinet CBA系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在新的生產(chǎn)線上，大量正常運(yùn)行的生產(chǎn)線改造在經(jīng)濟(jì)性考慮無(wú)法大規(guī)模把舊的控制器更換為新的控制器，把profibus總線全部更換為profinet總線也面臨極大的技術(shù)難題，針對(duì)這一現(xiàn)象，新門(mén)子公司推出了集成profinet端口的s7-300 PLC系統(tǒng)，上位采用profinet總線協(xié)議，下位采用profibus總線，為技術(shù)改造提供了極大的方便。

由于集成了profinet端口，s7-300 PLC具有更靈活的適應(yīng)性，在通訊資源方面，集成PN端口的s7-300 PLC最大擁有16個(gè)靜態(tài)連接資源，不需要再通過(guò)CP網(wǎng)卡進(jìn)行擴(kuò)展連接資源。而且兩個(gè)集成PN端口的s7-300 PLC之間不僅可以作為通信的Server端，還可以作為Client端。從而使兩個(gè)集成PN端口的s7-300 PLC之間可以直接建立s7連接。

在profibus總線協(xié)議中，兩個(gè)PLC之間建立s7通訊，為了滿足實(shí)時(shí)性的要求，需要在兩個(gè)PLC的DP端口進(jìn)行硬件上的總線直接連接，如果兩個(gè)PLC相距較遠(yuǎn)，受到profibus傳輸距離最長(zhǎng)100米的限制，就需要RS485中繼器的支持，給應(yīng)用造成極大的不便。而在profinet總線協(xié)議中，相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)PLC之間可以不直接進(jìn)行總線連接，可以借助車(chē)間工業(yè)以太網(wǎng)Scalance交換機(jī)進(jìn)行連接，在技術(shù)上提供了極大的便利。

3、s7通信中三種發(fā)送、接收方法的比較

在進(jìn)行s7通信編程中，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)用不同的功能塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，在Libraries子項(xiàng)standard中的communication Blocks內(nèi)可以調(diào)用不同的功能塊進(jìn)行編程。下面對(duì)功能塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹：

在s7-300中FB8和FB9、FB12和FB13成對(duì)使用，一端發(fā)送，一端接收。FB14和FB15在單邊使用，其中FB12和FB13 所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最大，可達(dá)65534字節(jié)。綜上所述，傳輸數(shù)據(jù)量大并需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收確認(rèn)時(shí)，采用FB12和FB13功能塊；對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求較低時(shí)，可以采用FB8和FB9功能塊；在一個(gè)PLC中進(jìn)行單邊讀寫(xiě)時(shí)，可以采用FB14和FB15功能塊。

4、集成PN口的s7-300 PLC之間的s7通信示例

結(jié)合許昌卷煙廠制絲線改造，詳細(xì)講解s7通信的應(yīng)用實(shí)例。在許昌卷煙廠制絲線HXD前喂料機(jī)和電子秤改造中，我們應(yīng)用了集成PN口的s7-300 PLC之間的s7通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CPU 采用兩個(gè) 315-2PN/DP，使用以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

4.1 硬件連接

由于車(chē)間級(jí)由Scalance交換機(jī)組成環(huán)網(wǎng)，所以我們采用總線物理連接借助Scalance交換機(jī)，節(jié)省總線電纜，連接方便。PLC與最近的Scalance交換機(jī)進(jìn)行總線連接。如果車(chē)間級(jí)沒(méi)有工業(yè)以太網(wǎng)，我們可以將兩臺(tái)PLC直接進(jìn)行總線連接。

4.2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

硬件平臺(tái)建好后，我們需要硬件組態(tài)。在 STEP7 中創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱為 PN S7。插入兩個(gè) S7-300 站，在硬件組態(tài)中，分別插入 CPU 315-2 PN/DP。如圖 1所示。

新建以太網(wǎng)，打開(kāi)“NetPro”設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，選中 CPU，在連接列表中建立新的連接。如圖 2 所示。

然后雙擊該連接，設(shè)置連接屬性。在“General”屬性中塊參數(shù) ID = 1，這個(gè)參數(shù)即是下面程序中的參數(shù)“ID”。在 SIMATIC 315PN-1 中激活“Establish an active connection”，作為 Client 端，SIMATIC 315PN-2 作為 Server 端。

4.3 軟件編程

由于此項(xiàng)目中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要參與控制，必須保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所以采用FB12和FB13功能塊進(jìn)行確認(rèn)數(shù)據(jù)接收的數(shù)據(jù)傳輸。如果在應(yīng)用中數(shù)據(jù)要求等級(jí)不高，可以采用FB8和FB9功能塊進(jìn)行無(wú)確認(rèn)數(shù)據(jù)接收的數(shù)據(jù)傳輸，減少通訊傳輸負(fù)載。

SFB/FB 12 "BSEND" 向類(lèi)型為“BRCV”的遠(yuǎn)程伙伴 SFB/FB 發(fā)送數(shù)據(jù)。通過(guò)這種類(lèi)型的數(shù)據(jù)傳送，更多的數(shù)據(jù)可以在通訊伙伴之間傳輸，超過(guò)任何其它用于組態(tài)的S7 連接的通訊SFB/FB 所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

要發(fā)送的數(shù)據(jù)區(qū)是分段的。各個(gè)分段單獨(dú)發(fā)送給通訊伙伴。通訊伙伴在接收到最后一個(gè)分段時(shí)對(duì)此分段進(jìn)行確認(rèn)，該過(guò)程與相應(yīng) SFB/FB "BRCV" 的調(diào)用無(wú)關(guān)。在調(diào)用塊之后，當(dāng)在控制輸入 REQ 上有上升沿時(shí)，發(fā)送作業(yè)被激活。發(fā)送用戶存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)與處理用戶程序是異步執(zhí)行的。

由 SD_1 指定起始地址和要發(fā)送數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度?？梢酝ㄟ^(guò) LEN 來(lái)確定數(shù)據(jù)域的作業(yè)指定長(zhǎng)度。在這種情況下，LEN 替換 SD_1 的長(zhǎng)度區(qū)域。參數(shù) R_ID 必須在相應(yīng)的兩個(gè)SFB/FB 上完全相同。如果在控制輸入 R 處有上升沿，則當(dāng)前數(shù)據(jù)傳送將被取消。如果傳送成功完成，則通過(guò)將狀態(tài)參數(shù) DONE 的數(shù)值設(shè)置為 1 來(lái)進(jìn)行指示。如果狀態(tài)參數(shù) DONE 或ERROR 的數(shù)值為 1，則在前一個(gè)發(fā)送處理結(jié)束之前，不能處理新的發(fā)送作業(yè)。

SFB/FB 13 "BRCV" 接收來(lái)自類(lèi)型為“BSEND”的遠(yuǎn)程伙伴 SFB/FB 的數(shù)據(jù)。在收到每個(gè)數(shù)據(jù)段后，向伙伴 SFB/FB 發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀，同時(shí)更新 LEN 參數(shù)。在塊調(diào)用完畢，并且在控制輸入 EN_R 數(shù)值為 1 之后，塊準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^(guò) EN_R=0 來(lái)取消一個(gè)已激活的作業(yè)。

由 RD_1 指定起始地址和接收區(qū)的最大長(zhǎng)度。由 LEN 指示已接收數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度。從用戶存儲(chǔ)區(qū)中接收數(shù)據(jù)與處理用戶程序是異步執(zhí)行的。參數(shù) R_ID 必須在相應(yīng)的兩個(gè)SFB/FB 上完全相同。通過(guò)狀態(tài)參數(shù) NDR 的數(shù)值為 1 來(lái)指示所有數(shù)據(jù)段的無(wú)錯(cuò)接收。接收到的數(shù)據(jù)保持不變，直到通過(guò) EN_R=1 來(lái)重新調(diào)用 SFB/FB 13 為止。如果在數(shù)據(jù)的異步接收期間調(diào)用塊，則將引發(fā)一個(gè)警告，該警告通過(guò) STATUS 參數(shù)輸出；如果當(dāng)控制輸入 EN_R數(shù)值為 0 時(shí)進(jìn)行調(diào)用，則接收將被終止，并且 SFB/FB 將返回到它的初始狀態(tài)。

打開(kāi) SIMATIC 315PN-1 的 OB1，在 OB1 中依次調(diào)用 FB12，F(xiàn)B13 如圖 3、圖 4 所示：

同樣，在 SIMATIC 315PN-2 的 OB1 中，調(diào)用 FB12/FB13。通信雙方的 R_ID 設(shè)為 0，LEN設(shè)為 10，將 SIMATIC 315PN-1 的 MB120-MB129 賦值 B#16#04，在 SIMATIC 315PN-2中，將 FB13 的“EN_R”置 1，然后在 SIMATIC 315PN-1 中，將 FB12 中“REQ”設(shè)置上升沿信號(hào)，此時(shí) SIMATIC 315PN-2 的 MB130-MB139 接收到 B#16#04。如圖 5 所示。

同理，將 SIMATIC 315PN-2 的 MB120-MB129 賦值為 B#16#05，SIMATIC 315PN-1 的MB130-MB139 接收到 B#16#05。如圖 6 所示。

編程完成后，為了防止s7通信連接資源過(guò)少而觸發(fā)PLC通訊故障報(bào)警，在PLC屬性communication中修改s7通信連接資源為10，經(jīng)過(guò)在線監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤。

4.4 效果驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)編程，建立通訊連接后，我們對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，數(shù)據(jù)傳輸迅速準(zhǔn)確，總線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，經(jīng)過(guò)連續(xù)6個(gè)月的運(yùn)行，沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤報(bào)警。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，具體分析需要采用的技術(shù)，為實(shí)際工作提供了一種解決實(shí)際問(wèn)題的思路。通過(guò)本廠的實(shí)踐證明，該s7通訊系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行良好，便于調(diào)試和維護(hù)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和借鑒性。

參考文獻(xiàn)

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[2] 崔堅(jiān) 《西門(mén)子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊指南.下冊(cè)》 機(jī)械工業(yè)出版社 2004年9月

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