祝廣場 余小敏

(華電電力科學(xué)研究院中南分院)

基于Prodave的西門子PLC與PC以太網(wǎng)通信研究

祝廣場 余小敏

(華電電力科學(xué)研究院中南分院)

提出了基于Prodave工具包的西門子PLC與PC的通信方法，該方法不需要在PLC側(cè)進(jìn)行編程，只需要在PC側(cè)采用高級語言調(diào)用若干函數(shù)即可，成本較低且通信可靠。

以太網(wǎng)通信 西門子PLC Prodave

S7-300 PLC擁有高性能的處理器、豐富的IO和通信模塊，在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛，但它的人機(jī)接口功能較弱。如果將PLC與PC通過通信連接起來，用PC作為上位機(jī)，通過對PLC的數(shù)據(jù)存儲器中各區(qū)域進(jìn)行讀取與寫入，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控、人機(jī)接口通信等功能，就能夠組成功能強(qiáng)、可靠性高、成本低的控制系統(tǒng)[1]。

目前，由于西門子公司沒有公開通信協(xié)議，上位機(jī)程序設(shè)計(jì)主要有兩種方式：采用專門的組態(tài)軟件(如WinCC、組態(tài)王等)開發(fā)或是通過編程語言自行開發(fā)。第1種方法操作簡單、效率高，對開發(fā)人員的要求相對較低，但成本較高；第2種方法相對復(fù)雜，要求開發(fā)者具有較高的編程水平，開發(fā)周期長，但與第1種方法相比具有靈活、成本低的優(yōu)點(diǎn)[2]。

Prodave(Proces Data Traffic)是西門子公司開發(fā)的S7系列PLC和PC通信的工具包，它為PLC和PC通信提供了一種橋梁，既避免了組態(tài)軟件的高昂成本，又不要求開發(fā)人員有很高的編程水平。筆者通過對Prodave進(jìn)行研究，以S7315-2PN/DP PLC為下位機(jī)，采用VS2008編程工具，開發(fā)了一種PLC與PC機(jī)之間的以太網(wǎng)通信軟件。

1 Prodave簡介

Prodave是用于PC與S7系列PLC間數(shù)據(jù)通信的工具軟件包[3]。Prodave提供了大量基于Windows操作系統(tǒng)的DLL函數(shù)，以解決PLC與PC之間數(shù)據(jù)交換和處理的問題，可以在高級語言編程環(huán)境中調(diào)用這些函數(shù)來建立或斷開通信連接、讀寫CPU的系統(tǒng)存儲器。它具有以下特點(diǎn)：

a. 支持PC上的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡和Simatic S7的以太網(wǎng)口(CPU31XX-PN、CP31X-PN、CP343和CP443)；

b. 能讀寫PLC中DB塊和內(nèi)存的數(shù)據(jù)；

c. 支持S7-200 PLC、S7-300 PLC和S7-400 PLC；

d. PLC側(cè)無需編程，只需在PC中編寫程序，調(diào)用Prodave的DLL即可，支持VB、VC及DEPHI等高級語言。

2 Prodave函數(shù)

連接PLC函數(shù)LoadConnection_ex6()用于初始化適配器，檢查是否裝載了驅(qū)動，并將選擇的通信接口激活?？梢杂脕硗ㄟ^MPI或IP地址建立對PLC的連接。函數(shù)原型為LoadConnection_ex6(int ConNr, char* pAccessPoint, int ConTableLen, CON_TABLE_TYPE * pConTable)。ConNr是連接PLC的序號(0～63)，最多可以連接64個(gè)；pAccessPoint為訪問點(diǎn)，“S7ONLINE”表示MPI方式，“1”表示TCP/IP方式，“2”表示MAC方式；ConTableLen為地址表的長度；pConTable為地址表，用于存放PLC的地址。

激活PLC函數(shù)SetActiveConnection_ex6()用于激活PLC和PC之間建立的連接。函數(shù)原型為int SetActiveConnection_ex6(int ConNr)，ConNr是連接序號。

讀取PLC數(shù)據(jù)函數(shù)。函數(shù)db_read_ex6()和field_read_ex6()分別用來讀取PLC中的任意存儲區(qū)數(shù)據(jù)和DB數(shù)據(jù)，可采用字、雙字的方式，讀取的數(shù)據(jù)放在PC的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。field_read_ex6()的函數(shù)原型為int field_read_ex6 (char FieldType, unsigned short BlkNr, unsigned short StartNr, unsigned long Amount, unsigned long BufLen, unsigned char * pBuffer, unsigned long * pDatLen)，其參數(shù)見表1，db_read_ex6()與它類似。

表1 讀取PLC數(shù)據(jù)函數(shù)參數(shù)

寫數(shù)據(jù)至PLC。函數(shù)field_write_ex6()和db_write_ex6()用于向PLC中寫入數(shù)據(jù)，其參數(shù)和讀取PLC數(shù)據(jù)函數(shù)類似。

位狀態(tài)讀取和寫入函數(shù)。函數(shù)mb_bittest_ex6()和mb_setbit_ex6()分別用來讀取和寫入PLC中的某個(gè)位變量，mb_bittest_ex6()的函數(shù)原型為int mb_bittest_ex6 (unsigned short MbNr, unsigned short BitNr, int * pValue)，其中MbNr為字節(jié)號，BitNr為位號，pValue為狀態(tài)(“1”表示TRUE，“0”表示FALSE)。兩個(gè)函數(shù)的參數(shù)意義相同。

3 PLC和PC通信實(shí)例

3.1 動態(tài)鏈接庫及其特點(diǎn)

動態(tài)鏈接庫(Dynamic Link Library， DLL)是微軟公司在微軟視窗操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)共享函數(shù)庫概念的一種方式。這些庫函數(shù)的擴(kuò)展名是.DLL、.OCX(包含ActiveX控制的庫)或者.DRV(舊式的系統(tǒng)驅(qū)動程序)。

動態(tài)鏈接庫是不能直接執(zhí)行的，也不能接收消息，它只是一個(gè)獨(dú)立的文件，它提供了一種方法使進(jìn)程可以調(diào)用不屬于其可執(zhí)行代碼的函數(shù)。函數(shù)的可執(zhí)行代碼位于一個(gè)DLL中，該DLL包含一個(gè)或多個(gè)已被編譯、鏈接并與使用它們的進(jìn)程分開存儲的函數(shù)。DLL還有助于共享數(shù)據(jù)和資源。多個(gè)應(yīng)用程序可同時(shí)訪問內(nèi)存中單個(gè)DLL副本的內(nèi)容。

動態(tài)鏈接庫在電腦中可以更容易地將更新應(yīng)用于各個(gè)模塊，而不會影響該程序的其他部分。例如，一個(gè)大型的軟件，如果把整個(gè)數(shù)百M(fèi)B甚至數(shù)GB的程序代碼都放在一個(gè)應(yīng)用程序里，日后的修改工作將會十分費(fèi)時(shí)，而如果把不同功能的代碼分別放在數(shù)個(gè)動態(tài)鏈接庫中，無需重新生成或安裝整個(gè)程序就可以應(yīng)用更新，更有利于軟件的模塊化設(shè)計(jì)。

3.2 Visual Studio2008對Prodave6.0 DLL文件的引用

在VS2008中調(diào)用DLL時(shí)，需要添加如下代碼：

using System.Runtime.InteropServices; //用于調(diào)用動態(tài)庫的接口；

在調(diào)用DLL中的某個(gè)函數(shù)時(shí)，首先必須要有一個(gè)聲明，使用的是DllImport關(guān)鍵字：[DllImport("Prodave6.dll")]，代碼中DllImport關(guān)鍵字的作用是告訴編譯器入口點(diǎn)在哪里，并將打包函數(shù)捆綁在類Prodave中。

然后對函數(shù)進(jìn)行聲明：

public extern static int LoadConnection_ex6(int ConNr, string pAccessPoint, int ConTableLen, ref CON_TABLE_TYPE pConTable);// 連接PLC操作；

進(jìn)行以上操作之后，便可以在程序中使用DLL中的函數(shù)了。

3.3 西門子STEP7對PLC的設(shè)置

在進(jìn)行通信之前，需要對西門子的PG/PC接口進(jìn)行設(shè)置。在開始菜單中，打開“設(shè)置PG/PC接口”(圖1)，在選項(xiàng)中選擇TCP/IP所對應(yīng)的網(wǎng)卡，確定即可。

3.4 PLC和PC之間的通信流程

在PLC和PC進(jìn)行通信之前，需要對通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，筆者采用以太網(wǎng)通信方式，故在監(jiān)控界面中輸入PLC的IP地址，之后才能建立連接。建立連接之后，系統(tǒng)啟動定時(shí)器和數(shù)據(jù)庫，定時(shí)器以一定間隔執(zhí)行讀寫函數(shù)和數(shù)據(jù)處理函數(shù)，并在畫面中實(shí)時(shí)顯示；數(shù)據(jù)庫對需要記錄的數(shù)據(jù)及時(shí)保存。定時(shí)器函數(shù)的執(zhí)行周期可以在畫面中設(shè)置。

圖1 西門子STEP7中對PLC的設(shè)置

在通信過程中，系統(tǒng)每執(zhí)行一次函數(shù)，都會返回一個(gè)代碼，軟件通過對代碼進(jìn)行解析，判斷函數(shù)是否被正確執(zhí)行，如果錯(cuò)誤，則會觸發(fā)報(bào)警提示，并中斷此函數(shù)的執(zhí)行。

4 PC和PLC的通信程序設(shè)計(jì)

4.1 PC和PLC通信程序要實(shí)現(xiàn)的功能

上位機(jī)程序框架如圖2所示。

圖2 PC和PLC通信程序框架

定時(shí)器周期執(zhí)行函數(shù)。本系統(tǒng)中，定時(shí)器更新周期設(shè)定為100ms和500ms，其中，數(shù)據(jù)讀寫函數(shù)周期為100ms，以適應(yīng)工業(yè)控制中快速變化的參數(shù)；數(shù)據(jù)庫記錄函數(shù)和狀態(tài)信息顯示函數(shù)周期為500ms。

畫面設(shè)置、操作和顯示。本部分主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口功能。參數(shù)設(shè)置主要是通信方式和通信參數(shù)的選擇，分為TCP/IP、MPI和MAC共3種通信方式，筆者選用TCP/IP方式，則需把PLC的IP地址設(shè)置到畫面中，在設(shè)置過程中，必須使PLC和PC的IP地址在同一網(wǎng)段。實(shí)時(shí)趨勢顯示系統(tǒng)中主要設(shè)備參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采TeeChart控件實(shí)現(xiàn)，可以同時(shí)顯示8條實(shí)時(shí)曲線。報(bào)警光字牌顯示系統(tǒng)中重要的報(bào)警信息，當(dāng)報(bào)警觸發(fā)時(shí)，以閃爍方式做出提醒。操作記錄顯示模塊記錄軟件運(yùn)行中，畫面中的主要操作，包括操作人、操作時(shí)間及操作事件等信息。模擬鍵盤為軟件的輸入提供了操作接口。

PLC信息。主要包括PLC內(nèi)部的狀態(tài)信息、數(shù)據(jù)塊信息及診斷緩沖區(qū)信息等。

輔助功能。主要包括程序?qū)rodave動態(tài)鏈接庫的調(diào)用和數(shù)據(jù)處理函數(shù)。

4.2 PC和PLC通信程序的實(shí)現(xiàn)

采用Prodave進(jìn)行PC和PLC通信的流程如圖3所示。

圖3 PC和PLC的通信流程

由于通信過程中PLC側(cè)不需要編寫程序，因此只需在PC側(cè)進(jìn)行編程即可。建立并激活鏈接的程序代碼如下：

short ConNr = 6;//定義鏈接號，0～63可選；

string AccessPoint = "S7ONLINE"; // 默認(rèn)訪問點(diǎn)為“S7ONLINE”；

ConTable.AdrType = 2; //PC和PLC的通信方式，此處選擇為TCP/IP；

ConTable.SlotNr = 2; //PLC的插槽號；

ConTable.RackNr = 0; //PLC的機(jī)架號；

RetValue_ConnectPlc=ProdaveTest.Prodave.LoadConnection_ex6(ConNr, AccessPoint, ConTableLen, ref ConTable);//連接PLC；

以上為PC連接PLC的函數(shù)代碼，RetValue_ConnectPlc為函數(shù)的返回值，若為“0”表示執(zhí)行成功。連接成功之后，需要將此鏈接激活，代碼為：

RetValue_ActivePLC=ProdaveTest.Prodave.SetActiveConnection_ex6(UConNr);//激活鏈接；

若激活成功，則可繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果函數(shù)執(zhí)行不成功，可以通過GetErrorMsg()函數(shù)來確定返回值所表示的意思。

設(shè)計(jì)中，PLC中的數(shù)據(jù)存放在DB1數(shù)據(jù)塊中，以下程序代碼讀取的是DB1中從地址0開始的8個(gè)浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)：

UInt16 BlkNr = 1;//PLC中DB數(shù)據(jù)庫塊的序號；

Prodave.DatType DType = Prodave.DatType.BYTE;//以字節(jié)的形式讀取數(shù)據(jù)；

UInt16 StartNr = 0;//DB數(shù)據(jù)塊中要讀取數(shù)據(jù)的起始地址號；

UInt32 pAmount = 32;//讀取數(shù)據(jù)的數(shù)量；

UInt32 BufLen = 32;//定義緩沖區(qū)長度；

byte[] pReadBuffer = new byte[32];//開辟存儲空間；

UInt32 pDatLen = 0;//初始化緩沖區(qū)；

RetValue_ReadDB=ProdaveTest.Prodave.db_read_ex6(BlkNr, DType, StartNr, ref pAmount, BufLen, pReadBuffer, ref pDatLen);//讀取函數(shù)；

讀取PLC中M存儲區(qū)數(shù)據(jù)的代碼為：

RetValue_ReadMzone=ProdaveTest.Prodave.field_read_ex6(FType, BlkNr, StartNr, pAmount, BufLen, pReadBuffer, ref pDatLen);//讀取M存儲區(qū)數(shù)據(jù)；

其參數(shù)和讀取DB數(shù)據(jù)的函數(shù)類似。值得注意的是，在PLC系統(tǒng)中，很多設(shè)備的狀態(tài)變量、報(bào)警變量等都是以BOOL型數(shù)據(jù)存在的，在Prodave工具包中，有專門讀寫PLC中某一位的函數(shù)，但是，如果狀態(tài)變量較多，需要反復(fù)調(diào)用函數(shù)，效率太低，使用field_read_ex6()函數(shù)可以解決這一難題。在PLC中定義變量的時(shí)候，可以定義一段連續(xù)的存儲空間用來存放系統(tǒng)中的狀態(tài)變量，再采用field_read_ex6()函數(shù)以字節(jié)的形式讀取，進(jìn)行簡單的邏輯運(yùn)算之后即可得到一個(gè)字節(jié)中8個(gè)位變量的信息。

5 結(jié)束語

通過對西門子Prodave工具包的研究，提出了西門子PLC和PC的以太網(wǎng)通信方法。Visual Studio2008編程方便、性能穩(wěn)定、可靠性高，通過它對Prodave動態(tài)鏈接庫的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了PC對PLC的讀寫操作。編寫的以太網(wǎng)通信程序界面友好、人機(jī)交互方便、數(shù)據(jù)庫功能較強(qiáng)。筆者提出的通信方法，對西門子S7-200 PLC、S7-300 PLC和S7-400 PLC具有通用性，可以推廣應(yīng)用。

[1] 馬健，韓曉華，黃旭平，等．PC上位機(jī)與S7-300系列PLC進(jìn)行通訊的研究[J]．制造技術(shù)與機(jī)床，2011，(3)：169～172.

[2] 趙軍，時(shí)良平，黃春陽．基于Prodave技術(shù)的西門子PLC監(jiān)控調(diào)試軟件開發(fā)[J].自動化應(yīng)用，2011，(10)：26～28.

[3] 唐東明，聶詩良．PRODAVE在S7-300PLC監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．可編程控制器與工廠自動化, 2007，(8):41～42.

TheStudyonEthernetCommunicationbetweenSiemensPLCandPCBasedonProdave

ZHU Guang-chang, YU Xiao-min
(ZhongnanBranch,HuadianElectricPowerResearchInstitute)

The Prodave toolkit-based communication between Siemens PLC and PC was proposed, which asks for no programming at PLC and only adopts high-level language to call some functions at PC. This communication method costs lower and has high reliability.

Ethernet communication, Siemens PLC, Prodave

TH862+.7

B

1000-3932(2017)04-0397-04

2016-10-10，

2016-10-31)

祝廣場(1984-)，工程師，從事火電廠熱工自動化控制和保護(hù)工作，14815197@qq.com。