李 飛

（公安部第一研究所， 北京中盾安民分析技術(shù)有限公司， 北京 100048）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化的發(fā)展， 工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在工業(yè)控制領(lǐng)域，PLC 憑借其顯著優(yōu)勢(shì)占據(jù)邏輯控制的主流地位。 近年來(lái)隨著安檢系統(tǒng)應(yīng)用范圍的逐步擴(kuò)大，合作廠(chǎng)商和方式逐步升級(jí)，對(duì)多系統(tǒng)對(duì)接時(shí)的便捷性、 合理性以及系統(tǒng)運(yùn)行效率等都提出了新的需求。西門(mén)子S7-1200 定位于“低端的離散自動(dòng)化系統(tǒng)和獨(dú)立自動(dòng)化系統(tǒng)中使用的小型控制器模塊”，充分滿(mǎn)足于中小型自動(dòng)化的系統(tǒng)需求， 此系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)充分考慮了系統(tǒng)、控制器、人機(jī)界面和軟件的無(wú)縫整合和高效協(xié)調(diào)的需求[1-2]。

目前， 西門(mén)子S7-1200 本體PROFINET 通信口支持以太網(wǎng)和基于TCP/IP 和UDP 的通信標(biāo)準(zhǔn)和方式[3-4]。 西門(mén)子S7-1200 和上位機(jī)通信主要有2 種方式： 采用以太網(wǎng)通信或者OPC 通信。 OPC 通信方法過(guò)于復(fù)雜，多數(shù)OPC服務(wù)器難以為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)緩存、 無(wú)法提供一些常用的計(jì)算功能以及OPC 在分布式應(yīng)用中容易和防火墻發(fā)生沖突[5]。 以太網(wǎng)通信方式簡(jiǎn)單，與OPC 通信相比具有靈活、開(kāi)發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)。 西門(mén)子S7-1200 與其他西門(mén)子可編程控制器連接方式主要有串口通信、IO 干接點(diǎn)通信和以太網(wǎng)通信， 串口通信和IO 干接點(diǎn)通信的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，但是劣勢(shì)是傳輸效率低、抗干擾能力弱。

綜上所述， 本設(shè)計(jì)中西門(mén)子S7-1200 與外部系統(tǒng)西門(mén)子可編程控制器采用穩(wěn)定可靠的PROFINET IO 方式連接，與安檢系統(tǒng)的上位機(jī)采用以太網(wǎng)通信方式連接。

1 總體概述

S7-1200 在本設(shè)計(jì)中通過(guò)和外部系統(tǒng)西門(mén)子PLC 進(jìn)行組態(tài)， 實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)不同廠(chǎng)家的信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互、邏輯控制等，簡(jiǎn)易流程圖如圖1 所示。 為了保持不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)安全和電氣獨(dú)立， 在兩個(gè)PLC 進(jìn)行組態(tài)時(shí)進(jìn)行電氣/網(wǎng)絡(luò)隔離。 外部控制信號(hào)采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用的干接點(diǎn)連接，S7-1200 實(shí)際應(yīng)用框圖如圖2 所示。

圖1 簡(jiǎn)易流程圖

圖2 S7-1200 實(shí)際應(yīng)用框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 西門(mén)子S7-1200

本次設(shè)計(jì)選用本體集成兩個(gè)以太網(wǎng)口的S7-1200 系列的PLC，CPU 的型號(hào)為1215C。S7-1200 和上位機(jī)通過(guò)Socket 進(jìn)行通訊[6-7]。Socket 建立在傳輸層協(xié)議（TCP 和UDP）之 上，由于TCP 面向連接，UDP 是無(wú)連接的，因此，利用Socket 進(jìn)行通信，有兩種方式：面向連接的和無(wú)連接的。本設(shè)計(jì)采用面向連接的通信方式，其中上位機(jī)作為Client 端進(jìn)行實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，S7-1200 作為接收連接對(duì)象的Server 端， 所以應(yīng)選用兩部分功能模塊指令：一是TRCV（接收指令），如圖3 所示， 接收數(shù)據(jù)指令針對(duì)數(shù)據(jù)是否定長(zhǎng)有不同配置；二是TSEND_C（發(fā)送指令），如圖4 所示。

圖3 接收指令

圖4 發(fā)送指令

線(xiàn)程是程序中的一個(gè)執(zhí)行流程，是CPU 調(diào)度和分派的基本單位。一個(gè)線(xiàn)程可以包含一個(gè)或者多個(gè)線(xiàn)程，并在同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的多個(gè)線(xiàn)程共享內(nèi)存和資源[8]。因?yàn)镾7-1200屬于單線(xiàn)程運(yùn)行，為了程序的通用性以及合理性，S7-1200需要實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)多線(xiàn)程通信的機(jī)制， 這就要求數(shù)據(jù)接收端（即S7-1200）內(nèi)部編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)接收緩沖池，將上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)全部接收后以固定時(shí)間間隔發(fā)送給PN/PN COUPLE，報(bào)文接收部分程序截圖如圖5 所示。

圖5 報(bào)文接收部分程序截圖

2.2 電氣/網(wǎng)絡(luò)隔離

為了減少兩個(gè)不同電路之間的干擾， 確保一側(cè)網(wǎng)絡(luò)端的錯(cuò)誤對(duì)另一側(cè)的網(wǎng)絡(luò)端沒(méi)有影響， 在兩個(gè)系統(tǒng)連接時(shí)候通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行隔離。 本設(shè)計(jì)選用西門(mén)子公司生產(chǎn)的PN/PN COUPLE 耦合器作為連接兩個(gè)系統(tǒng)PLC 的中間隔離設(shè)備，PLC 和PN/PN COUPLE 之間通過(guò)PROFINET連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)際連接示意圖如圖6 所示。

圖6 隔離連接示意圖

PN/PN COU PLE 為數(shù)據(jù)交換提供兩個(gè)相互對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)都有發(fā)送區(qū)域（Output）和接收區(qū)域（Input）。 一 個(gè)PROFINET 網(wǎng) 絡(luò) 的 發(fā) 送 區(qū) 對(duì) 應(yīng) 另 一 個(gè)PROFINET 網(wǎng)絡(luò)的接收區(qū)，反之亦然。 在PROFINET 接口下的轉(zhuǎn)換映射欄中將發(fā)送和接收傳輸區(qū)分別進(jìn)行配置，導(dǎo)出GSD 文件供PN/PN COUPLE 另一個(gè)接入端進(jìn)行組態(tài)。 配置完成的傳輸區(qū)示意圖如圖7 所示。

圖7 配置完成的傳輸區(qū)示意圖

PN/PN COUPLE 開(kāi)放的緩沖區(qū)類(lèi)似靜態(tài)數(shù)組， 如果數(shù)據(jù)寫(xiě)入的速度超過(guò)了讀取的數(shù)據(jù)， 就會(huì)存在前一組數(shù)據(jù)被覆蓋而無(wú)法讀取的現(xiàn)象， 所以為了雙方都可以準(zhǔn)確無(wú)誤的數(shù)據(jù)交互，就對(duì)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)保持時(shí)間THOLD提出了要求。假設(shè)S7-1200 的最長(zhǎng)刷新周期為T(mén)1MAX，考慮時(shí)鐘的不穩(wěn)定性以及其他冗余， 外部系統(tǒng)PLC 寫(xiě)入PN/PN COUPLE 緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)保持時(shí)間最少為T(mén)HOLD=2T1MAX。 同理S7-1200 寫(xiě)入PN/PN COUPLE 緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)保持的時(shí)間最少為T(mén)HOLD=2T2MAX（外部系統(tǒng)PLC 的最長(zhǎng)刷新周期為T(mén)2MAX）。 此部分信息報(bào)文程序截圖如圖8 所示。

圖8 信息報(bào)文程序截圖

2.3 外部控制信號(hào)輸入/輸出

外部控制信號(hào)采用了傳輸速度快、可靠性高、接線(xiàn)方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)的無(wú)緣信號(hào)接線(xiàn)方式， 在程序中增加濾波處理以防止信號(hào)的誤觸發(fā)。此信號(hào)主要包括光障、走帶以及急停信號(hào)等，部分控制信號(hào)程序截圖如圖9 所示。

圖9 部分控制信號(hào)程序截圖

2.4 HMI 觸摸屏

HMI 是人機(jī)界面的縮寫(xiě)，將HMI 和PLC 相連可以將其數(shù)據(jù)等顯示在屏幕上， 開(kāi)展故障檢修、 數(shù)據(jù)監(jiān)控的目的。 本設(shè)計(jì)中S7-1200 和HMI 屏選用以太網(wǎng)通信，使用TCP 協(xié)議。HMI 添加后需要在設(shè)備組態(tài)中進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)置，切記HMI 觸摸屏和S7-1200 以及PN/PN COUPLE 需在相同的IP 網(wǎng)段并且不同的IP 地址。 HMI 觸摸屏示意圖如圖10 所示。

圖10 HMI 觸摸屏示意圖

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)安裝于實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境， 通過(guò)TIA 軟件中的Traces 功能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及上位機(jī)記錄的數(shù)據(jù)交互日志，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)實(shí)際中單次數(shù)據(jù)傳輸，從外部系統(tǒng)到安檢系統(tǒng)30ms 即可完成。 本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸快速、正確以及穩(wěn)定， 可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度長(zhǎng)時(shí)間工作的需求，TRACE 曲線(xiàn)示意圖如圖11 所示，上位機(jī)日志截圖如圖12 所示。

圖11 TRACE 曲線(xiàn)示意圖

圖12 上位機(jī)日志截圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)介紹了S7-1200 在安檢系統(tǒng)中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)， 通過(guò)PROFINET IO 連接外部系統(tǒng)的西門(mén)子PLC，通過(guò)以太網(wǎng)方式連接內(nèi)部安檢系統(tǒng)的上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了報(bào)文的通信、邏輯指令的控制以及狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。 經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的大量數(shù)據(jù)測(cè)試， 報(bào)文通信實(shí)時(shí)并且穩(wěn)定，控制信號(hào)正確無(wú)誤。 說(shuō)明了此設(shè)計(jì)方式的合理性，為以后同類(lèi)型場(chǎng)景、不同類(lèi)型設(shè)備的應(yīng)用提供了有價(jià)值的模型參考。