西門(mén)子S7-300/400PLC開(kāi)放式以太網(wǎng)TCP通訊的研究與應(yīng)用

郝慶偉

摘要：近年來(lái)隨著以太網(wǎng)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交互與融合，越來(lái)越多的工業(yè)產(chǎn)品需要通過(guò)TCP協(xié)議與PLC系統(tǒng)進(jìn)行通訊，本文以西門(mén)子S7-300/400 PLC為例詳細(xì)闡述其TCP通訊機(jī)理及具體的通訊實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：PLC;通訊;TCP

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）10-0031-02

0 引言

隨著工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展，目前大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化功能需要將PLC、HMI服務(wù)器、二級(jí)服務(wù)器、編程器、其他智能設(shè)備等進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)通訊交互。西門(mén)子的PLC產(chǎn)品在工控領(lǐng)域有很高的占有率，而隨著多元化的發(fā)展，一條產(chǎn)線可能存在不同廠家的工控產(chǎn)品，西門(mén)子PLC與其他廠家的數(shù)據(jù)交換無(wú)法使用自家的S7協(xié)議，開(kāi)放式的以太網(wǎng)TCP協(xié)議是一個(gè)很好的選擇。

1 TCP通訊協(xié)議的特點(diǎn)

TCP協(xié)議位于ISO/OSI參考模型的傳輸層，是一種面向連接的通信，即發(fā)送方與接收方通信時(shí)，必須首先建立連接，主動(dòng)方為客戶端，被動(dòng)方為服務(wù)器。TCP協(xié)議對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，為每個(gè)發(fā)送字節(jié)關(guān)聯(lián)一個(gè)序列號(hào)，接收方根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)序列號(hào)，對(duì)接收數(shù)據(jù)排序，從而保證了數(shù)據(jù)的順序。TCP數(shù)據(jù)接收方利用滑動(dòng)窗口提供流量控制，告知對(duì)方它能夠接收數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。其傳輸?shù)男问绞菙?shù)據(jù)流，沒(méi)有傳輸長(zhǎng)度及信息幀的起始、結(jié)束信息，最大報(bào)文段長(zhǎng)度MSS=1460bytes，適合傳輸中等到大量的數(shù)據(jù)。其報(bào)文格式參考表1。

TCP通信傳送數(shù)據(jù)前，雙方必須對(duì)通信進(jìn)行初始化，并得到對(duì)方的認(rèn)可，即建立連接。此過(guò)程通過(guò)三次握手實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

TCP通信的任意一方都可以主動(dòng)關(guān)閉這個(gè)連接，發(fā)送FIN報(bào)文段，F(xiàn)IN置1。一個(gè)FIN報(bào)文段被確認(rèn)后，這個(gè)方向的連接被關(guān)閉。只有兩個(gè)方向的連接都被關(guān)閉，該TCP連接才被完全釋放。如圖2所示。

2 西門(mén)子S7-300/400 PLC TCP通訊方式

SIMATIC S7-300/400 PN CPU包含一個(gè)集成的 PROFINET接口，該接口除了具有PROFINET I/O功能外還具有開(kāi)放式用戶通信功能，支持TCP等協(xié)議。要通過(guò)該集成PROFINET 接口實(shí)現(xiàn)開(kāi)放的TCP通信，不能在硬件組態(tài)中完成，必須在一個(gè)數(shù)據(jù)塊中指定每個(gè)連接的參數(shù)。使用“Open Communication Wizard”工具可以簡(jiǎn)單明了地指定連接參數(shù)，該工具可將一個(gè)包含所有參數(shù)的UDT導(dǎo)出到STEP項(xiàng)目中。使用該UDT可建立含有連接描述的數(shù)據(jù)塊。隨后，需使用STEP7的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的下列通信功能塊編寫(xiě)用戶程序，即可與符合以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的通訊伙伴進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：

（1）用于建立連接的FB 65-"TCON";（2）用于終止連接的FB 66-"TDISCON";（3）用于發(fā)送數(shù)據(jù)的FB 63-"TSEND";（4）用于接收數(shù)據(jù)的FB 64-"TRCV"。

其數(shù)據(jù)交換機(jī)理如圖3所示，數(shù)據(jù)發(fā)送方調(diào)用FB63，脈沖方式觸發(fā)REQ管腳，則生成發(fā)送緩沖區(qū)，即SEND BUFFER，隨后數(shù)據(jù)被壓入接口堆棧，即INTERFACE BUFFER，數(shù)據(jù)通過(guò)硬件接口發(fā)送至數(shù)據(jù)接收方的接口堆棧，接收方調(diào)用FB64，并使能EN_R管腳，生成接收緩沖區(qū)，即RCV BUFFER，隨后數(shù)據(jù)被傳送到接收方的實(shí)際地址區(qū)，如DB區(qū)。該過(guò)程中的緩沖區(qū)及堆棧最大為8192字節(jié)，所以西門(mén)子S7-300/400 CPU TCP通信一次發(fā)送/接收的最大數(shù)據(jù)量為32K字節(jié)。

3 數(shù)據(jù)一致性

始終被一致性的同時(shí)修改的數(shù)據(jù)區(qū)被稱(chēng)為一致數(shù)據(jù)區(qū)。也就是說(shuō)一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)如果不被一致性的同時(shí)修改則會(huì)造成數(shù)據(jù)不一致。打個(gè)比方，有100個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，在第一個(gè)掃描周期內(nèi)修改了50個(gè)字節(jié)，在第二個(gè)掃描周期內(nèi)修改了剩下的50個(gè)字節(jié)，則這100個(gè)字節(jié)在同一個(gè)掃描周期內(nèi)是不一致的。FB63，F(xiàn)B64是異步功能塊，其執(zhí)行時(shí)間可能持續(xù)若干個(gè)CPU掃描周期，為了保證其數(shù)據(jù)一致性，對(duì)于發(fā)送方，F(xiàn)B63的發(fā)送完成位“DONE”參數(shù)置1之前，必須保證發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)不變，對(duì)于接收方，F(xiàn)C64的接收完成位“NDR”置1之后，再使用接收數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。否則對(duì)于數(shù)據(jù)一致性要求較高的場(chǎng)合有可能會(huì)造成意想不到的后果。

4 常見(jiàn)問(wèn)題

4.1 接收功能塊FB64無(wú)法接收數(shù)據(jù)，顯示故障代碼80A1

通信雙方未完成三次握手，通信連接未成功建立，使用“Open Communication Wizard”工具檢查CPU型號(hào)、IP地址、端口號(hào)、是主動(dòng)方還是被動(dòng)方等參數(shù)，再檢查通訊伙伴的相關(guān)參數(shù)設(shè)置。然后執(zhí)行FB66斷開(kāi)連接，然后再次調(diào)用FB65重新建立連接。

4.2 接收功能塊FB64可以收到數(shù)據(jù)，但順序錯(cuò)亂

如前面所述，TCP通信的傳輸?shù)男问绞菙?shù)據(jù)流，所以接收方無(wú)法檢測(cè)數(shù)據(jù)流中的某條消息在何處結(jié)束以及下一條消息在何處開(kāi)始，即接收方無(wú)法知道發(fā)送方一次發(fā)送多少個(gè)字節(jié)。因此，當(dāng)通訊伙伴接收方的數(shù)據(jù)接收長(zhǎng)度與發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送長(zhǎng)度不匹配時(shí)，就會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)亂的現(xiàn)象。要解決此問(wèn)題，需要發(fā)送方和接收方將通信數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度保持一致。但有時(shí)往往發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是變化的無(wú)法固定在一個(gè)值，如掃碼設(shè)備掃描不同類(lèi)型的條碼，其長(zhǎng)度不是固定的，發(fā)送給CPU時(shí)會(huì)出問(wèn)題，針對(duì)這種情況可將接收功能塊FB64的LEN參數(shù)設(shè)置為0，以啟用內(nèi)部Ad-hoc模式，即以報(bào)文段為單位進(jìn)行接收，每接收一個(gè)報(bào)文段則認(rèn)為接收完成并計(jì)算接收長(zhǎng)度，由于TCP最大報(bào)文段長(zhǎng)度MSS=1460bytes，則如果單次發(fā)送長(zhǎng)度不大于1460字節(jié)，使用此方法可以完美解決變長(zhǎng)接收問(wèn)題。但如果單次發(fā)送長(zhǎng)度大于1460字節(jié)，則需要進(jìn)一步編程處理，如發(fā)送方在報(bào)文段內(nèi)加入長(zhǎng)度信息，接收方再對(duì)該信息進(jìn)行解析，從而確定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

4.3 建立連接功能塊FB65的DONE為什么一直為0

連接建立后，F(xiàn)B65的DONE參數(shù)會(huì)置1，但只是維持一個(gè)掃描周期，然后復(fù)位到0，所以直接監(jiān)控是看到的狀態(tài)是0?？梢酝ㄟ^(guò)采集它的上升沿信號(hào)查看是否置1，以查看通信是否已經(jīng)建立。例如，可以接一個(gè)計(jì)數(shù)器。

5 結(jié)語(yǔ)

TCP通信協(xié)議有著通用性強(qiáng)，可靠高效的特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛，西門(mén)子PLC與PLC之間，PLC與第三方以太網(wǎng)設(shè)備的通信均可采用此種方式，由于其數(shù)據(jù)流的特性，使用時(shí)要注意一些問(wèn)題，與S7通信還是有一定的區(qū)別。目前TCP通訊像S7通信一樣，已成為西門(mén)子PLC以太網(wǎng)通信的重要連接方式。

參考文獻(xiàn)

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