西門子PCS7的多PLC之間通信的實(shí)現(xiàn)探討

秦瓊

（大慶油田自動(dòng)化儀表有限公司，黑龍江 大慶 163000）

在工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行中，PLC分散控制多應(yīng)用于大型而復(fù)雜的生產(chǎn)控制系統(tǒng)，而多PLC之間程序通信相互協(xié)調(diào)與同步、數(shù)據(jù)以及參數(shù)之間共享成了工業(yè)生產(chǎn)控制中亟待解決的問題。在工業(yè)生產(chǎn)中，PLC之間都是通過工業(yè)以太網(wǎng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以S7協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)間的通信和傳遞，并通過工程師站和中控室的監(jiān)控軟件來對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)控與操作。通過現(xiàn)場(chǎng)傳感器、現(xiàn)場(chǎng)儀表等數(shù)據(jù)輸入，由中控室操作人員結(jié)合數(shù)據(jù)信息發(fā)出指令進(jìn)行閥門開關(guān)和變頻器大小調(diào)節(jié)。本文主要以西門子PCS7軟件和工業(yè)以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)多PLC之間程序通信及相互協(xié)調(diào)與同步。

1 通信要求概述

在工業(yè)生產(chǎn)中通信模式指的是請(qǐng)求方向被請(qǐng)求方發(fā)出請(qǐng)求，被請(qǐng)求方對(duì)請(qǐng)求方發(fā)出的請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)后按照請(qǐng)求方的指令運(yùn)行，請(qǐng)求方再根據(jù)被請(qǐng)求方提供的數(shù)據(jù)和參數(shù)來進(jìn)行自身參數(shù)的控制，在工業(yè)運(yùn)行中，通過程序描述的方式以及步驟按照請(qǐng)求方的請(qǐng)求啟動(dòng)和停止自身程序，若是有多個(gè)程序同時(shí)發(fā)送請(qǐng)求則需要進(jìn)行排隊(duì)處理，整個(gè)操作依次進(jìn)行，如果請(qǐng)求方的要求被響應(yīng)，則在請(qǐng)求方的操作界面上彈出對(duì)話框，提示操作人員程序已經(jīng)按時(shí)啟動(dòng)，如果請(qǐng)求方發(fā)出的請(qǐng)求沒有被響應(yīng)（例如由于程序正在運(yùn)行過程中或是程序基于連鎖的原因無法運(yùn)行）也會(huì)在操作界面上提示用戶正忙的信息，請(qǐng)求方可以選擇等待或是稍后重新發(fā)出請(qǐng)求。由于同一時(shí)間可能有多個(gè)請(qǐng)求發(fā)出，控制站會(huì)在響應(yīng)請(qǐng)求后在控制面板上提示哪個(gè)程序正在進(jìn)行。

另外，請(qǐng)求方和被請(qǐng)求方雙方的程序之間不但需要對(duì)一些重要的程序運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行相互傳輸，還需要相互間的協(xié)調(diào)以及同步。例如，某企業(yè)清罐車間清罐請(qǐng)求清洗的長(zhǎng)程序，通過順序控制程序中的編號(hào)來請(qǐng)求啟動(dòng)CIP工作站中罐體清洗程序，并判斷該清洗程序運(yùn)行中還是已經(jīng)結(jié)束，然后進(jìn)行啟動(dòng)或者停止該程序，其他各工作站也會(huì)有類似的請(qǐng)求數(shù)據(jù)過程。BBT、綜合間等多個(gè)工作站都可能會(huì)請(qǐng)求CIP清洗程序，雖然請(qǐng)求方和被請(qǐng)求方的程序運(yùn)行在不同的主機(jī)和PLC上，且各程序之間也是相互獨(dú)立的，但是，程序運(yùn)行開始可能會(huì)需要某些必要的手動(dòng)操作，比如，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的某些手動(dòng)閥門進(jìn)行開啟等，并做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，再由PLC程序進(jìn)行下步操作。本論文中以企業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)為例，其控制系統(tǒng)分為發(fā)酵、過濾和CIP也就是設(shè)備清洗四個(gè)主力車間，分別由西門子PCS系列的PLC進(jìn)行控制，在車間之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過S7協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，本文主要以各工作站請(qǐng)求CIP程序?yàn)槔齺斫榻B西門子PCS7的多PLC之間通信的具體操作過程。

2 通信網(wǎng)絡(luò)概述

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

在西門子PCS7的多PLC之間通信程序的實(shí)現(xiàn)大都采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，其在工業(yè)生產(chǎn)中廣為應(yīng)用，具有普遍認(rèn)可性，與OSI的7層協(xié)議相比，其層次相對(duì)較少，具有底層網(wǎng)絡(luò)較為透明以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)的具體物理實(shí)現(xiàn)并不涉及等優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛。在網(wǎng)絡(luò)IP層的協(xié)議主要負(fù)責(zé)傳送和連接互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)參數(shù)，而數(shù)據(jù)參數(shù)在各IP協(xié)議中是相互獨(dú)立存在的，其傳輸路徑以及相關(guān)的控制信息和參數(shù)都在IP報(bào)頭中得以表現(xiàn)。IP服務(wù)在傳輸控制層TCP中的主要作用就是為虛擬電路和面向數(shù)據(jù)流提供服務(wù)，同時(shí)，可以自主對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)BUG進(jìn)行糾正。

2.2 基于工業(yè)以太網(wǎng)的S7通信

基于工業(yè)以太網(wǎng)的S7通信可以使用通信SFB/FB模塊，該模塊與已經(jīng)組態(tài)成功的PCS7相互連接，通過編好的程序進(jìn)行通信控制。每次作業(yè)指令發(fā)出后可以傳輸高達(dá)64KB的用戶數(shù)據(jù)信息。而以太網(wǎng)作為“PCS7通信中繼器”，可對(duì)PCS7進(jìn)行傳輸。在工業(yè)以太網(wǎng)上，數(shù)據(jù)傳輸主要是通過ISO傳輸或是ISO-ON-TCP協(xié)議兩種方式進(jìn)行傳輸。但是，以用戶的視角了來分析，標(biāo)準(zhǔn)總線和工業(yè)以太網(wǎng)在PSC7通信實(shí)現(xiàn)上幾乎完全一致。

3 通信程序?qū)崿F(xiàn)過程概述

3.1 通信雙方的通信數(shù)據(jù)模塊

在被請(qǐng)求方及CIP控制站PLC程序中首先確定了DB880和DB881兩個(gè)數(shù)據(jù)模塊，CIP運(yùn)行參數(shù)通過BBT進(jìn)行接收并保存于DB880模塊上，而CIP運(yùn)行參數(shù)則通過綜合間進(jìn)行接收并保存于DB881模塊上。二者之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式和內(nèi)部變量定義方式都與DB13模塊相同。

如果在通信方的程序中調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的通信模塊GET(從對(duì)方讀取數(shù)據(jù))以及PUT(向?qū)Ψ絺魉蛿?shù)據(jù))都需要代表遠(yuǎn)程CPU中的數(shù)據(jù)塊并定義在本地，并且其遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)模塊中與其同名的數(shù)據(jù)模塊在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部變量上必須完全一致。此外，還需要定義相應(yīng)的本地?cái)?shù)據(jù)模塊與前面的數(shù)據(jù)模塊相互對(duì)應(yīng)，也必須保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及變量定義完全一樣。通過PUT、GET模塊將本地程序?qū)嶋H讀寫的內(nèi)容寫入本地映像數(shù)據(jù)模塊，再將其寫入遠(yuǎn)程CPU數(shù)據(jù)模塊中。在請(qǐng)求方PLC程序中需要定義相應(yīng)的程序向CIP發(fā)出請(qǐng)求，但是，系統(tǒng)只能對(duì)其中一個(gè)請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)，并只接受來自某個(gè)請(qǐng)求方傳送出的數(shù)據(jù)。因此，每個(gè)請(qǐng)求方需要分別定義自身的數(shù)據(jù)模塊，并且在本地CPU中編寫相應(yīng)的功能模塊來解決模塊間的沖突。

3.2 基于PCS7通信程序的數(shù)據(jù)模塊

在請(qǐng)求方的程序中通過使用GET通信模塊和PUT通信模塊來使得本地讀寫遠(yuǎn)程模塊與讀寫本地?cái)?shù)據(jù)一致。GET的主要功能是將遠(yuǎn)程CPU數(shù)據(jù)模塊中指定字節(jié)數(shù)的相關(guān)內(nèi)容，從某個(gè)地址讀寫到本地?cái)?shù)據(jù)模塊中，而PUT的主要功能則與GET恰恰相反，其將某個(gè)地址中的本地?cái)?shù)據(jù)模塊中指定字節(jié)數(shù)的內(nèi)容寫入遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)模塊中。在被請(qǐng)求方的程序中，則不需要向請(qǐng)求方調(diào)用系統(tǒng)中的通信數(shù)據(jù)模塊。

3.3 CIP數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計(jì)

本文以某企業(yè)清罐車間舉例說明，首先，需要在組織模塊中調(diào)用PUT和GET模塊來實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)模塊設(shè)計(jì)。調(diào)用PUT模塊把BBT清洗程序?qū)懭隒IP運(yùn)行參數(shù)中（比如，系統(tǒng)是進(jìn)行何種模式的清洗以及每次清洗時(shí)間），在將得到的參數(shù)傳輸給CIP工作站中的數(shù)據(jù)模塊中。如果分別來自BBT和綜合間的數(shù)據(jù)模塊對(duì)罐體清洗程序的請(qǐng)求位同時(shí)為1時(shí)，則需要對(duì)排在梯形圖中最前方的請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)，把對(duì)應(yīng)模塊中的數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)模塊后，BBT中的清洗程序?qū)ζ溥M(jìn)行循環(huán)往復(fù)讀取其中的變量來進(jìn)行程序的運(yùn)行，從而進(jìn)行整個(gè)CIP程序運(yùn)行狀態(tài)的判斷。

FBI一旦對(duì)某個(gè)請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)后就需要保持其與請(qǐng)求方之間的數(shù)據(jù)連接，并不斷將請(qǐng)求方傳輸而來的數(shù)據(jù)傳送到本地?cái)?shù)據(jù)模塊中來進(jìn)行CIP程序的運(yùn)行控制。但是，任意一個(gè)請(qǐng)求方可以在所有時(shí)間和所有情況下通過讀取CIP中的數(shù)據(jù)來對(duì)目前程序運(yùn)行狀態(tài)和某些重要參數(shù)進(jìn)行判斷，F(xiàn)BI等不能限制這些功能模塊的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。在BBT程序中，清洗長(zhǎng)程序啟動(dòng)時(shí)，要啟動(dòng)CIP罐清洗程序，由操作人員在控制面板上選擇并填寫好清洗參數(shù)，通過對(duì)CIP罐清洗程序發(fā)出請(qǐng)求，這時(shí)CIP工作站的CPU上會(huì)率先處理排在梯形圖最前面的請(qǐng)求，并進(jìn)行響應(yīng)，程序運(yùn)行結(jié)束后BBT通過GET得到當(dāng)前程序已經(jīng)結(jié)束的信息從而做出響應(yīng)。

3.4 西門子PCS7的多PLC之間程序協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)

西門子PCS7的多PLC之間程序協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)主要在于如何使設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，關(guān)鍵通信信號(hào)如何定義能使系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制整個(gè)程序的運(yùn)行；系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生的請(qǐng)求沖突等問題來如何解決，請(qǐng)求方和被請(qǐng)求方通信方式的選擇，以及對(duì)整個(gè)通信過程中各個(gè)模塊的動(dòng)作和狀態(tài)如何進(jìn)行完善以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。PLC相較C++語言對(duì)每個(gè)通信對(duì)象沒有較為完善的建模工具和語言，因此，在工業(yè)生產(chǎn)中用PLC進(jìn)行編寫程序，對(duì)于較為復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)流程還應(yīng)當(dāng)采取面向?qū)ο蟮姆治龇椒ǎㄟ^流程圖、結(jié)構(gòu)圖、交互圖等把參與交互的各個(gè)元素作為對(duì)象進(jìn)行分析，將復(fù)雜、多對(duì)象交互通信問題描述清楚、邏輯自洽，以更好地表現(xiàn)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思路，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化發(fā)展，節(jié)約勞動(dòng)力成本。

4 結(jié)語

本文主要介紹了西門子PCS7的多PLC之間程序協(xié)調(diào)運(yùn)行以及數(shù)據(jù)通信等功能的實(shí)現(xiàn)，并給出了相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)方式，經(jīng)過測(cè)試在生產(chǎn)運(yùn)行中穩(wěn)定性較高，并且較為完善的滿足了工藝需求，取得了良好的生產(chǎn)運(yùn)行效果，值得在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛推廣。