PLC与PC网络通信实验

Snap7

Snap7 是针对西门子S7协议的。PLC不需任何配置就是S7的server，而我们只需要利用Snap7 lib，就可以让PC作为S7 client，读/写服务器端的数据块。

数据块映射

数据块分为输入区(DI, AI)，输出区(DQ, AQ)，程序数据块(DB）等等。下图中，DB3是测试程序的数据块。

Python版的Snap7

有时使用脚本语言会更方便一些。 python-snap7 就是一个Snap7 lib的Python封装。因为只是接口层的封装，对速度的影响很小。

安装时需要先安装Snap7的库，再用pip安装python-snap7。有些平台没有现成的Snap7的库，需要自己编译。反正树莓派上我是自己编译的。实测Python2和Python3都可以工作。

核心调用代码如下。因为I/O只有两字节，就直接读/写两字节了。

import snap7
from snap7.snap7types import S7AreaDB, S7AreaPA, S7AreaPE
class S7Client:
    def __init__(self, ip, slot=1, rack=0):
        self.client = snap7.client.Client()
        self.client.connect(ip, rack, slot)
    def readDI(self):
        area = S7AreaPE
        db = 0
        start = 0
        amount = 2
        ba = self.client.read_area(area, db, start, amount)
        d = ba[1]
        d &lt;&lt;= 8
        d |= ba[0]
        return d
    def writeDQ(self, data):
        area = S7AreaPA
        db = 0
        start = 0
        amount = 2
        ba = bytearray(amount)
        ba[0] = data &amp; 0xff
        ba[1] = data &gt;&gt; 8
        self.client.write_area(area, db, start, ba)
循环读/写DQ，看看总耗时。示意代码如下：
    def testWriteLoop(self, count):
        d = 0
        self.log.info("Write DQ from: %04x", d)
        t1 = time.time()
        while d &lt; count:
            self.plc.writeDQ(d)
            d += 1
        t2 = time.time()
        self.log.info("Write DQ till: %04x. Average: %.2fms", 
            (d - 1), (t2 - t1) * 1000 / d)
可以看到单次读/写的平均时间略高于9ms.
如果PC做Snap7的服务器，则PLC需要使用GET/PUT指令读/写PC端的数据。既然都是S7协议，我们假设它的速度和正向是相当的，暂且跳过，先试试另一类型的通信。
原始的TCP通信
S7-1200支持开放式用户通信，即基于TCP，但不属于任何标准应用层协议的，完全由用户自己定义的协议。
PC端作为服务器：实际测试使用树莓派充当PC的角色。
PLC端发送数据：由一个DI来触发数据发送。
树莓派开启数据发送：通过控制一个GPIO来开关继电器，进而改变PLC端的DI（信号1）；
树莓派在收到数据后，改变另一个GPIO的状态（信号2）作为标志；
比较信号2和信号1的时间差。
    self.sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    self.sock.bind(('', self.args.port))
    self.sock.listen(1)
    self.conn, addr = self.sock.accept()
    data = self.conn.recv(32)
    self.log.info("Received: %02X %02X", data[0], data[1])
可以用 netcat 测试这个服务器程序。
图：PLC循环时间
这说明循环时间并不是瓶颈。而且反过来，循环时间比通信时间还短（即使输入滤波器为6.4ms，通信时间9ms时，循环时间依然是1~2ms），这说明通信和循环似乎是分头执行的。
本来还想试一下中断执行方式的，但把通信程序块放到中断响应里执行并没有成功。考虑到对于PLC的百兆网口，3ms已经够快了，就没再折腾了。
还试验了一下，在PLC上单纯地增加一个计数器或反复翻转输出电平，每次操作耗时大约也是3ms。
顺便说一句，在PLC的数字输出上，却看不到电平的翻转（看到的总是高电平）。前面有一张“递增写DQ时DQ0.0的波形”图，18ms的周期，基本上已看不到电平下降到0了。感觉PLC的输出频率并不高，甚至可能有高频滤波。
从PLC的众多网络通信方式中，本文试验了简单易行并且跨平台的两种方式，用来和PC通信。
使用基于S7协议的Snap7库，在读写PLC时大约耗时9ms.
使用开放式的TCP协议，PLC向PC发送数据最快不到3ms.
考虑到S7-1200只是百兆网络，这个速度应该是不错的，可以满足大部分需要。