西门子PLC中央处理单元CPU416-3西门子代理商

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安全PLC系统在正常情况下，只是“静”地在线监视着装置的运行，其系统输出不发生变化，对生产过程也不产生影响。只有在生产装置出现异常情况危及系统安全时，它才“迅速出手”，按照预先设计的方案使装置安全停车或采取必要的安全措施。

  常规PLC担负常规控制，当它失效时其输出不能保证生产设备是处于定义的安全状态，因此，不能用于安全防护系统或只能用于安全要求等级极低(如RC1~2等级)的场合。

  另外，安全PLC系统采用的是具有特殊结构型式和特殊处理方式的PLC，与常规PLC的执行标准、LO信号的处理方式、拓扑结构、软件设计等方面都有许多不同。例如，安全PLC采用无余的处理器结构，且这些处理来自不同的生产商，软件冗余模块也采用不同的编程设计，这样可以避免共因失效的发生。又如，安全PLC对I/O信号的采集、处理、输出也都采用了冗余控制方式。当输入信号进入安全PLC后，分别存入多个输入寄存器，在通过多个相应的处理器进行处理后送入多个输出寄存器，构成了多重冗余的VO处理通道，通过比较这多个处理结果是否一致来检测并判别故障的状态、位置、程度等信息，指示安全系统安装预定的设计要求动作。另外，安全PLC还提供安全测试脉冲用以检测输入输出通道内部的故障，这种周期性地对输出回路发送短脉冲信号用来检测输出回路是否存在断线，从而提高了输出信号的可靠性。安全PLC 还要求扫描更加快速，以便能够在较短的时间内不仅能够完成整套系统的安全自检，还可以处理紧急停车的要求。

  安全PLC必须满足苛刻的安全性****，采用系统方法来设计和测试，进行过第三方专业机构的安全认证，而常规PLC无须满足这些要求。由于常规PLC本身不是按照相应安全标准设计制造的，因此，内部故障时其输出状态不能保证系统回到预定的安全状态，系统没有为安全目的而设置的自诊断功能，常规PLC不能满足安全防护系统对其控制单元的安全性要求。对于安全等级要求较高的场合采用两套或多套常规PLC冗余配置技术方案，如采用并联或表决拓扑结构来提高系统的可靠性，以满足高安全等级的要求，值得注意的是，这并不能从根本上解决常规PLC控制系统安全性的问题，却要付出昂贵的投资代价，因为这种结构仍存在诸如输出短路这样的危险故障。

  安全PLC的软件符合严格的****，需要通过全面的软件可靠性、安全性测试，并采用规范的操作流程设计以确保软件的可靠性。

  安全PLC与常规PLC还在诸多方面不同，如CPU结构、失效检验、内部诊断、操作系统、软件编制要求、安全通信协议规范、外部传感器接线、现场电源监控等。

  值得注意的是，虽然安全PLC与常规PLC联网将使得整体系统具有更强大的监控能力，但这种结构会增加系统整体成本，增加实施、维护的复杂度把控制系统和安全系统的功能性集成到一个PLC，即集成的、简化的安全PLC系统能够方便快速地进行数据上传，监控故障，简化了系统设计、接线和实施，简化了设备控制和安全系统的协调，极大降低停机时间和系统寿命周期的总体成本，增加了系统安全的功能性。

前言

*近西门子PLC价格大幅上调，在工控界引起了不小的风波，不仅涨价，甚至还缺货，导致很多人不得不更改方案。听说*近已经完成了芯片替换，希望不久能够恢复供货，并把价格回调。

通过这件事，从侧面可以看出，西门子在工控领域的市场占有率很大，那么对于上位机开发人员来说，使用西门子PLC作为下位机，我们应该如何与之进行通信呢？

西门子PLC支持很多种通信协议，主要分为两种，一种是串口通信，一种是以太网通信，同时也可以通过OPC实现数据通信。

串口通信

西门子PLC支持串口通信，在S7-200和S7-200Smart中，都直接集成了串口，但是从S7-1200到S7-1500，慢慢都取消掉了，如果需要，可以通过扩展模块的方式来增加，出现这种现象的原因，其实也是工业发展的必然结果。串口通信的优势在于简单、成本低，但是劣势也非常明显，就是传输效率低。西门子早期的串口通信主要是Profibus DP通信，但是上位机是无法直接与西门子PLC走Profibus DP通信的，因此，西门子PLC常用的串口通信方案如下所示：

PPI通信：PPI通信只针对S7-200和S7-200 Smart系列PLC，其他型号不支持。

ModbusRTU主站：西门子PLC对Modbus协议支持还是比较不错的，这里是指PLC做Slave（即从站），上位机做Master（即主站）。

ModbusRTU从站：这里是指PLC做Master（即主站），上位机做Slave（即从站）。

以太网通信

西门子PLC通信还是以太网通信为主，我们常说的西门子通信协议分别是S7协议和Profinet协议，但是Profinet是一种总线协议，目前，C#是无法直接与西门子PLC走Profinet通信的。因此，西门子PLC常用的以太网通信方案如下所示：

S7通信：基本上从S7-200到S7-1500均可以实现，这里有很多可以选择的开源或商业库，包括http://s7.net、pronodave、libnodave、sharp7，也可以自己封装通信库。

ModbusTCP Server：这里是指PLC做Server（即服务器），上位机做Client（即客户端）。

ModbusTCP Client：这里是指PLC做Client（即客户端），上位机做Server（即服务器）。

OpenProtocol Server：这里是指开放式TCP通信，PLC做TCPServer（即服务器），上位机做TCPClient（即客户端）。

OpenProtocol Client：这里是指PLC做TCPClient（即客户端），上位机做TCPServer（即服务器）。

OPC通信

OPC通信是工业控制中常用的一种通信方式，主要在于OPC软件的选择以及OPCDA、OPCUA的选择，因此，西门子PLC常用的OPC通信方案如下所示：

PC Access系列：西门子针对S7-200开发PC-Access软件，针对S7-200 Smart又提供了PC-Access Smart软件，可以直接通过这些软件实现OPCDA通信。

Simatic Net 系列OPCDA：Simatic Net是西门子主推的OPC软件，支持西门子全系列，这里主要是OPCDA通信方式。

Simatic Net 系列OPCUA：新版的Simatic Net也开始支持OPCUA，这里主要是OPCUA通信方式。

KepServer 系列OPCDA：KepServer同样作为一款商业OPC软件，在国内使用率非常高，同样也支持西门子全系列，这里主要是OPCDA通信方式。

Simatic Net 系列OPCUA：新版的KepServer也开始支持OPCUA，这里主要是OPCUA通信方式。

S7通信协议

在以上众多的通信方式和通信协议中，就目前而言，使用S7通信是*方便，也是应该*广泛的，那么S7协议相对于其他协议来说，有哪些优势呢？

使用S7通信协议*大的优势在于不需要编写PLC程序，而且S7协议在底层做了很强的封装，在上位机通信应用中相比其他通信协议来说，也有很大的优势。

虽然不需要编写PLC程序，但仍然需要做一些简单的配置：

开启Put/Get

PLC侧需要设置勾选允许来自远程对象的Put/Get通信访问 对于西门子1200/1500系列，必须要勾选允许Put/Get访问，对于200Smart/300/400，则不需要。

DB块去除优化访问

对于基于博图开发S7-1200/1500的项目，如果要与DB块数据通信，需要要去除DB的优化的块访问，对于200Smart/300/400，则不需要。如果希望通过标签通信，可以采用OPCUA。

务必保证通信地址是有效地址

因为PLC大多数是基于存储区的，每个地址肯定是隶属于某个存储区，大家都知道西门子PLC自带的存储区有I区、Q区、M区、T区、C区，但是对于常用的DB存储区是没有的，需要自己去创建，也就意味着，如果你要读取DB地址，必须要提前创建好DB存储区，除此以外，DB存储区创建之后，默认是没有字节的，需要自己一个个添加变量，才能形成有效存储区，因此一个DB存储区的范围是有限并且可见的（可以通过偏移量看出来）。

S7协议之布尔操作

对于布尔操作，很多协议都有，但是这里的布尔操作是指寄存器布尔，比如DB100.DBX0.0，很多时候，我们都是通过先读取DB100.DBB0的值，再通过位运算结果，写入到DB100.DBB0中，实现DB100.DBX0.0的操作，但是这种方式有弊端，

第一：每次操作一个布尔值都需要与PLC进行两次数据交互。

第二：安全性和稳定性无法保障，你不知道在你读取和写入之间，这个字节的值是否已经发生了改变。

这样的问题也存在于Modbus协议的寄存器位操作，如40001.05，三菱、欧姆龙的寄存器位操作，如D100.06、W12.04，给上位机开发者带来很多苦恼。

但是S7协议支持直接位操作，有专门的报文指令实现这样的功能。

S7协议之PDU读取

大部分人都知道S7协议一次性读取有限制，但是具体是多少？怎么计算出来的？

S7协议的一次性读取长度是根据PDU计算出来的，这个PDU的值是来自于PLC本身，不同型号的CPU，它的PDU是不一样的，可以参考下面两张图：

西门子PLC的PDU大小是和CPU息息相关的，一般会有240、480、960三个档次，知道PDU之后，那么一次性读取的字节长度，就是在PDU的基础上减去18，这个18是指包头包尾会有18个字节，这样我们就知道了一般的PLC，一次性能读取222个字节（240-18=222），但是对于S7-1516这样的PLC，我们一次性是可以读取942个字节的（960-18=942），这个一次性能读取的字节越长，越能提高上位机的通信效率。

刚刚的方式是通过KepServer测试的，实际开发过程中，该怎么获取CPU的PDU呢，实际上在建立连接的第二次握手时，返回的报文中就包含PDU的值。

第二次握手返回的报文长度是27个字节，*后两个字节就是PDU的值，上图展示的是S7-1200PLC返回的报文，0和240的组合即为240。

对于S7-1500，我这里也做了一下测试，结果如下，返回结果为3和192，3和192的组合恰好是960（960=3*256+192）。

虽然PDU是由硬件做了限制，但是我们可以通过软件的方式，实现大量数据的读取，只需要在底层做一些封装即可。做了一下测试，针对S7-1200和S7-1500同时读取M区的8000个字节的耗时比较，S7-1200耗时800多ms，S7-1500耗时仅需200ms，由此可见，硬件对通信的重要性。

S7协议之多组读取

对于很多其他的通信协议，当我们遇到数据变量比较零散，同时读取多个存储区或者一个存储区多个不同部分的时候，我们只能针对每个存储区或者每块区域做一个数据请求，但是西门子S7协议可以解决这样的问题。

西门子S7协议有一个非常强大的一个地方，可以同时读取很多个不同的存储区，*大支持19种，总共读取长度仍然受PDU的限制。

这里我们仍然以实验测试为例，体验多组读取带来的美妙体验。

假设我们的通信组配置如下：

通信组01：读取I区从0开始的1个字节

通信组02：读取Q区从0开始的1个字节

通信组03：读取M区从0开始的200个字节

通信组04：读取M区从500开始的50个字节

通信组05：读取M区从1000开始的60个字节

通信组06：读取DB100从0开始的20个字节

通信组07：读取DB100从20开始的20个字节

通信组08：读取DB100从40开始的20个字节

通信组09：读取DB100从60开始的20个字节

我们采用常用S7-1200PLC，通过配置软件实现配置以上9个通信组，开始通信测试，首先我们选择的是单组读取的方式，就是针对每个组，依次进行读取，结果如下，耗时大约200ms，这个时间应该相对来说还是比较正常的。

接着，将读取方式改成了多组读取，再进行测试发现结果如下：

通过结果发现，多组读取对于存储区较为零散的项目来说，有着非常重要的作用，可以大大提高通信效率。

总结

通过上面一系列的分享，相信大家对西门子PLC通信有了更加深入的了解，希望大家可以多多实践。

每种通信方式都有自己的优缺点，对各种通信方式和协议了解之后，你才能够在不同的场合选择适合的通信方式，给出*合理的解决方案。

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