西門子S7協(xié)議研究及基于嵌入式平臺的驅(qū)動開發(fā)

侯建華

(西安西電電氣研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

0 引言

西門子SIMATIC控制器在工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。S7協(xié)議為西門子控制器與控制器、控制器與人機(jī)接口(human machine interface,HMI)等之間提供了穩(wěn)定可靠的工業(yè)通信，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、組態(tài)、診斷、監(jiān)控等多種功能[1]。但S7協(xié)議是西門子的私有協(xié)議且不公開，這給第三方應(yīng)用與西門子控制器之間的數(shù)據(jù)集成帶來了障礙。本文針對基于工業(yè)以太網(wǎng)和RFC1006標(biāo)準(zhǔn)的S7通信協(xié)議進(jìn)行了研究，給出和分析了S7協(xié)議的OSI參考模型、S7通信建立的過程和報(bào)文格式，并在ARM+Linux嵌入式平臺上設(shè)計(jì)開發(fā)了S7協(xié)議驅(qū)動程序，實(shí)現(xiàn)了對西門子S7-1500 PLC的數(shù)據(jù)讀寫操作。

1 S7協(xié)議概述

西門子SIMATIC所有控制器，例如S7系列PLC、其他嵌入式或基于計(jì)算機(jī)的控制器均支持S7協(xié)議。S7協(xié)議是一個協(xié)議族，是應(yīng)用層的協(xié)議，支持基于工業(yè)以太網(wǎng)的Profinet、Profibus和MPI等通信。而基于工業(yè)以太網(wǎng)的RFC1006/ISO on TCP(ISO Transport Service on top of the TCP Version: 3)是S7協(xié)議中應(yīng)用廣泛的一種。其底層遵循的是通用的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，PLC CPU模塊和以太網(wǎng)模塊均支持此通信[1]。

2 S7協(xié)議模型

基于以太網(wǎng)ISO on TCP方式的S7通信，是建立在RFC1006標(biāo)準(zhǔn)之上的。西門子PLC與對象伙伴進(jìn)行通信，使用RFC1006標(biāo)準(zhǔn)中定義的102端口[2-3]。其OSI參考模型如圖1所示。

第1～4層是通用的以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)。第4層RFC1006為西門子S7以太網(wǎng)通信提供服務(wù)。第5層TPKT為應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，介于TCP和第6層COTP協(xié)議之間。這是一個傳輸服務(wù)協(xié)議，主要用來在COTP和TCP之間建立橋梁，封裝傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元(transport protocol data units，TPDUs)。TPKT的作用是包含S7協(xié)議(5～7層)的數(shù)據(jù)長度。第6層面向連接的傳輸協(xié)議(connection-oriented transport protocol，COTP)是位于TCP之上的協(xié)議。COTP 以“包”為基本單位來傳輸數(shù)據(jù)，其作用是定義了數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝籔DU和幀類型。在S7通信中，PDU類型主要為數(shù)據(jù)幀DT data。第7層S7通信，這一層和用戶數(shù)據(jù)相關(guān)，主要定義了要訪問的數(shù)據(jù)的地址、格式、長度等信息[2-5]。

圖1 西門子S7協(xié)議OSI參考模型

3 S7通信過程

應(yīng)用程序與西門子PLC進(jìn)行S7通信，其通信過程如圖2所示。

圖2 S7通信過程示意圖

①建立TCP連接。

②建立ISO on TCP連接。

③建立S7連接。

④按S7協(xié)議讀寫數(shù)據(jù)。

4 S7協(xié)議報(bào)文幀格式

S7協(xié)議報(bào)文幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。其報(bào)文分三部分：TPKT幀頭、COTP包和S7 PDU[2-6]。

圖3 S7協(xié)議報(bào)文幀結(jié)構(gòu)圖

4.1 TPKT幀頭

TPKT幀頭包括：①版本號(Version)，ISO on TCP(RFC1006)版本號，即最新版0x03；②包長度(Packet Length)，包括TPKT幀頭、COTP和S7 PDU整個包的長度。

4.2 COTP包

COTP包根據(jù)應(yīng)用的不同共分為5種類型：連接請求(connect request，CR)、連接確認(rèn)(connect confirm，CC)、斷開請求(disconnect request，DR)、數(shù)據(jù)幀(data，DT)、擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀(expedited data，ED)。一般常用的是CR和DT包。當(dāng)請求建立ISOon TCP連接時為CR包且后面沒有S7 PDU時，在ISO on TCP連接建立后，再進(jìn)行S7連接及S7數(shù)據(jù)通信時都為DT包。因此，正常通信時CR包只有一次，僅用于建立ISO on TCP連接。

4.3 S7 PDU

S7 PDU包括以下內(nèi)容。

①報(bào)頭：S7協(xié)議的報(bào)文頭，指示了S7協(xié)議的標(biāo)識、參數(shù)區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的長度，在返回報(bào)文中還將包括狀態(tài)碼，指示錯誤等級和錯誤碼。

②參數(shù)區(qū)：表示要讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)區(qū)域的參數(shù)格式，指示了數(shù)據(jù)區(qū)的傳輸單位、長度、區(qū)域、地址、數(shù)據(jù)項(xiàng)個數(shù)等信息。

③數(shù)據(jù)區(qū)：表示從PLC返回或者要寫入PLC的數(shù)據(jù)。當(dāng)向PLC發(fā)送的是請求建立S7連接或者讀取數(shù)據(jù)的報(bào)文時，報(bào)文沒有數(shù)據(jù)區(qū)。

5 嵌入式S7協(xié)議驅(qū)動程序開發(fā)

5.1 嵌入式平臺

嵌入式平臺采用ARM+Linux，選用基于Cortex-A8架構(gòu)的德州儀器(TI)公司AM3352芯片作為主處理器，主頻為800 MHz，運(yùn)算能力高達(dá)1 600 DMIPS，配置512 MB DDR3和512 MB NAND FLASH，集成2路CAN、2路千兆網(wǎng)口、8路內(nèi)部ADC、6路UART、2路SPI、3路PWM、3路eCAP等接口。硬件平臺還包括電源模塊、以太網(wǎng)模塊、4路RS232/485模塊、掉電參數(shù)保存模塊、時鐘模塊、SD卡存儲模塊、LED狀態(tài)指示燈等[7]。

基于以上平臺，開發(fā)S7協(xié)議驅(qū)動程序。嵌入式平臺軟件架構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)為模塊化設(shè)計(jì)，每個協(xié)議驅(qū)動和管理模塊都是一個獨(dú)立的應(yīng)用程序,所有的數(shù)據(jù)交互均以總線的形式在獨(dú)立開辟的內(nèi)存緩沖區(qū)上流轉(zhuǎn)。各驅(qū)動程序可獨(dú)立開發(fā)，獨(dú)立下載，互不耦合。日志模塊負(fù)責(zé)異常和輸出的日志打印。初始化模塊負(fù)責(zé)讀取驅(qū)動需要的參數(shù)文件并初始化驅(qū)動。數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)開辟內(nèi)存緩沖區(qū)，并與緩沖區(qū)進(jìn)行交互，將驅(qū)動采集或上層應(yīng)用寫入的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，完成通道、設(shè)備、點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和存儲。驅(qū)動管理模塊負(fù)責(zé)各類驅(qū)動模塊的管理，自動加載系統(tǒng)中存在的驅(qū)動并進(jìn)行監(jiān)護(hù)[8-10]。

圖4 嵌入式平臺軟件架構(gòu)圖

5.2 S7驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

S7驅(qū)動程序模塊由C++語言開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)對S7協(xié)議第5、6、7層編程，包括驅(qū)動對象類、通道類、設(shè)備類、變量類、TCP通信類、組織查詢報(bào)文類、報(bào)文解析類、xml解析器、打印日志類等。在Linux平臺下，將文件交叉編譯成可執(zhí)行的exe文件，在嵌入式平臺上并行運(yùn)行，完成不同的功能。平臺上電啟動后驅(qū)動程序首先加載由配置管理工具配置的xml文件，完成初始化工作，建立S7通信連接，再循環(huán)進(jìn)行S7數(shù)據(jù)的讀寫過程。對讀取的數(shù)據(jù)會實(shí)時寫入內(nèi)存緩沖區(qū)，不斷刷新，以供其他模塊調(diào)用[8-10]。

①初始化。

驅(qū)動啟動后首先在內(nèi)存中構(gòu)建驅(qū)動對象，加載和解析xml配置文件，獲取PLC地址、端口號、機(jī)架槽號和變量點(diǎn)表信息，連接內(nèi)存緩沖區(qū)，打開通信端口，完成一系列初始化工作。

②建立通信。

在完成初始化后，驅(qū)動自動組織兩條通信請求報(bào)文用于建立ISO_on_TCP連接和S7連接。發(fā)送COTP報(bào)文給PLC，在COTP報(bào)文中包含“連接請求”和目標(biāo)PLC CPU的機(jī)架號和槽號，PLC反饋COTP報(bào)文，進(jìn)行“連接確認(rèn)”，建立ISO_on_TCP連接。然后再發(fā)送S7通信報(bào)文給PLC，請求建立S7 通信，PLC反饋S7報(bào)文進(jìn)行“連接確認(rèn)”。下一步將進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作[2-5]。 S7驅(qū)動初始化及通信流程如圖5所示。

圖5 S7驅(qū)動初始化及通信流程圖

③讀寫數(shù)據(jù)。

S7驅(qū)動讀寫數(shù)據(jù)流程如圖6所示。S7驅(qū)動對點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)掃描，根據(jù)協(xié)議幀格式組織合成S7通信報(bào)文并發(fā)送，并對PLC返回的報(bào)文進(jìn)行判斷和解析，同時完成日志打印和與內(nèi)存緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交互，以實(shí)現(xiàn)對PLC數(shù)據(jù)的讀寫操作。

④與內(nèi)存緩沖區(qū)交互。

驅(qū)動初始化過程中，會根據(jù)通道、設(shè)備和點(diǎn)信息在內(nèi)存中創(chuàng)建表，建立內(nèi)存緩沖區(qū)用于統(tǒng)一存放數(shù)據(jù)，并不斷刷新緩沖區(qū)，作為驅(qū)動與其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口。在掃描前，首先檢查是否有執(zhí)行寫操作的點(diǎn)。如果有，優(yōu)先進(jìn)行寫操作。寫操作時，首先對讀取數(shù)據(jù)與待寫入的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果數(shù)據(jù)相同，則不用執(zhí)行寫操作，以提高效率。寫操作的點(diǎn)執(zhí)行完后，再執(zhí)行只讀點(diǎn)的操作。S7驅(qū)動讀寫數(shù)據(jù)流程如圖7所示。

圖6 S7驅(qū)動讀寫數(shù)據(jù)流程圖

圖7 S7驅(qū)動與內(nèi)存緩沖區(qū)交互圖

6 測試結(jié)果

測試的PLC為S7-1515，在嵌入式平臺添加S7通道。選擇PLC，設(shè)置好IP地址，端口號為102，TSAP為0302,增加待測的數(shù)據(jù)點(diǎn)，下載配置到嵌入式系統(tǒng)，重啟后與PLC就自動建立起了S7連接。通過開發(fā)的上位軟件就可以看到實(shí)時采集的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對PLC輸入、輸出、位存儲區(qū)、數(shù)據(jù)塊、定時器、計(jì)數(shù)器區(qū)域數(shù)據(jù)的讀取，并可向輸出、位存儲區(qū)、數(shù)據(jù)塊成功寫入數(shù)據(jù)。測試結(jié)果驗(yàn)證了S7協(xié)議和驅(qū)動程序的正確性，實(shí)現(xiàn)了嵌入式平臺系統(tǒng)與PLC的S7通信[11]。

7 結(jié)束語

本文主要對基于以太網(wǎng)和RFC 1006標(biāo)準(zhǔn)的S7協(xié)議進(jìn)行了研究，給出了S7協(xié)議的參考模型、S7通信建立的過程和報(bào)文格式，并在ARM+Linux嵌入式平臺上設(shè)計(jì)開發(fā)了S7協(xié)議驅(qū)動程序，實(shí)現(xiàn)了對西門子S7-1500 PLC中各存儲區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫操作，從而驗(yàn)證了S7協(xié)議及S7驅(qū)動程序的正確性。西門子S7系列PLC在工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。通過本文，可以對西門子S7協(xié)議有一個較深刻的認(rèn)識，為用戶開發(fā)應(yīng)用程序，以及實(shí)現(xiàn)與西門子PLC的通信提供了參考。