S7通信协议之你不知道的事儿

Posted 2020-12-10

在电气学习的路上，西门子PLC应该是我的启蒙PLC，从早期的S7-300/400 PLC搭建Profibus-DP网络开始接触，到后来的S7-200Smart PLC，再到现在的S7-1200/1500 PLC博途软件，基本上西门子的每款PLC都接触并使用过。
在上位机开发的路上，西门子PLC也一直是我钟爱的一个品牌，仍然记得刚开始做的第一个上位机就是基于S7-300 PLC的S7协议。最近又将S7协议巩固了一遍，发现了一些自己之前都不知道的事，这才发现，西门子S7协议是非常强大的一个协议。
1. 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。
2. 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，大家可以通过KepServer结合PLC来测试，如果手头没有PLC，可以关注本公众号的一篇文章《手把手教你搭建西门子PLC仿真环境》。

图表 1 S7-1200的PDU

图表 2 S7-1500的PDU

经过研究发现，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。
但是刚刚的方式是通过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。.

图表 3 S7-1200 PDU报文
第二次握手返回的报文长度是27个字节，最后两个字节就是PDU的值，上图展示的是S7-1200 PLC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）。

图表 4 S7-1500 PDU报文
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。

图表 5 S7-1200通信耗时测试

图表 6 S7-1500通信耗时测试
3. S7协议之多组读取
西门子S7协议其中的一个重要体现就在于可以同时读取很多个不同的存储区，最大支持19种，总共读取长度仍然受PDU的限制。
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。
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，基于CMS配置软件实现配置之后，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。

图表 7 S7-1200PLC单组读取
紧接着，我将读取方式改成了多组读取，再进行测试发现结果如下：

图表 8 S7-1200PLC多组读取
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。