基于modbus TCP实现EPICS与西门子S7 1200系列1215C PLC的通信

PLC介绍

西门子系列PLC在国内的市场占比第一，1200系列中小型PLC，因其众多的产品序列、强大的通讯功能和丰富扩展模块，被使用在工业生产、自动化生产线、智能制造、机器人等各行各业。根据CPU的供电电源的型号和数字量输出的类型，CPU 1215 C又可以分为CPU 1215C AC/DC/RLY 、CPU 1215C DC/DC/RLY 、CPU 1215C DC/DC/DC三种型号，以CPU 1215C DC/DC/DC型号为例，第一个“DC”表示该款型号PLC的供电电源为直流24V，第二个“DC”表示PLC的数字量输入为晶体管型信号输入，且数字量输入只能是晶体管型，第三个“DC”表示PLC的数字量输出类型为晶体管型，而“RLY”表示数字量的出类型为继电器型。不同的数字量输出类型对应不同的负载和带载能力。晶体管型输出端可以做高速脉冲输出，但是流出的最大电流只有0.5A，带载能力弱；继电器型输出端子不能做高速脉冲输出，也就是继电器不能快速的开和关操作，但是继电器型输出端子流出的最大电流能到2.0A，带载能力很强。

紧凑型 CPU 1215C 带有：

3 种设备类型，带有不同的电源和控制电压。

  • 集成电源，可作为宽范围交流或直流电源（85 ~ 264 V AC 或 24 V DC）
  • 集成的 24 V 编码器/负载电流源：
  • 用于直接连接传感器和编码器。带有 400 mA 输出电流，它也可用作负载电源。
  • 14 点集成 24 V 直流数字量输入（漏电流/源电流（IEC 1 型漏电流））。
  • 10 点集成数字量输出，24 V 直流或继电器。
  • 2 点集成模拟量输入 0 ~ 10 V。
  • 2 点集成模拟量输出 0 ~ 20 mA。
  • 4 点脉冲输出 (PTO)，频率最高 100 kHz。
  • 脉冲宽度调制输出 (PWM)，频率最高 100 kHz。
  • 2 个集成以太网接口（TCP/IP native、ISO-on-TCP）。
  • 6 个快速计数器（3 个最大频率为 100 kHz；3 个最大频率为 30 kHz），带有可参数化的使能和复位输入，可以同时用作带有 2 点单独输入的加减计数器，或用于连接增量型编码器
  • 通过附加通信接口扩展，例如，RS485 或 RS232
  • 通过信号板使用模拟或数字信号直接在 CPU 上扩展（保持 CPU 安装尺寸）
  • 通过信号模块使用各种模拟量和数字量输入和输出信号扩展。
  • 可选存储器扩展（SIMATIC 存储卡）。
  • PID 控制器，具有自动调谐功能。
  • 集成实时时钟。

PLC程序准备：

1、数据块1：modbus tcp通信配置，设置如下

2、数据块2：数据类型转换，设置如下：

3、梯形图程序，如下：

1）设置modbus tcp服务器端：

2） 数据转换：

从IW64获取第一路模拟量输入，将其转成工程量，放入保持寄存器中。

从IW66获取第二路模拟量输入，将其转成工程量，放入保持寄存器中。 

 从保持寄存器获取要设定的工程值，将其转成模拟值，写入第一路模拟输出地址QW64

 从保持寄存器获取要设定的工程值，将其转成模拟值，写入第二路模拟输出地址QW66

EPICS程序准备

所需安装的EPICS 模板

由于EPICS模块之间的依赖关系，需要以下4个模块：

base, seq , ipac ,asyn, modbus

IOC建立过程

先创建一个项目目录，在其下用makeBaseApp工具创建一个IOC应用程序的框架，编辑configure/RELEASE文件，添加本IOC依赖的模块，在程序src下Makefile中添加所依赖的库文件和源文件； 在Db文件下添加模板文件：

configure/RELEASE：
...
SUPPORT=/usr/local/EPICS/synApps/support# If using the sequencer, point SNCSEQ at its top directory:
#SNCSEQ = $(MODULES)/seq-ver
ASYN=$(SUPPORT)/asyn
MODBUS=$(SUPPORT)/modbus
AUTOSAVE=$(SUPPORT)/autosave...

 xxxApp/src：

s7-1215c_DBD += asyn.dbd
s7-1215c_DBD += drvAsynIPPort.dbds7-1215c_DBD += modbus.dbd
s7-1215c_DBD += asSupport.dbd# Include dbd files from all support applications:
# #s7-1215c_DBD += xxx.dbd
#
# # Add all the support libraries needed by this IOC
#s7-1215c_LIBS += xxx
s7-1215c_LIBS += asyn
s7-1215c_LIBS += modbus
s7-1215c_LIBS += autosave

xxxApp/Db：

bi_bit.template：用于按位读取PLC的输入输出点

record(bi,"$(P)$(R)BI$(N)") {field(DTYP,"asynUInt32Digital")field(INP,"@asynMask($(PORT) $(OFFSET) 0x1)")field(SCAN,"$(SCAN)")field(ZNAM,"$(ZNAM)")field(ONAM,"$(ONAM)")field(ZSV,"$(ZSV)")field(OSV,"$(OSV)")
}

  bo_bit.template：用于按位写PLC的输出点。

record(bo,"$(P)$(R)BO$(N)") {field(DTYP,"asynUInt32Digital")field(OUT,"@asynMask($(PORT-QO) $(OFFSET) 0x1)")field(ZNAM,"$(ZNAM)")field(ONAM,"$(ONAM)")
}record(bi,"$(P)$(R)BO$(N)_RBV") {field(DTYP,"asynUInt32Digital")field(INP,"@asynMask($(PORT-QI) $(OFFSET) 0x1)")field(SCAN,"$(SCAN)")field(ZNAM,"$(ZNAM)")field(ONAM,"$(ONAM)")
}

float32_2words_in.template：用于读取读取模拟输入的电压值 

record(ai, "$(P)$(R)VOLTAGE$(N)") {field(DTYP,"asynFloat64")field(INP,"@asyn($(PORT) $(OFFSET))FLOAT32_BE")field(HOPR,"$(HOPR)")field(LOPR,"$(LOPR)")field(PREC,"$(PREC)")field(SCAN,"$(SCAN)")field(EGU, "V")
}

float32_2words_out.template：用于设置输出电流值

record(ao, "$(P)$(R)CURRENT$(N)") {field(DTYP,"asynFloat64")field(OUT,"@asyn($(PORT-CO) $(OFFSET))FLOAT32_BE")field(HOPR,"$(HOPR)")field(LOPR,"$(LOPR)")field(PREC,"$(PREC)")field(EGU, "mA")
}record(ai, "$(P)$(R)CURRENT$(N)_RBV") {field(DTYP,"asynFloat64")field(INP,"@asyn($(PORT-CI) $(OFFSET))FLOAT32_BE")field(HOPR,"$(HOPR)")field(LOPR,"$(LOPR)")field(PREC,"$(PREC)")field(SCAN,"$(SCAN)")field(EGU, "mA")
}

回到此IOC的顶层目录，编译以上代码，生产IOC程序。

5、编辑启动目录，添加模板替换文件，编辑启动脚本st.cmd:

1）添加的实例化文件如下：

1）qb.substitutions：实例化10个bo记录，用于写，分别写一个位到PLC的输出点Q0.0~Q0.7，Q1.0-Q1.1。

file "../../db/bo_bit.template" { pattern
{P,             R,            N,          PORT-QO,    ,PORT-QI       OFFSET,             ZNAM,           ONAM,        SCAN}
{S7-1215C:,   BIT:,           00               QB-O,     QB-I            0,               Low,            High,      "I/O Intr"}
{S7-1215C:,   BIT:,           01               QB-O,     QB-I            1,               Low,            High,      "I/O Intr"}
{S7-1215C:,   BIT:,           02               QB-O,     QB-I            2,              Low,            High,      "I/O Intr"}
{S7-1215C:,   BIT:,           03               QB-O,     QB-I            3,              Low,            High,      "I/O Intr"}
{S7-1215C:,   BIT:,           04               QB-O,     QB-I            4,              Low,            High,      "I/O Intr"}
{S7-1215C:,   BIT:,           05               QB-O,     QB-I            5,              Low,            High,      "I/O Intr"}
{S7-1215C:,   BIT:,           06               QB-O,     QB-I            6,              Low,            High,      "I/O Intr"}
{S7-1215C:,   BIT:,           07               QB-O,     QB-I            7,              Low,            High,      "I/O Intr"}
{S7-1215C:,   BIT:,           10               QB-O,     QB-I            8,              Low,            High,      "I/O Intr"}
{S7-1215C:,   BIT:,           11               QB-O,     QB-I            9,              Low,            High,      "I/O Intr"}
}

2） ib.substitutions：实例化14个bi记录，用于读取，分别读取一个位到PLC的输出点I0.0~I0.7，I1.0~I1.5。

file "../../db/bi_bit.template" { pattern
{P,        R,                 N,         PORT,         OFFSET,   ZNAM,   ONAM,  ZSV,       OSV,    SCAN}
{S7-1215C:,    BIT:,         00       IB,     0,        Low,    High,  NO_ALARM,  MAJOR,  "I/O Intr"}
{S7-1215C:,    BIT:,         01       IB,     1,        Low,    High,  NO_ALARM,  MAJOR,  "I/O Intr"}
{S7-1215C:,    BIT:,         02       IB,     2,        Low,    High,  NO_ALARM,  MAJOR,  "I/O Intr"}
{S7-1215C:,    BIT:,         03       IB,     3,        Low,    High,  NO_ALARM,  MAJOR,  "I/O Intr"}
{S7-1215C:,    BIT:,         04       IB,     4,        Low,    High,  NO_ALARM,  MAJOR,  "I/O Intr"}
{S7-1215C:,    BIT:,         05       IB,     5,        Low,    High,  NO_ALARM,  MAJOR,  "I/O Intr"}
{S7-1215C:,    BIT:,         06       IB,     6,        Low,    High,  NO_ALARM,  MAJOR,  "I/O Intr"}
{S7-1215C:,    BIT:,         07       IB,     7,        Low,    High,  NO_ALARM,  MAJOR,  "I/O Intr"}
{S7-1215C:,    BIT:,         10       IB,     8,        Low,    High,  NO_ALARM,  MAJOR,  "I/O Intr"}
{S7-1215C:,    BIT:,         11       IB,     9,        Low,    High,  NO_ALARM,  MAJOR,  "I/O Intr"}
{S7-1215C:,    BIT:,         12       IB,    10,        Low,    High,  NO_ALARM,  MAJOR,  "I/O Intr"}
{S7-1215C:,    BIT:,         13       IB,    11,        Low,    High,  NO_ALARM,  MAJOR,  "I/O Intr"}
{S7-1215C:,    BIT:,         14       IB,    12,        Low,    High,  NO_ALARM,  MAJOR,  "I/O Intr"}
{S7-1215C:,    BIT:,         15       IB,    13,        Low,    High,  NO_ALARM,  MAJOR,  "I/O Intr"}
}

3）voltages.substitutions：实例化2个ai记录，这两个实例将分别从PLC的两路电压模拟量输入。

file "../../db/float32_2words_in.template" { pattern
{P,             R,      N      PORT,         OFFSET , HOPR,   LOPR ,   PREC ,SCAN}
{S7-1215C:,    AI:      0     VIN,             0 ,       10,    0  ,3 , "I/O Intr"}
{S7-1215C:,    AI:      1     VIN,             2 ,       10,    0  ,3 , "I/O Intr"}
}

4）currents.substitutions：实例化两个ao记录，用于分别设置PLC的两路电流模拟输出。

file "../../db/float32_2words_out.template" { pattern
{P,             R,   , N   PORT-CO, PORT-CI         OFFSET,   HOPR,   LOPR, ,   PREC, SCAN}
{S7-1215C:,    AO:,    0      IOUT        IIN,            0 ,        20,    0,  3 ,   "I/O Intr"}
{S7-1215C:,    AO:,    1      IOUT        IIN,            2 ,        20,    0,  3 ,   "I/O Intr"}
}

编辑st.cmd文件：

#!../../bin/linux-aarch64/s7-1215c#- You may have to change s7-1215c to something else
#- everywhere it appears in this file< envPathscd "${TOP}"## Register all support components
dbLoadDatabase "dbd/s7-1215c.dbd"
s7_1215c_registerRecordDeviceDriver pdbbasedrvAsynIPPortConfigure("S1215C","192.168.3.217:502",0,0,1)
modbusInterposeConfig("S1215C",0 ,2000,0)# func code = 5 按位写线圈
drvModbusAsynConfigure("QB-O",   "S1215C", 1, 5,  0, 10 , 0, 1000, "QB-O")
# func code = 1 按位读线圈
drvModbusAsynConfigure("QB-I",   "S1215C", 1, 1,  0, 10 , 0,   500, "QB-I")# func code = 2 按位读取离散输入
drvModbusAsynConfigure("IB", "S1215C", 1, 2,  0, 14 , 0,   500, "IB")# func code = 3 按字读取保持寄存器
drvModbusAsynConfigure("VIN",    "S1215C", 1 , 3,  0, 4  , 0, 500, "VIN")# func code = 3 按字读取保持寄存器
drvModbusAsynConfigure("IIN",    "S1215C", 1 , 3,  4, 4  , 0, 500, "IIN")# func code = 6 按字写入保持寄存器
drvModbusAsynConfigure("IOUT",   "S1215C", 1,  6,  4, 4  , 0,  1000, "IOUT")
## Load record instances
#dbLoadRecords("db/s7-1215c.db","user=orangepi")cd "${TOP}/iocBoot/${IOC}"
dbLoadTemplate("qb.substitutions")
dbLoadTemplate("ib.substitutions")
dbLoadTemplate("voltages.substitutions")
dbLoadTemplate("currents.substitutions")
iocInit

IOC程序启动以及测试

在IOC启动目录下，程序启动命令：../../bin/linux-aarch64/s7-1215c st.cmd

dbl查看所有加载的记录。

S7-1215C:AI:VOLTAGE0
S7-1215C:AI:VOLTAGE1
S7-1215C:AO:CURRENT0_RBV
S7-1215C:AO:CURRENT1_RBV
S7-1215C:AO:CURRENT0
S7-1215C:AO:CURRENT1
S7-1215C:BIT:BO00_RBV
S7-1215C:BIT:BO01_RBV
S7-1215C:BIT:BO02_RBV
S7-1215C:BIT:BO03_RBV
S7-1215C:BIT:BO04_RBV
S7-1215C:BIT:BO05_RBV
S7-1215C:BIT:BO06_RBV
S7-1215C:BIT:BO07_RBV
S7-1215C:BIT:BO10_RBV
S7-1215C:BIT:BO11_RBV
S7-1215C:BIT:BI00
S7-1215C:BIT:BI01
S7-1215C:BIT:BI02
S7-1215C:BIT:BI03
S7-1215C:BIT:BI04
S7-1215C:BIT:BI05
S7-1215C:BIT:BI06
S7-1215C:BIT:BI07
S7-1215C:BIT:BI10
S7-1215C:BIT:BI11
S7-1215C:BIT:BI12
S7-1215C:BIT:BI13
S7-1215C:BIT:BI14
S7-1215C:BIT:BI15
S7-1215C:BIT:BO00
S7-1215C:BIT:BO01
S7-1215C:BIT:BO02
S7-1215C:BIT:BO03
S7-1215C:BIT:BO04
S7-1215C:BIT:BO05
S7-1215C:BIT:BO06
S7-1215C:BIT:BO07
S7-1215C:BIT:BO10
S7-1215C:BIT:BO11

控制和监控窗口如下：

结论

通过EPICS modbus模块通过modbus tcp协议能够实现对PLC输入映像区和模拟输入区的读取和对输出映像区和模拟量输入输出的读写。

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