西门子S7-1200 在安检系统中的设计与应用

李 飞

（公安部第一研究所， 北京中盾安民分析技术有限公司， 北京 100048）

0 引言

随着我国经济和工业化的发展， 工业领域的自动化应用越来越广泛。在工业控制领域，PLC 凭借其显著优势占据逻辑控制的主流地位。 近年来随着安检系统应用范围的逐步扩大，合作厂商和方式逐步升级，对多系统对接时的便捷性、 合理性以及系统运行效率等都提出了新的需求。西门子S7-1200 定位于“低端的离散自动化系统和独立自动化系统中使用的小型控制器模块”，充分满足于中小型自动化的系统需求， 此系列产品的设计充分考虑了系统、控制器、人机界面和软件的无缝整合和高效协调的需求[1-2]。

目前， 西门子S7-1200 本体PROFINET 通信口支持以太网和基于TCP/IP 和UDP 的通信标准和方式[3-4]。 西门子S7-1200 和上位机通信主要有2 种方式： 采用以太网通信或者OPC 通信。 OPC 通信方法过于复杂，多数OPC服务器难以为实时数据库提供数据缓存、 无法提供一些常用的计算功能以及OPC 在分布式应用中容易和防火墙发生冲突[5]。 以太网通信方式简单，与OPC 通信相比具有灵活、开发成本低等优点。 西门子S7-1200 与其他西门子可编程控制器连接方式主要有串口通信、IO 干接点通信和以太网通信， 串口通信和IO 干接点通信的优点是简单，但是劣势是传输效率低、抗干扰能力弱。

综上所述， 本设计中西门子S7-1200 与外部系统西门子可编程控制器采用稳定可靠的PROFINET IO 方式连接，与安检系统的上位机采用以太网通信方式连接。

1 总体概述

S7-1200 在本设计中通过和外部系统西门子PLC 进行组态， 实现了两个不同厂家的信息系统进行数据的交互、逻辑控制等，简易流程图如图1 所示。 为了保持不同系统之间的数据安全和电气独立， 在两个PLC 进行组态时进行电气/网络隔离。 外部控制信号采用工业现场常用的干接点连接，S7-1200 实际应用框图如图2 所示。

图1 简易流程图

图2 S7-1200 实际应用框图

2 系统设计

2.1 西门子S7-1200

本次设计选用本体集成两个以太网口的S7-1200 系列的PLC，CPU 的型号为1215C。S7-1200 和上位机通过Socket 进行通讯[6-7]。Socket 建立在传输层协议（TCP 和UDP）之 上，由于TCP 面向连接，UDP 是无连接的，因此，利用Socket 进行通信，有两种方式：面向连接的和无连接的。本设计采用面向连接的通信方式，其中上位机作为Client 端进行实时访问，S7-1200 作为接收连接对象的Server 端， 所以应选用两部分功能模块指令：一是TRCV（接收指令），如图3 所示， 接收数据指令针对数据是否定长有不同配置；二是TSEND_C（发送指令），如图4 所示。

图3 接收指令

图4 发送指令

线程是程序中的一个执行流程，是CPU 调度和分派的基本单位。一个线程可以包含一个或者多个线程，并在同一个进程内的多个线程共享内存和资源[8]。因为S7-1200属于单线程运行，为了程序的通用性以及合理性，S7-1200需要实现和上位机多线程通信的机制， 这就要求数据接收端（即S7-1200）内部编写程序实现数据接收缓冲池，将上位机发送的数据全部接收后以固定时间间隔发送给PN/PN COUPLE，报文接收部分程序截图如图5 所示。

图5 报文接收部分程序截图

2.2 电气/网络隔离

为了减少两个不同电路之间的干扰， 确保一侧网络端的错误对另一侧的网络端没有影响， 在两个系统连接时候通过专用设备进行隔离。 本设计选用西门子公司生产的PN/PN COUPLE 耦合器作为连接两个系统PLC 的中间隔离设备，PLC 和PN/PN COUPLE 之间通过PROFINET连接进行数据交换，实际连接示意图如图6 所示。

图6 隔离连接示意图

PN/PN COU PLE 为数据交换提供两个相互对应的缓冲区，每个缓冲区都有发送区域（Output）和接收区域（Input）。 一 个PROFINET 网 络 的 发 送 区 对 应 另 一 个PROFINET 网络的接收区，反之亦然。 在PROFINET 接口下的转换映射栏中将发送和接收传输区分别进行配置，导出GSD 文件供PN/PN COUPLE 另一个接入端进行组态。 配置完成的传输区示意图如图7 所示。

图7 配置完成的传输区示意图

PN/PN COUPLE 开放的缓冲区类似静态数组， 如果数据写入的速度超过了读取的数据， 就会存在前一组数据被覆盖而无法读取的现象， 所以为了双方都可以准确无误的数据交互，就对缓冲区数据保持时间THOLD提出了要求。假设S7-1200 的最长刷新周期为T1MAX，考虑时钟的不稳定性以及其他冗余， 外部系统PLC 写入PN/PN COUPLE 缓冲区的数据保持时间最少为THOLD=2T1MAX。 同理S7-1200 写入PN/PN COUPLE 缓冲区的数据保持的时间最少为THOLD=2T2MAX（外部系统PLC 的最长刷新周期为T2MAX）。 此部分信息报文程序截图如图8 所示。

图8 信息报文程序截图

2.3 外部控制信号输入/输出

外部控制信号采用了传输速度快、可靠性高、接线方式简单等优点的无缘信号接线方式， 在程序中增加滤波处理以防止信号的误触发。此信号主要包括光障、走带以及急停信号等，部分控制信号程序截图如图9 所示。

图9 部分控制信号程序截图

2.4 HMI 触摸屏

HMI 是人机界面的缩写，将HMI 和PLC 相连可以将其数据等显示在屏幕上， 开展故障检修、 数据监控的目的。 本设计中S7-1200 和HMI 屏选用以太网通信，使用TCP 协议。HMI 添加后需要在设备组态中进行组网设置，切记HMI 触摸屏和S7-1200 以及PN/PN COUPLE 需在相同的IP 网段并且不同的IP 地址。 HMI 触摸屏示意图如图10 所示。

图10 HMI 触摸屏示意图

3 系统验证

本设计安装于实际的应用环境， 通过TIA 软件中的Traces 功能进行实时监测以及上位机记录的数据交互日志，经过分析发现实际中单次数据传输，从外部系统到安检系统30ms 即可完成。 本设计数据传输快速、正确以及稳定， 可以实现高强度长时间工作的需求，TRACE 曲线示意图如图11 所示，上位机日志截图如图12 所示。

图11 TRACE 曲线示意图

图12 上位机日志截图

4 结束语

本设计介绍了S7-1200 在安检系统中的应用与设计， 通过PROFINET IO 连接外部系统的西门子PLC，通过以太网方式连接内部安检系统的上位机，实现了报文的通信、逻辑指令的控制以及状态实时监控。 经过实际应用环境中的大量数据测试， 报文通信实时并且稳定，控制信号正确无误。 说明了此设计方式的合理性，为以后同类型场景、不同类型设备的应用提供了有价值的模型参考。