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.dbd

s7-1215c_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

< envPaths

cd "${TOP}"

## Register all support components
dbLoadDatabase "dbd/s7-1215c.dbd"
s7_1215c_registerRecordDeviceDriver pdbbase

drvAsynIPPortConfigure("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