摘 要：通過數據監視，分析的方法，找出了PPI協議的關鍵報文格式，可用于上位機、現場設備與S7-200 CPU之間通訊。 關鍵字：PLC ，PPI ，協議 1 前言 西門子S7-200 PLC之間或者PLC與PC之間通信有很多種方式:自由口，PPI方式，MPI方式，Profibus方式。使用自由口方式進行編程時，在上位機和PLC中都要編寫數據通信程序。使用PPI協議進行通信時，PLC可以不用編程，而且可讀寫所有數據區，快捷方便。但是西門子公司沒有公布PPI協議的格式。用戶如果想使用PPI協議監控，必須購買其監控產品或第三方廠家的組態軟件。這樣給用戶自主開發帶來一定困難，特別是自行開發的現場設備就不能通過PPI協議接入PLC。其它通訊方式編程也存在編程復雜，需要購買軟件和授權等局限性（1）。通過數據監視、分析的方法，我們找出了PPI協議的關鍵報文格式，可用于上位機、現場設備與S7-200 CPU之間通訊。 2 分析方法 西門子的Step 7 Micro/Win32 是用于S7-200系列PLC的開發工具，它使用PC機上的COM口通過一條PC/PPI編程電纜連到PLC的編程口上。這說明，PC實際上是可以通過串口同S7-200 CPU通訊。只是我們不知道通訊協議而已。通過截獲PC機串口上的收發數據，對照Step 7軟件發出的指令，我們就有可能分析出有關指令的報文和通訊方式；然后，直接通過串口向PLC發送報文，以驗證這些指令報文是否正確。本著這一思想，我們采用以下步驟獲得這些報文。 首先制作一個串口的分支器，COM1的RX、TX分別接到COM2的TX、RX，即交叉接線，使得COM1發的數據COM2能收到。PC/PPI編程電纜接在COM1上，這樣，Step7 Micro/Win32發給PLC的報文就可以在COM2上接收了。我們按S7-200系統手冊設置好兩個串口，參數要一樣，均為9600，8，偶校驗，1位停止位。然后設置好Step7軟件，使之能與S7-200 CPU正常通訊。從Step7軟件中發出一個明確指令，COM2上的監視軟件就能顯示這條報文了（用16進制顯示）。通過與Profibus標準的類比（2）我們就可以得到一些關鍵的報文了。這種方法比分析PLC中NETR，NETW指令要直接、全面（3）。 3 PPI協議分析 PC與PLC采用主從方式通訊，PC按如下的格式發讀寫指令，PLC作出接收正確的響應（返回應答數據E5H或F9H見下文分析），上位機接到此響應則發出確認命令（10 02 5C 5E 16），PLC再返回給上位機相應數據。 SD LE LEr SD DA SA FC DSAP SSAP DU FCS ED SD:開始符（68H） LE、Ler：長度（從DA到DU） DA：目的地址 SA：源地址 FC：功能碼 （6CH） DSAP：目的服務存取點 SSAP：源服務存取點 DU：數據單元 FCS：校驗和 ED：結束符（16H） 3.1 讀命令分析 一次讀一條數據 對于一次讀取一個數據，讀命令都是33個字節。前面的0—21字節是相同的，為 ： 68 1B 1B 68 02 00 6C 32 01 00 00 00 00 00 0E 00 00 04 01 12 0A 10 因為是PC上發的讀PLC數據的命令，SA=00，DA=02，如果有多個站，DA要改成相應的站號。讀命令中從DA到DU的長度為1B即27個字節。從22字節開始根據讀取數據的類型、位置不同而不同。表一是讀不同存儲器命令的Byte22—32。 字節 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 功能 讀取長度 數據個數＊ 存儲器類型 偏移量 校驗 結束 讀q0.0 01 00 01 00 00 82 00 00 00 64 16 讀m0.0 01 00 01 00 00 83 00 00 00 65 16 讀M0.1 01 00 01 00 00 83 00 00 01 66 16 讀SMB34 02 00 01 00 00 05 00 01 10 F9 16 讀VB100 02 00 01 00 01 84 00 03 20 8B 16 讀VW100 04 00 01 00 01 84 00 03 20 8D 16 讀vd100 06 00 01 00 01 84 00 03 20 8F 16 讀i0.5 01 00 01 00 00 81 00 00 05 68 16" 讀i0.7 01 00 01 00 00 81 00 00 07 6A 16" 表 一 讀命令的Byte22-32 從表中我們可以得出以下結果： Byte 22 讀取數據的長度 01：1 Bit 02：1 Byte 04：1 Word 06：Double Word Byte 24數據個數,這里是01 ，一次讀多個數據時見下面的說明。 Byte 26 存儲器類型，01：V存儲器 00：其它 Byte 27 存儲器類型 04：S 05：SM 06：AI 07：AQ 1E: C 81：I 82：Q 83：M 84：V 1F: T Byte 28,29,30存儲器偏移量指針（存儲器地址＊8），如：VB100，存儲器地址為100，偏移量指針為800,轉換成16進制就是320H,則Byte 28—29這三個字節就是：00 03 20。 Byte 31 校驗和，前面已說到這是從（DA+SA+DSAP+SSAP+DU） Mod 256 。 一次讀多條數據 對于一次讀多個數據的情況，前21Byte與上面相似只是長度LD，LDr及Byte 14不同： Byte 14 數據塊占位字節，它指明數據塊占用的字節數。與數據塊數量有關，長度=4+數據塊數＊10,如：一條數據時為4+10=0E（H）；同時讀M,V,Q三個不同的數據塊時為4+3＊10=22（H）。 Byte 22 總是02 即以Byte為單位。 Byte 24 以字節為單位，連續讀取的字節數。如讀2個VD則Byte24=8 Byte 19——-30 按上述一次讀一個數據的格式依次列出， Byte 31——-42 另一類型的數據，也是按上述格式給出。 以此類推，一次最多讀取222個字節的數據。 3.2 寫命令分析 一次寫一個Double Word類型的數據，寫命令是40個字節，其余為38個字節。 寫一個Double Word類型的數據，前面的0—21字節為 ： 68 23 23 68 02 00 6C 32 01 00 00 00 00 00 0E 00 00 04 01 12 0A 10 寫一個其它類型的數據，前面的0—21字節為 ：（與上面比較，只是長度字節發生變化） 68 21 21 68 02 00 6C 32 01 00 00 00 00 00 0E 00 00 04 01 12 0A 10 從22字節開始根據寫入數據的值和位置不同而變化。表二是幾個寫命令的Byte22—40。 字 節 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 寫入位置及值 長度 個數 類型 偏移量 位數 值、校驗碼、結束符 M0.0=1 01 00 01 00 00 83 00 00 00 00 03 00 01 01 00 71 16 M0.0=0 01 00 01 00 00 83 00 00 00 00 03 00 01 00 00 70 16 M0.1=1 01 00 01 00 00 83 00 00 01 00 03 00 01 01 00 72 16 vb100=10 02 00 01 00 01 84 00 03 20 00 04 00 08 10 00 AE 16 vb100=FF 02 00 01 00 01 84 00 03 20 00 04 00 08 FF 00 9D 16 VW100=FFFF 04 00 01 00 01 84 00 03 20 00 04 00 10 FF FF A6 16 VD100=FFFFFFFF 06 00 01 00 01 84 00 03 20 00 04 00 20 FF FF FF FF B8 16 表二 寫命令的Byte22—40 經分析我們可以得出以下結果： Byte 22—— Byte 30 寫入數據的長度、存儲器類型、存儲器偏移量與讀命令相同。T，C等不能用寫命令寫入。 Byte 32 如果寫入的是位數據這一字節為03，其它則為04 Byte 34 寫入數據的位數 01: 1 Bit 08: 1 Byte 10H: 1 Word 20H: 1 Double Word Byte 35——40值、校驗碼、結束符 如果寫入的是位、字節數據，Byte35就是寫入的值，Byte36=00，Byte37=檢驗碼，Byte38=16H，結束。如果寫個的是字數據（雙字節），Byte35,Byte36就是寫入的值， Byte37=檢驗碼，Byte38=16H，結束。如果寫個的是雙字數據（四字節），Byte35—38就是寫入的值， Byte39=檢驗碼，Byte40=16H，結束。 3.3 其它命令分析 強制寫入 I、Q、S 等不能使用上述的寫命令寫入數據，只能用強制寫入的方式。 前0—35字節值如下（長度字段要根據實際情況而定）,需要注意的是Byte8=07, 68 2B 2B 68 02 00 6C 32 07 00 00 00 00 00 0C 00 12 00 01 12 08 12 48 0B 00 00 00 00 00 FF 09 00 0E 00 01 10 后面的內容如下： Byte 32 占位字節，從下一字節開始到校驗和前的字節數。說明同讀數據的Byte 14. Byte 36 強制寫入數據的長度 01：1 Bit 02：1 Byte 04：1 Word 06：Double Word Byte 38 數據個數,這里是01 ，一次強制寫多個數據時見下面的說明。 Byte 40 存儲器類型 Byte 41 存儲器類型，見讀命令的說明。 Byte 42、43、44存儲器偏移量指針（存儲器地址＊8） Byte 45、46、47、48 值、校驗碼、結束符 取消強制寫 強制寫入I、Q 等后，這些值就不能被程序改變，除非使用”取消強制命令”。 取消強制命令的格式與強制寫入相似，變化的有以下幾點：（1）是沒有”值”這一段，即沒有Byte45—48。這影響到長度字節LE，LEr；占位字節Byte 32.（2）Byte16=10H, （3） Byte32=0CH，也就是第一條，沒有”值”這一段，數據塊長度變短了。 對于一次強制寫入或取消多個數據的情況可以參照寫入命令寫出相應的報文，這里不再給出。 STOP命令 STOP命令使得S7-200 CPU從RUN狀態轉換到STOP狀態（此時CPU模塊上的模式開關開應打在RUN或TERM位置）。PC發出如下命令，PLC返回F9，此時PLC已進入等待狀態，PC再發確認報文（10 02 5C 5E 16）,完成一個命令過程。 68 1D 1D 68 02 00 6C 32 01 00 00 00 00 00 10 00 00 29 00 00 00 00 00 09 50 5F 50 52 4F 47 52 41 4D AA 16 RUN 命令 RUN命令使得S7-200 CPU從STOP狀態轉換到RUN狀態（此時CPU模塊上的模式開關開應打在RUN或TERM位置）。PC發出下命令，PLC返回F9，此時PLC已進入運行狀態，PC再發確認報文（10 02 5C 5E 16），完成一個命令過程。 68 21 21 68 02 00 6C 32 01 00 00 00 00 00 14 00 00 28 00 00 00 00 00 00 FD 00 00 09 50 5F 50 52 4F 47 52 41 4D AA 16 3.4 讀出數據分析 一次讀出一條數據 PLC響應的數據也是用PPI封裝的。如果用一次讀一條數據命令，響應的報文中就只包含一條數據，此響應報文的Byte16<=8。 Byte 04：DA=00 Byte 05：SA=02 即從02 PLC站發往PC。 Byte 16：數據塊占位字節，從Byte21到校驗和前的字節數。 一條數據時：Word=06 Double Word=08 其它為 05。 Byte 22：數據類型，位=3，其它=4。 Byte 24：數據寬度，Bit=01,Byte=08,Word=10H,Double Word=20H Byte 25—28：值。 如果網絡上只可能有一個站會發回響應報文，那么可以簡單的根據LE長度字節判斷返回值的位置：LE=16H，返回值是字節，或位類型的值，響應報文的Byte 25即是返回值；LE=17H，返回值是字（雙字節）類型的值，響應報文的Byte 25，26即是返回值；LE=19H，返回值是雙字（四字節）類型的值，響應報文的Byte 25—28即是返回值。更準確的方式是要根據返回報文的SA，DA，及存儲器位置等信息識別目標地址和源地址，確認是這次申請的返回數據，然后經過校驗檢查，得到正確的數據。 一次讀出多條數據 如果用的是一次讀多條數據的命令，響應的報文中就包含有多條數據。這些數據只有類型參數，沒有偏移量參數，所以要注意根據讀命令的順序將其一一對應起來。 Byte 16：數據塊占位字節，從Byte21到校驗和前的字節數，與數據塊數量和類型有關。 Byte 20：數據塊的個數。 Byte 21 開始為數據塊，每一個數據塊都以FF 04開始，接下來的兩個字節表示這一數據塊的長度，以位計算，然后依次是連續的數據。下一個數據塊也是以FF 04開始，重復上述格式，直到結束。 4 應用 PC與與PLC通訊 在采用PC機與PLC通訊時，計算機采用PPI電纜或普通的485串口卡與PLC的編程口連接， PC機采用VB編程，遵循PPI協議，主從式的通訊方式，一次讀寫操作的步驟包括：首先上位機發出讀寫命令，PLC作出接收正確的響應（返回應答數據E5H），上位機接到此響應則發出確認命令（10 02 5C 5E 16），PLC完成正確的讀寫響應，返回給上位機相應數據。這樣收發兩次數據，完成一次數據的讀寫。那么我們就可以利用上述PPI協議，讀寫S7-200PLC中的各種類型數據，包括I、Q、SM、M、V、T、C、S等數據類型，能夠直接讀出以上變量中的位、字節、字、雙字等，（其中讀位變量時，實際是讀取該位所在的字節值）。可以改變PLC的運行狀態（RUN/STOP）。 在編程時，最好將讀取的檢測值、輸出值等數據，存放在PLC的一個連續的變量區中，當上位機讀取PLC的數據時，就可以一次讀出這組連續的數據，減少數據的分次頻繁讀取。當修改設定值等數據時，進行寫數據的通訊操作。 現場設備與PLC通訊 利用PPI協議除了能與上位機（PC）通訊外，更重要的是為現場設備與S7-200CPU之間的通訊提供了捷徑。自行開發的設備可以方便的利用PPI協議通過485/232接口接入S7-200CPU，聯入PLC的網絡，包括控制面板，采集器等。 5 總結 通過分析STEP7 Micro/win32軟件與S7-200CPU的通訊數據，我們得到了西門子PPI協議的關鍵報文格式，這一結果對工程實踐具有較高的參考價值。在不使用西門子或其它組態軟件的情況下，利用分析得到的PPI協議實現了上位機對PLC的監控。現場設備與PLC通訊方面的工作正在進行中。另外這種對通訊端口進行監測、分析的方法也對一些未知協議的測定和通訊錯誤的檢查具有指導意義。 參考資料 1. 周曉平, 姜建芳, 蘇少鈺, 陳迅. S7-200系列PLC與監控計算機通信實現的研究. 微計算機信息 2004;1. 2. SIEMENS. SIMATIC S7-200可編程序控制器 系統手冊. 02 ed, 2000. 3. 郝莉, 王東興. PROFIBUS從站與S7-200PLC的通訊研究. 北京機械工業學院學報（綜合版） 2000;15