上海西邑電氣技術(shù)有限公司
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0．前言
西門子SIMATIC S7家族中的控制器按照應(yīng)用場合、性能等分為S7-1200、S7-200、S7-300、S7-400等各種不同的系列。而每一系列中又細(xì)分不同的型號，例如，S7-400系列中有S7-412、S7-414、S7-416、S7-417等型號。不同系列、不同型號的控制器對應(yīng)不同的控制性能（運(yùn)算速度、內(nèi)存容量等）。本文基于S7-400系列控制器，詳細(xì)介紹內(nèi)存的類型、分配情況及實(shí)際使用過程中可能的內(nèi)存優(yōu)化方法。
1．內(nèi)存類型
S7-400型控制器的內(nèi)存按照功能的不同，可以分為：
√ 系統(tǒng)內(nèi)存（System Memory）--- 控制器的自身功能（M、T、C等）
√ 工作內(nèi)存（work Memory）--- 用于運(yùn)行程序；
√ 裝載內(nèi)存（Load Memory）--- 用于裝載程序；
其中，工作內(nèi)存部分又可以細(xì)分為：
√ 代碼工作內(nèi)存（Code Memory）--- 用于運(yùn)行程序的代碼部分；
√ 數(shù)據(jù)工作內(nèi)存（Data Memory）--- 用于運(yùn)行程序的數(shù)據(jù)部分；
S7-400型控制器的內(nèi)存按照集成方式的不同，可以分為：
√ 集成內(nèi)存（Integrated）--- 直接集成在控制器內(nèi)部隨控制器一起提供，無需額外訂購；
√ 擴(kuò)展內(nèi)存（Expanded）--- 通過擴(kuò)展存儲卡的方式擴(kuò)展提供，需要額外訂購；
一般情況下，控制器的工作內(nèi)存不可擴(kuò)展，而裝載內(nèi)存則可以通過FEPROM或RAM的方式進(jìn)行擴(kuò)展。如果希望和集成的RAM裝載內(nèi)存無縫擴(kuò)展使用，則擴(kuò)展的裝載內(nèi)存必須選用RAM類型。下圖為CPU 412的性能參數(shù)示例。
圖 1 CPU 412的性能參數(shù)示例
控制器內(nèi)存信息也可參考如下鏈接內(nèi)容：
22610157
2．內(nèi)存分配
控制器內(nèi)存詳細(xì)分配情況如下表所示。#
| 內(nèi)存類型 | 內(nèi)容 | 注釋信息 |
| 裝載內(nèi)存 | 系統(tǒng)數(shù)據(jù)/System Data | 硬件組態(tài)數(shù)據(jù) |
| 程序塊/Program Blocks | 程序塊 | |
| (FBs,FCs,OBs,Symbols1),Comments1)) | ||
| 工作內(nèi)存 | 數(shù)據(jù)塊/Data Blocks | 數(shù)據(jù)塊 (DBs) |
| （數(shù)據(jù)部分） | 系統(tǒng)數(shù)據(jù)/System Data | 硬件組態(tài)信息，非裝載內(nèi)存中的全部硬件組態(tài)數(shù)據(jù) |
| SFC動態(tài)創(chuàng)建的DB塊/DBs Created by SFC | 通過SFC21/22等動態(tài)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)塊 | |
| 本地?cái)?shù)據(jù)/Local Data | 各優(yōu)先級中斷所需的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲區(qū) | |
| 工作內(nèi)存 | 邏輯功能塊/Logic Blocks | 邏輯功能塊 (FBs,FCs) |
| （代碼部分） | 通信數(shù)據(jù)緩沖/Communication Data Buffer2) | 通信功能所需的臨時(shí)緩沖區(qū)（動態(tài)分配） |
| 通信作業(yè)數(shù)據(jù)/Communication jobs Data ( 72字節(jié)/每作業(yè)) | 通信功能塊占用的通信作業(yè)數(shù)據(jù)區(qū) | |
| 輸入輸出映像區(qū)/PII/PIQ (12字節(jié)/每映像區(qū)字節(jié)) | 輸入/輸出過程映像區(qū)所占用的數(shù)據(jù)空間 | |
| 診斷緩沖區(qū)/Diagnostic Buffer ( 32 字節(jié)/每記錄) | CPU診斷消息 | |
| 系統(tǒng)內(nèi)存 | M區(qū)間、定時(shí)器T、計(jì)數(shù)器C | M存儲區(qū)間、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器存儲區(qū)間 |
| 功能塊/中斷堆棧 | 堆棧區(qū)級通信/診斷/本地?cái)?shù)據(jù)緩沖區(qū) |
表格 1 控制器內(nèi)存分配祥表
1).通過 PLC?Save to Memory Card (EPROM)菜單才會下載到裝載內(nèi)存中
2).運(yùn)行時(shí)動態(tài)分配
實(shí)際應(yīng)用過程中，當(dāng)前控制器的內(nèi)存占有率及分配情況可以通過控制器在線信息? Memory頁面查詢到，如下圖所示。
圖 2 控制器內(nèi)存在線分配情況
從該圖中可以看到內(nèi)存被劃分為四個(gè)部分：Load Memory RAM（裝載內(nèi)存RAM）、Load Memory EPROM（裝載內(nèi)存EPROM）、Work Memory Code（工作內(nèi)存Code）和Work Memory Data（工作內(nèi)存Data）。每個(gè)部分的實(shí)際占用狀況可以通過下側(cè)的Free（空閑內(nèi)存）、Assigned（已分配內(nèi)存）、Total（總內(nèi)存）、Largest Free Block（zui大連續(xù)空閑內(nèi)存空間）和Max. Pluggable（zui大可安插內(nèi)存量）看到。而每個(gè)部分詳細(xì)的內(nèi)部分配情況可以通過選擇相應(yīng)內(nèi)存列后，點(diǎn)擊右側(cè)的Details Memory Area按鈕查詢到，如下圖所示。
圖 3 裝載內(nèi)存詳細(xì)分配情況
圖 4 工作內(nèi)存 Code部分詳細(xì)分配情況
圖 5 工作內(nèi)存Data部分詳細(xì)分配情況
3．內(nèi)存優(yōu)化
根據(jù)上述介紹的內(nèi)容可以查看到實(shí)際控制器內(nèi)存的分配和使用情況，同時(shí)在項(xiàng)目組態(tài)階段，也可以參考表格1中的內(nèi)容，按照如下方式計(jì)算、檢查各部分的內(nèi)存需求情況，并對其進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。
3.1 用戶程序內(nèi)存需求
在Simatic Manager中右鍵點(diǎn)擊Blocks文件夾? Object Properties可以打開如下對話框，切換到Blocks頁即可查詢當(dāng)前用戶程序的內(nèi)存需求情況。
圖 6 用戶程序內(nèi)存需求情況
從上圖中可以看到，用戶程序所需裝載內(nèi)存為5354 bytes，系統(tǒng)數(shù)據(jù)（硬件組態(tài)）所需裝載內(nèi)存為7616 bytes，總和為12970 bytes，和CPU在線內(nèi)存分配情況吻合（見上圖 3 裝載內(nèi)存詳細(xì)分配情況中l(wèi)oad objects所示）。用戶程序所需工作內(nèi)存代碼部分為2682 bytes，所需工作內(nèi)存數(shù)據(jù)部分為630 bytes，和CPU在線內(nèi)存分配情況吻合（見上圖 4 工作內(nèi)存 Code部分詳細(xì)分配情況中l(wèi)ogic blocks部分所示和上圖 5 工作內(nèi)存Data部分詳細(xì)分配情況中data blocks部分所示）。
3.2 工作內(nèi)存數(shù)據(jù)部分? 本地?cái)?shù)據(jù)內(nèi)存需求
控制器中的本地?cái)?shù)據(jù)區(qū)用于存儲各優(yōu)先級中斷運(yùn)行的程序所需的臨時(shí)數(shù)據(jù)，這部分存儲空間是在控制器啟動初始化時(shí)完成預(yù)留分配。各功能塊所需的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲區(qū)大小可以通過功能塊屬性? General Part2中的Local data查詢到，如下圖所示。
圖 7 功能塊所需本地?cái)?shù)據(jù)大小
控制器中按照中斷的優(yōu)先級的方式分配本地?cái)?shù)據(jù)的大小，通過CPU的屬性對話框? Memory中設(shè)置，下圖所示本地?cái)?shù)據(jù)離線設(shè)置為8192 bytes，與上圖 5 工作內(nèi)存Data部分詳細(xì)分配情況中在線的Local data分配吻合。
離線程序中實(shí)際所需的本地?cái)?shù)據(jù)可以參考如下連接文檔進(jìn)行計(jì)算：
80027837
按照實(shí)際程序所需的本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行下圖8所示的Local data的設(shè)置，可以優(yōu)化內(nèi)存的分配。
圖 8 CPU本地?cái)?shù)據(jù)分配
3.3 工作內(nèi)存代碼部分? 通信作業(yè)內(nèi)存需求
通信作業(yè)用于實(shí)現(xiàn)控制器和外圍設(shè)備的通信功能，每個(gè)通信作業(yè)在內(nèi)存中需要占用一定的存儲空間，這部分存儲空間是在控制器啟動初始化時(shí)完成預(yù)留分配。離線的通信作業(yè)數(shù)可以參考上圖 8 CPU本地?cái)?shù)據(jù)分配中的Communication resources進(jìn)行設(shè)置。此處為300個(gè)，參考表格1中的數(shù)據(jù)，每個(gè)通信作業(yè)需要分配72 bytes的空間，總共所需300*72 = 21600 bytes，與上圖 4 工作內(nèi)存 Code部分詳細(xì)分配情況中在線的Communication jobs內(nèi)存分配吻合。
PCS 7系統(tǒng)中可以通過Chart reference data的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)查詢到離線程序所需的通信作業(yè)數(shù)，Step 7系統(tǒng)下則只有下載程序后通過上圖4查詢到。查詢到實(shí)際程序所需的通信作業(yè)數(shù)后，預(yù)留一定余量后對圖8進(jìn)行設(shè)置，可以優(yōu)化內(nèi)存的分配。
3.4 工作內(nèi)存代碼部分? 輸入/輸出映像區(qū)內(nèi)存需求
輸入/輸出映像區(qū)為控制器預(yù)留的、用于存儲I/O的映像數(shù)據(jù)的區(qū)間，控制器按照一定的機(jī)制進(jìn)行I/O數(shù)據(jù)的動態(tài)更新，可以優(yōu)化程序讀取I/O的速度和性能。PCS 7中要求必須基于映像區(qū)的方式進(jìn)行I/O信號的讀取，冗余控制系統(tǒng)中也要求基于映像區(qū)的方式進(jìn)行I/O信號的讀取。這部分存儲空間是在控制器啟動初始化時(shí)完成預(yù)留分配。
通過CPU的屬性對話框? Cycle/Clock Memory頁面進(jìn)行設(shè)置，如下圖所示。
圖 9 CPU過程映像區(qū)分配
此處為1000 Process image input/1000 Process image output，參考表格1中的數(shù)據(jù)，每個(gè)映像區(qū)字節(jié)需要分配12 bytes的空間，總共所需1000*12 = 12000 bytes輸入/輸出，與上圖 4 工作內(nèi)存 Code部分詳細(xì)分配情況中Process-image inputs、Process-image outputs內(nèi)存分配吻合。
實(shí)際程序中所需的映像區(qū)范圍可以通過I/O卡件的地址范圍查詢到，查詢到實(shí)際程序所需的映像區(qū)范圍后，預(yù)留一定余量后對圖9進(jìn)行設(shè)置，可以優(yōu)化內(nèi)存的分配。
圖 10 查詢I/O地址范圍
如上圖紅色標(biāo)識所示，輸入地址為0~515，則輸入映像區(qū)范圍zui小設(shè)置為516字節(jié)，輸出地址為0~515，則輸出映像區(qū)范圍zui小設(shè)置為516字節(jié)。
注：地址范圍查詢時(shí)不用關(guān)心上圖10中Type列中帶*的輸入地址（卡件診斷地址）。此外圖9中的映像區(qū)范圍必須設(shè)置為偶數(shù)。
3.5 工作內(nèi)存代碼部分? 診斷緩沖區(qū)內(nèi)存需求
診斷緩沖區(qū)用于存儲CPU在線的診斷信息，以便用于診斷維護(hù)等。CPU在線信息中的Diagnose buffer即為此處所說的診斷緩沖區(qū)。這部分存儲空間是在控制器啟動初始化時(shí)完成預(yù)留分配。
圖 11 CPU在線診斷信息
通過CPU的屬性對話框? Diagnostics/Clock頁面進(jìn)行設(shè)置，如下圖所示。
圖 12 CPU 診斷緩沖區(qū)設(shè)置
此處為120條，參考表格1中的數(shù)據(jù)，每條消息需要分配32 bytes的空間，總共所需120*32 = 3840 bytes，與上圖 4 工作內(nèi)存 Code部分詳細(xì)分配情況中Diagnose buffer內(nèi)存分配吻合。該消息存儲區(qū)間為Ring型存儲區(qū)間，如果消息條數(shù)充滿，例如，此處120條，則系統(tǒng)將用新的消息覆蓋zui老的消息。根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置范圍：zui大3200條，zui小100條。越大存儲的消息越多、時(shí)間越長。
4．總結(jié)
參考上述內(nèi)容對CPU相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以大大優(yōu)化控制的內(nèi)存分配。此處需要注意的是，上述大部分控制器參數(shù)設(shè)置均需要停機(jī)下載，因此建議在項(xiàng)目實(shí)施初期，控制器可以停機(jī)的情況下進(jìn)行。
