基于Winsock控件實現(xiàn)PLC網(wǎng)絡通信控制設計方法

      在工業(yè)控制中，用PLC控制的工程在上/下位機通訊上一般采用RS-232/RS-485串口通訊，這種方法對于數(shù)據(jù)量較大，通訊距離較遠，實時性要求高的控制系統(tǒng)，很難滿足通訊需要。
        近年來隨著計算機網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展,網(wǎng)絡化數(shù)控已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢, 控制系統(tǒng)正向虛擬化、網(wǎng)絡化、集成化、分布化和節(jié)點智能化的方向發(fā)展。[1]許多大型PLC廠商生產(chǎn)的PLC都配備了相應的以太網(wǎng)通信模塊，本文討論了OMRON PLC的以太網(wǎng)通信體系結(jié)構(gòu)，并以CP1H PLC的ENT2l以太網(wǎng)模塊為例實現(xiàn)與計算機的通信。
        1. Winsock網(wǎng)絡通信控件
        Winsock控件是不可視控件，使編程人員開發(fā)客戶/服務器應用程序時，不必了解TCP的細節(jié)或調(diào)用低級的Winsock API函數(shù)，只通過設置Winsock控件的屬性并調(diào)用其方法，就可直接連接到一臺遠程計算機進行，并可實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換。
        WinSock主要支持兩種類型的套接字:①流式套接字（Stream Socket）也稱面向連接方式,該方式對應的是TCP協(xié)議,其傳輸特點是通信可靠性高,可以保證數(shù)據(jù)流的傳輸是可靠的、有序的、無重復的,可提供雙向的數(shù)據(jù)流,數(shù)據(jù)被看作字節(jié)流,無長度限制。②數(shù)據(jù)報套接字（Datagram Socket）又稱無連接方式,對應的是UDP協(xié)議,這種方式不提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性、有序性和無重復性CONTROL ,因為它支持面向記錄的數(shù)據(jù)流。因此,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能丟失和重復,并且接收順序混亂,報文長度是有限的?？紤]到本系統(tǒng)對通信可靠性和正確性的要求很高,選用流式套接字方式。基于Client/Server模式的流式套接字通訊過程如圖1所示。
 

        圖1 流式套接字進程通訊過程時序圖

        2.Ethernet網(wǎng)絡通信單元的設置
        在組建網(wǎng)絡時，根據(jù)網(wǎng)絡類型的不同，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點需要安裝相應的通信單元，PLC上需安裝Ethernet網(wǎng)絡通信模塊，例如0MR0N公司的CJ1W—ETN21以太網(wǎng)模塊。應用之前必需對網(wǎng)絡進行必要的設置，分為開關設置和CPU總線單元系統(tǒng)設置。
        開關設置主要包括以下幾項內(nèi)容：確定分配給CJ1W—ETN21單元的內(nèi)存工作區(qū)（CIO區(qū)、DM區(qū)），該地址在CPU總線區(qū)，由UNIT No.開關確定ETN單元的單元號范圍為0～F;NODE No.旋轉(zhuǎn)開關設定兩組l6進制數(shù)作為ETN單元在網(wǎng)絡中的節(jié)點號，范圍為O1～7E;IP地址設置網(wǎng)絡號和主機節(jié)點號，由32位二進制數(shù)組成，分4段以十進制數(shù)表示。
        CPU總線單元設置主要通過編程設備如CX—Programmer軟件或編程器對網(wǎng)絡單元進行模式、本地IP地址、子網(wǎng)掩碼、FINS端口號、FTP登錄名及口令和IP路由器表等項進行設定。若使用FINS/TCP協(xié)議，則還需在以太網(wǎng)單元設置中修改FINS/TCP項的部分參數(shù)控制工程網(wǎng)版權所有，如：自動分配的FINS節(jié)點號、是否保持激活等項。
        3.面向上位計算機的通信協(xié)議
        如圖2所示，以太網(wǎng)的分層模型分為物理層（Physical Layer）、網(wǎng)際層（Internet Layer）、傳輸層（Transpot Layer）和應用層（Application Layer）。其中：傳輸層可使用無連接的UDP或需建立連接的TCP協(xié)議;應用層為FINS（Factory Interface Network Service）協(xié)議，F(xiàn)INS協(xié)議是由OMRON公司開發(fā)的用于工廠自動化控制網(wǎng)絡的指令響應系統(tǒng)。主要規(guī)定對PLC存儲空間的數(shù)據(jù)讀寫等操作方法。應用層使用FINS協(xié)議，傳輸層使用TCP協(xié)議的通信實現(xiàn)方法稱為FINS/TCP方法

        圖2 網(wǎng)絡的分層結(jié)構(gòu)

        FINS協(xié)議包含指令系統(tǒng)和響應系統(tǒng)，其命令幀格是由FINS報頭、指令代碼、響應代碼和正文等幾部分組成。從上位計算機發(fā)出的指令和響應必須符合下面幀的格式要求，并提供合適的FINS報頭信息。[3-4]FINS通信服務是通過FINS命令幀和它們對應的響應幀交換實現(xiàn)的。
        FINS命令/響應幀格式如圖3所示。FINS/TCP header中規(guī)定了五種命令用于客戶機（host computer）與服務器（PLC）之間通信：發(fā)送客戶機節(jié)點地址（node address）;（2）發(fā)送服務器節(jié)點地址
（node address）;（3）發(fā)送Fins frame;（4）Fins frame發(fā)送出錯通知;（5）客戶機與服務器聯(lián)機確認。

        圖3 FINS命令/響應幀格式

        4.通信程序的具體實現(xiàn)
        在新建VB工程后，需要執(zhí)行VB工具欄“工程/部件” 命令www.cechina.cn，將Winsock控件添加到工程中， 并命名為“WskClient”。程序采用TCP/IP協(xié)議進行通信，其主要屬性設定如下：
        With WskClient
        .Protocol = sckTCPProtocol ‘采用TCP/IP協(xié)議
        .LocalPort = 9600 ‘本地計算機端口號
        .RemoteHost = txtIP.Text ‘取得遠程PLC的IP地址
        .RemotePort = txtPort.Text ‘遠程PLC端口號
        .Bind 9600 ‘指定使用的本地端口
        End With
        初始化工作完成后向PLC提出連接請求，待PLC接受請求并發(fā)送應答信息后，客戶端程序依照各種幀格式建立好要發(fā)送的信息幀，就可以與PLC進行雙向的數(shù)據(jù)交流了。在這一過程中控制工程網(wǎng)版權所有，可建立發(fā)送失敗后的重發(fā)機制，以增強通信的可靠性。
        首先控制工程網(wǎng)版權所有，建立并發(fā)送“握手信息”指令（20字節(jié)），指明客戶機節(jié)點號;當計算機接收到PLC返回幀（24字節(jié)）后，檢查PLC是否收到命令
控制工程網(wǎng)版權所有
，并取得服務器和客戶機節(jié)點號。當計算機接收到PLC返回的數(shù)據(jù)時
控制工程網(wǎng)版權所有
，會產(chǎn)生DataArrival事件，參數(shù)BytesTotal包含接收到的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。在DataArrival事件中，可以調(diào)用GetData方法接收數(shù)據(jù)。如果接收到Close事件，則用Close方法關閉連接。另外，可用Winsock的State屬性來反映當前TCP/IP的連接狀態(tài)。這里僅列舉主要程序如下：
        ‘向服務器請求連接
        WskClient.Connect
        TimeDelay 100
        Do
        DoEvents
        Loop Until WskClient.state=sckConnected
        ‘建立并發(fā)送FINS命令幀
        Private Sub SendData_Click（）
        ReDim SendData （19） As Byte
        SendData （0） = &H46‘FINS命令幀報頭的第1個字節(jié)
&n
bsp;       ……
        WskClient.SendData SendData（） ‘發(fā)送FINS命令幀
        End Sub
        ‘接收PLC響應幀，并分析數(shù)據(jù)
        Private Sub WskClient_DataArrival（ByVal bytesTotal As Long）
        Dim i As Integer
        ReDim ArriveData（bytesTotal） As Byte
        wsk.GetData ArriveData
, vbArray + vbByte, bytesTotal
        ‘接收數(shù)據(jù)，保存在ArriveData數(shù)組中
        For i = 0 To bytesTotal - 1
        txtArData.Text = txtArData.Text & " " & ArriveData （i）
        Next i
        ……‘其它數(shù)據(jù)處理
        If ArriveData（7） <> 16 Then
        MsgBox“接收信息丟失“
        ElseIf SendData（19）= ArriveData （bytesTotal-5） Then
        MsgBox“節(jié)點地址錯誤“
        End If
        End If
        在接收信息后,當PLC收到傳輸過去的信息后,會將對應的命令反饋值傳回,這個事件程序內(nèi)的程序?qū)⑺@示在文本框中,還可作進一步處理。主程序流程圖如圖4所示。

        圖4 程序流程圖

        若采用UDP協(xié)議，則通信的基本過程與TCP相同，只是不需要建立連接。此外,UDP應用程序可以是客戶機,也可以是服務器控制工程網(wǎng)版權所有,而不必象TCP應用程序那樣必須分別建立客戶機程序和服務器程序。由于UDP在傳輸數(shù)據(jù)報前不用在客戶和服務器之間建立一個連接，且沒有超時重發(fā)等機制，故而傳輸速度很快。因此如果網(wǎng)絡中設備不是很多，且發(fā)送數(shù)據(jù)量不大時，可選擇耗費計算機“資源”更小的UDP協(xié)議進行通信。
        5.結(jié)束語
        采用Winsock控件實現(xiàn)的上位機以太網(wǎng)通信程序，已成功應用于數(shù)字小樣并條機監(jiān)控系統(tǒng)中，該法簡單實用,在不追加投資的情況下,實現(xiàn)車間設備 的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實時監(jiān)控的功能，達到了理想的效果。而且以VB作為監(jiān)控軟件的開發(fā)平臺，軟件的二次開發(fā)不受限制，節(jié)約成本控制工程網(wǎng)版權所有，并可根據(jù)需要隨時對程序進行升級。為實現(xiàn)對控制系統(tǒng)進行有效的信息管理與監(jiān)控，基于以太網(wǎng)的PLC控制系統(tǒng)必將有更為廣泛的應用，本文的論述對解決這類問題提供了一定參考價值。