基于FINS協(xié)議的OMRON PLC與上位機(jī)以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)

0 引言
    在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，可編程邏輯控制器(PLC)作為常用的現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，上位機(jī)作為數(shù)據(jù)采集及人機(jī)界面的一種已經(jīng)得到廣泛使用。過去，在工程項(xiàng)目開發(fā)中，PLC和上位機(jī)間的通信常采用RS-232C或者RS-485串行方式，這種方法很難滿足數(shù)據(jù)量大、通信距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性要求高的控制系統(tǒng)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展、普及與推廣，以太網(wǎng)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，其傳輸速率的提高和交換技術(shù)的應(yīng)用，解決了以太網(wǎng)通信的非確定性問題，使得工業(yè)以太網(wǎng)能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)信息控制領(lǐng)域，也是工業(yè)信息控制未來的發(fā)展趨勢(shì)。
    FINS(factory interface network service)通信協(xié)議是歐姆龍公司開發(fā)的用于工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)的指令／響應(yīng)系統(tǒng)。使用FINS指令可實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)間的無縫通信，包括用于信息網(wǎng)絡(luò)的Etherne(以太網(wǎng))，用于控制網(wǎng)絡(luò)的Controller Link和SYSMAC LINK。通過編程發(fā)送FINS指令，上位機(jī)或PLC就能夠讀寫另一個(gè)PLC數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容，甚至控制其運(yùn)行狀態(tài)，從而簡(jiǎn)化了用戶程序。FINS協(xié)議支持工業(yè)以太網(wǎng)，這就為OMRON PLC與上位機(jī)以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

1 OMRON PLC與上位機(jī)通信方式
    目前，在歐姆龍PLC網(wǎng)絡(luò)組成中，上位機(jī)和PLC的通信可以采用RS232C／485串行通信、Controller Link通信和工業(yè)以太網(wǎng)通信三種方式。它們的主要性能參數(shù)如表1所示。

    文獻(xiàn)[3]介紹了采用RS232C／485串行通信的方案，其通信速率僅為9600b／s，速率較慢，很難適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)據(jù)量大、通信距離較遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性要求較高的控制系統(tǒng)。
    文獻(xiàn)[2]中給出了基于FINS協(xié)議的Controller Link通信的設(shè)計(jì)方案，其最高速率可以達(dá)到2Mb／s，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸距離為500m，硬件上需要在上位機(jī)安裝CLK支持卡，其擴(kuò)展性及應(yīng)用的靈活性沒有工業(yè)以太網(wǎng)好。
    在三種通信方式中，工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)是相當(dāng)明顯的。其傳輸速率可以達(dá)到10／100Mb／s(取決于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境)；兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離可以達(dá)到100m，對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離沒有限制；網(wǎng)絡(luò)內(nèi)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到254個(gè)，可以實(shí)現(xiàn)1(PLC)：N(PC)、N：N、N：1等多種網(wǎng)絡(luò)形式。這些都為構(gòu)架各種規(guī)模的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)提供了有利的條件，具有良好的擴(kuò)展性、實(shí)用性、靈活性。目前使用的上位機(jī)都配有以太網(wǎng)卡，所以上位機(jī)側(cè)無需增加額外的硬件設(shè)備。因此，采用工業(yè)以太網(wǎng)方式對(duì)提高工廠的自動(dòng)化信息控制水平具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 以太網(wǎng)FINS通信
    在以太網(wǎng)FINS通信中，各種數(shù)據(jù)信息是以UDP／IP包或者TCP／IP包的方式在以太網(wǎng)上發(fā)送和接收的。其中，在Internet層遠(yuǎn)程設(shè)備使用的是IP地址，而在應(yīng)用層使用的則是FINS節(jié)點(diǎn)地址。傳輸層中定義了本地UDP或TCP端口號(hào)，它為應(yīng)用層(即FINS通信)提供通信端口，其默認(rèn)設(shè)置為9600。用戶可以根據(jù)實(shí)際情況自行修改，但是在同一網(wǎng)絡(luò)中，各設(shè)備的通信端口號(hào)必須保持一致。圖1 FINS以太網(wǎng)通信協(xié)議模型

    通常以太網(wǎng)通信使用的是IP地址，而在FINS通信中則是使用網(wǎng)絡(luò)號(hào)、節(jié)點(diǎn)號(hào)以及單元號(hào)來對(duì)不同設(shè)備(包括PLC、PC等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備)進(jìn)行地址定義的。這就為不同網(wǎng)絡(luò)之間各種設(shè)備的通信提供了統(tǒng)一的尋址方式。在以太網(wǎng)FINS通信中，歐姆龍的以太網(wǎng)單元一項(xiàng)重要的功能就是能在IP地址和Fins節(jié)點(diǎn)地址之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換方式有自動(dòng)轉(zhuǎn)換、IP地址表和復(fù)合地址表三種方式，其地址轉(zhuǎn)換數(shù)量依據(jù)模塊型號(hào)和轉(zhuǎn)換方式的不同還有相應(yīng)的限制。以太網(wǎng)FINS通信服務(wù)是一種基于UDP／IP的通信方式，稱為FINS／UDP方式，歐姆龍相關(guān)的以太網(wǎng)產(chǎn)品都支持這種方式。此外，CS1W-ETN21和CJ1W-ETN21以太網(wǎng)通信模塊還支持TCP／IP協(xié)議，稱為FINS／TCP方式。
2．1 FI NS／UDP方式
    FINS／UDP方式是一種使用UDP／IP協(xié)議的FINS通信方式。UDP／IP是一種無連接的通信協(xié)議。當(dāng)一條信息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)到另一個(gè)時(shí)，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是沒有明確連接的對(duì)等關(guān)系的。UDP協(xié)議具有較快的傳輸速度，但是數(shù)據(jù)通信的可靠性沒有TCP協(xié)議高。

    如圖2所示，是一個(gè)在以太網(wǎng)中發(fā)送和接收所使用的UDP幀結(jié)構(gòu)。FINS/UDP方式使用的是一種嵌套格式數(shù)據(jù)包，即Ethernet報(bào)頭、IP報(bào)頭、UDP報(bào)頭和FINS幀。一個(gè)UDP數(shù)據(jù)段(FINS 幀)超過1472字節(jié)將被分成若干個(gè)數(shù)據(jù)包來傳送。分開的UDP數(shù)據(jù)將在UDP／IP協(xié)議層自動(dòng)組合。通常不需要關(guān)注應(yīng)用層的數(shù)據(jù)分段，但是在一個(gè)多層IP網(wǎng)絡(luò)中1427字節(jié)的UDP包可能無法發(fā)送。在這種系統(tǒng)中就需要使用FINS／TCP方式。
2．2 FINS幀結(jié)構(gòu)
    FINS 幀分為FINS指令幀和FINS響應(yīng)幀兩種形式。指令幀在發(fā)送FINS指令時(shí)使用，響應(yīng)幀則在接收到FINS指令后對(duì)其返回響應(yīng)時(shí)使用。它們都是由一個(gè)FINS報(bào)頭(存儲(chǔ)傳輸控制信息)、一個(gè)FINS指令域(存儲(chǔ)一個(gè)FINS指令)以及一個(gè)FINS參數(shù)／數(shù)據(jù)域(存儲(chǔ)指令參數(shù)和發(fā)送／響應(yīng)數(shù)據(jù))所組成的。響應(yīng)幀F(xiàn)INS指令域的內(nèi)容與所接收到的指令幀的FINS指令域相同。具體結(jié)構(gòu)見圖3、圖4。

    ICF為信息控制域，用于標(biāo)明指令和響應(yīng)；RSV為系統(tǒng)保留；GCT為網(wǎng)關(guān)允許數(shù)目；DNA為目的網(wǎng)絡(luò)號(hào)；DA1為目的節(jié)點(diǎn)號(hào)；DA2為目的單元號(hào)；SNA為源網(wǎng)絡(luò)號(hào)；SA1為源節(jié)點(diǎn)號(hào)；SA2為源單元號(hào)；SID為服務(wù)和響應(yīng)的標(biāo)識(shí)號(hào)，可任意設(shè)置，指令和響應(yīng)對(duì)應(yīng)相同；MRC和SRC分別為FINS指令的主指令和從指令；參數(shù)／數(shù)據(jù)域，用于標(biāo)明所操作的數(shù)據(jù)地址、范圍等，在響應(yīng)幀中前兩個(gè)字節(jié)MRES和SRES構(gòu)成響應(yīng)碼，用來診斷錯(cuò)誤信息。

3 FinsGateway和SYSMAC Compolet控件介紹
    FinsGateway是OMRON FINS通信協(xié)議的驅(qū)動(dòng)程序，它為計(jì)算機(jī)上的32位Windows操作系統(tǒng)提供一個(gè)工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。FinsGateway集成了不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并為FINS通信和數(shù)據(jù)鏈接提供驅(qū)動(dòng)程序和接口庫(kù)函數(shù)。它通過創(chuàng)建高性能的虛擬存儲(chǔ)區(qū)EventMemory，為不同的用戶程序提供數(shù)據(jù)的接入和共享。利用FinsGateway，計(jì)算機(jī)可以通過各層網(wǎng)絡(luò)(包括網(wǎng)絡(luò)互聯(lián))訪問網(wǎng)絡(luò)上的PLC，通過接口庫(kù)函數(shù)，用戶還可以開發(fā)程序。

    SYSMAC Compolet是歐姆龍公司專門為FINS通信開發(fā)的Active X控件，它是架構(gòu)在FinsGateway這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序下的VB控件，對(duì)Fins指令做了進(jìn)一步集成和優(yōu)化。SYSMAC Compolet為SYSMAC C／CS1／CV系列的PLC提供應(yīng)用程序編程接口，在開發(fā)時(shí)只需要調(diào)用該控件，編寫程序更便捷，語句更簡(jiǎn)單，配合使用FinsGateway，通過計(jì)算機(jī)就可以方便地控制訪問PLC，直接對(duì)其操作而不需要掌握相應(yīng)的Fins指令知識(shí)。

4 OMRON PLC與上位機(jī)以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)
    OMRON PLC與上位機(jī)的以太網(wǎng)通信依靠發(fā)送FINS指令實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)發(fā)送FINS指令可以直接讀取或?qū)懭隤LC相應(yīng)的數(shù)據(jù)，PLC部分無需編寫接收和發(fā)送程序。文獻(xiàn)[1]給出了運(yùn)用VC++異步套接字類CAsyncSocket與OMRON PLC進(jìn)行以太網(wǎng)通信的方法。本例中采用FINS／UDP方式，具體如圖7所示。上位機(jī)利用Visual Basic 6．0進(jìn)行程序開發(fā)，具體實(shí)現(xiàn)向PLC發(fā)送FINS指令(讀取內(nèi)存區(qū)域，指令代碼0101)讀取DM100開始的150個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)的功能。相較于文獻(xiàn)[1]介紹的方法，本文中為不同層次的使用者提供了三種方法來實(shí)現(xiàn)這一個(gè)功能，增加了系統(tǒng)開發(fā)的選擇性。圖7上位機(jī)與PLC通過以太網(wǎng)通信

    在進(jìn)行上位機(jī)程序編程之前首先要完成上位機(jī)和PLC的以太網(wǎng)單元的設(shè)置。
    (1)設(shè)置上位機(jī)的IP地址為10．72．18．11，子網(wǎng)掩碼為255．255．255．0，它的FINS節(jié)點(diǎn)號(hào)默認(rèn)為11。
    (2)通過歐姆龍CX-Programmer軟件，在IO表中將PLC CSIW-ETN11以太網(wǎng)單元的IP地址設(shè)置為10．72．18．19，子網(wǎng)掩碼為255．255．255．0，F(xiàn)INS節(jié)點(diǎn)號(hào)設(shè)置為19。地址轉(zhuǎn)換方式設(shè)置為自動(dòng)生成(動(dòng)態(tài))。FINS／UDP端口為9600(默認(rèn))。保存后下傳至PLC。
    下面主要介紹三種方法來實(shí)現(xiàn)上述功能。
4．1 使用Micosoft Wi nsock控件
    在VB中新建一個(gè)Standard．EXE文件。添加Winsock控件，對(duì)象命名為"Winsock1"，發(fā)送Fins命令程序如下：

    編譯保存后即可。
4．2 使用FinsGateway中的OMRON FinsMessaging Control
    (1)在上位機(jī)中安裝Finsgateway軟件，并在Service Manager中啟動(dòng)CPU_UNIT和ETN_UNIT。
    (2)ETN UNIT屬性中，在"UDP Nodes"中手動(dòng)添加PLC的IP地址(10．72．18．19)和FINS地址(0．19．0)。在"Commuincation Unit Settings"中設(shè)置端口號(hào)(9600)和FINS-IP地址轉(zhuǎn)換方式為自動(dòng)生成(動(dòng)態(tài))。
    (3)在VB中新建一個(gè)standard．EXE文件。添加OMRON FinsGateway FinsMessaging Control，對(duì)象名為"FinsMsgl"。
    (4)在form區(qū)添加一個(gè)Command button(命名為"Command1")作為發(fā)送Fins指令之用；同時(shí)添加一個(gè)textbox(命名為"Text1")作為顯示所接受數(shù)據(jù)之用。
    (5)在"Conmand1"中的"Click"事件中添加如下代碼：
    Private Sub Command1_C1ick()FinsMsg1．sendFinsCommand0，19，0，"0101820064000096"End Sub
    在"FinsMsg1"中的"OnReceive"事件中添加如下代碼：
    Private Sub FinsMsg1_OnReceive ()
    Dim net As Integer，node As Integer，unit AsInteger
    Text1．Text=Fins Msg1．receive Message(net，node，unit，vbString)
    End Sub
    編譯保存后即可。
4．3 使用FinsGateway和SYSMAC Compolet
    (1)在上位機(jī)中安裝Fins Gateway和SYSMACCompolet軟件。啟動(dòng)FinsGateway的Service Manager，并啟動(dòng)CPU UNIT和ETN UNIT。
    (2)同4．2中第(2)點(diǎn)。
    (3)在VB中新建一個(gè)Standard．EXE文件。添加OMRON SYSMAC CS Control，對(duì)象名為"SYSMAC CS11"。
    (4)在對(duì)象"SYSMACCS11"屬性中，選擇"Communication"標(biāo)簽，選中"ActivateCoCommunication"并設(shè)置PLC的Fins地址(0．19．0)。
    (5)在form區(qū)添加一個(gè)Command button(命名為"Command1")作為發(fā)送Fins指令之用；同時(shí)添加一個(gè)text box(命名為"Text1")作為顯示所接受數(shù)據(jù)之用。
    (6)在"Conmand1"中的"Click"事件中添加如下代碼：
    Private Sub Command1_Click()
    Text1．Text=SYSMAC_CS1 1．readArea(plcAreaDM，100，150，vbString)
    End Sub
    編譯保存后即可。

5 結(jié)束語
    工業(yè)以太網(wǎng)作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息采集的重要網(wǎng)絡(luò)具有速率高、通信距離遠(yuǎn)、抗干擾性好等特點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。本文所介紹的三種OMRON PLC與上位機(jī)以太網(wǎng)通信的方法均在實(shí)際工程中驗(yàn)證成功。這三種方法從本質(zhì)上來說其實(shí)是一樣的，但具體使用和實(shí)現(xiàn)過程有所不同。第一種方法不需要另外購(gòu)置歐姆龍相關(guān)軟件，但需要對(duì)FINS通信底層協(xié)議以及Fins幀結(jié)構(gòu)及其封裝過程有比較全面的了解，程序編寫較為復(fù)雜，適用于有一定開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)用戶。第二種方法需要掌握Fin s幀結(jié)構(gòu)以及FinsGateway的相關(guān)配置，但是對(duì)發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)的程序編寫較為簡(jiǎn)單，適用于中級(jí)用戶。在第三種方法中，使用了SYSMAC Compolet中簡(jiǎn)單易懂的編程語言，即可完成上位機(jī)的程序開發(fā)，整個(gè)程序編寫過程簡(jiǎn)單明了，可以大幅縮減通信程序的開發(fā)時(shí)間，適用于那些開發(fā)經(jīng)驗(yàn)較少的初級(jí)用戶。后面兩種方法需要另外購(gòu)置歐姆龍軟件，這是在程序開發(fā)時(shí)需要注意的。這三種方法都可利用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)OMRON PLC與上位機(jī)的通信，具有實(shí)時(shí)性好、速度快、可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在PLC控制系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)單元通信后，使工業(yè)自動(dòng)化與生產(chǎn)管理自動(dòng)化有機(jī)地結(jié)合到了一起，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。