VB實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PLC的以太網(wǎng)通信

1、引言

    在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層上，隨著自動(dòng)化和控制工程師需要與網(wǎng)絡(luò)打交道的機(jī)會(huì)越來越多，聯(lián)網(wǎng)的愿望和需要也正在逐漸高漲。而且，在監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，大多數(shù)工程師已將以太網(wǎng)協(xié)議應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）和工廠的診斷、測(cè)試及維護(hù)。如何簡便地實(shí)現(xiàn)與PLC的交互已經(jīng)成為眾多廠商新的競(jìng)爭戰(zhàn)場(chǎng)。由此產(chǎn)生了人機(jī)界面及各種組態(tài)軟件產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的出現(xiàn)簡化了對(duì)PLC的控制、操作，使PLC的應(yīng)用更加方便。但也有其共同的缺點(diǎn)，價(jià)格普遍偏高和可二次開發(fā)性較差。VB作為“原始”的編程語言，兼具了上述兩方面的優(yōu)勢(shì)。本文結(jié)合一個(gè)簡單的案例來粗略討論如何通過VB實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PLC的以太網(wǎng)通信問題。

2、以太網(wǎng)通信的基本概念

    2.1以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)

    以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)。早期標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.3，數(shù)據(jù)鏈路層使用CSMA/CD，10Mb/s速度物理層有：

    (1)10 Base 5粗同軸電纜，RG-8，一段最長為500m。

    (2)10 Base 2細(xì)同軸電纜，RG-58，一段最長為185m。

    (3)10 Base T雙絞線，UTP或STP，一段最長為100m。

    2.2工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)的區(qū)別

    什么是工業(yè)以太網(wǎng)？技術(shù)上，它與IEEE802.3兼容，故從邏輯上可把商用網(wǎng)和工業(yè)網(wǎng)看成是一個(gè)以太網(wǎng)，而用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，靈活裝配自己的網(wǎng)絡(luò)部件。但從工業(yè)環(huán)境的惡劣和抗干擾的要求，設(shè)計(jì)者希望采用市場(chǎng)上可找到的以太網(wǎng)芯片和媒介，兼顧考慮下述工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特殊要求：首先要考慮高溫、潮濕、振動(dòng)。二是對(duì)工業(yè)抗電磁干擾和抗輻射有一定要求，如滿足EN50081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)，而辦公室級(jí)別的產(chǎn)品未經(jīng)這些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，表1列出了一些常用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為改善抗干擾性和降低輻射，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品多使用多層線路板或雙面電路板，且外殼采用金屬如鑄鋁屏蔽干擾。三是電源要求，因集線器、交換機(jī)、收發(fā)器多為有源部件，而現(xiàn)場(chǎng)電源的品質(zhì)又較差，故常采用雙路直流電或交流電為其供電，另外考慮方便安裝，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品多數(shù)使用DIN導(dǎo)軌或面板安裝。四是通信介質(zhì)選擇，在辦公室環(huán)境下多數(shù)配線使用UTP，而在工業(yè)環(huán)境下推薦用戶使用STP(帶屏蔽雙絞線)和光纖。

2.3 使用TCP/IP協(xié)議的原因及其概述

最主要的一個(gè)原因在于它能使用在多種物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上，包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)技術(shù)。TCP/IP協(xié)議的成功，很大程度上取決于它能適應(yīng)幾乎所有底層通信技術(shù)。20世紀(jì)80年代初，先在X.25上運(yùn)行TCP/IP協(xié)議；而后又在一個(gè)撥號(hào)語音網(wǎng)絡(luò)(如電話系統(tǒng))上使用TCP/IP協(xié)議，又有TCP/IP在令牌環(huán)網(wǎng)上運(yùn)行成功；最后又實(shí)現(xiàn)了TCP/IP遠(yuǎn)程分組無線網(wǎng)點(diǎn)與其他Internet網(wǎng)點(diǎn)間TCP/IP通信。所以TCP/IP協(xié)議極其靈活，具備連接不同網(wǎng)絡(luò)的能力。另外，使用TCP/IP也簡化了OSI模型，因?yàn)樗÷粤吮硎緦雍蜁?huì)話層。如果現(xiàn)在把以太網(wǎng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層加到OSI模型，就構(gòu)成了基于以太網(wǎng)的TCP/IP網(wǎng)，如圖1所示。用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)TCP/IP也是經(jīng)濟(jì)的一種方式。

IP是Internet最基本的協(xié)議。IP是面向報(bào)文的協(xié)議，它獨(dú)立處理每個(gè)報(bào)文包，每個(gè)報(bào)文包必須含有完整的尋址信息。IP報(bào)文包的格式如圖2所示。

圖2 IP報(bào)文包的格式

    IP地址的類型共有4種(如圖3所示)：A類用于處理超大型網(wǎng)絡(luò)，最多16387064個(gè)主機(jī)(1～126)；B類網(wǎng)絡(luò)最多可有64516個(gè)主機(jī)(網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為128～191)；C類用于小型網(wǎng)絡(luò)，最多可有254個(gè)主機(jī)(網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為192～223)；D類用于多點(diǎn)播送，用于多目的信息的傳輸。全零(“0.0.0.0”)地址對(duì)應(yīng)于當(dāng)前主機(jī)，全1地址(“255.255.255.255”)是當(dāng)前子網(wǎng)的廣播地址。

    TCP是基于傳輸層的協(xié)議，協(xié)議文件可從RFC793得到，使用廣泛，面向連接的可靠協(xié)議。它能把報(bào)文分解為數(shù)段，在目的站再重新裝配這些段，支持重新發(fā)送未被收到的段，提供兩臺(tái)設(shè)備間的全雙工連接，允許它們高效地交換大量數(shù)據(jù)。TCP使用滑動(dòng)窗口協(xié)議來高效使用網(wǎng)絡(luò)。由于TCP很少干預(yù)底層投遞系統(tǒng)的工作，它適應(yīng)各種投遞系統(tǒng)，且提供流量控制，能使各種不同速率的系統(tǒng)進(jìn)行通信。報(bào)文段是TCP所使用的基本傳輸單元，用于傳輸數(shù)據(jù)或控制信息。

3、MODBUS數(shù)據(jù)幀格式

    在TCP/IP以太網(wǎng)上傳輸，支持Ethernet II和802.3兩種幀格式。圖3所示，Modbus TCP數(shù)據(jù)幀包含報(bào)文頭、功能代碼和數(shù)據(jù)3部分。

4、 MODBUS功能代碼

    4.1 3種類型

    (1)公共功能代碼(如表2所示)：已定義好的功能碼，保證其唯一性，由Modbus.org認(rèn)可。

    (2)用戶自定義功能代碼有兩組，分別為65～72和100～110，無需認(rèn)可，但不保證代碼使用的唯一性。如變?yōu)楣泊a，需交RFC認(rèn)可。

    (3)保留的功能代碼，由某些公司使用在某些傳統(tǒng)設(shè)備的代碼，不可作為公共用途。

表2 Modbus常用公共代碼功能

    4.2功能代碼劃分：按應(yīng)用深淺，可分為3個(gè)類別。

    （1）類別0，對(duì)于客戶機(jī)/服務(wù)器最小的可用子集：讀多個(gè)保持寄存器(fc.3)；寫多個(gè)保持寄存器(fc.16)。

    （2）類別1，可實(shí)現(xiàn)基本互易操作的常用代碼：讀線圈(fc.1)；讀開關(guān)量輸入(fc.2)；讀輸入寄存器(fc.4)；寫線圈(fc.5)；寫單一寄存器(fc.6)。

    （3）類別2，用于人機(jī)界面、監(jiān)控系統(tǒng)的例行操作和數(shù)據(jù)傳送功能：

    （4）強(qiáng)制多個(gè)線圈(fc.15)；讀通用寄存器(fc.20)；寫通用寄存器(fc.21)；屏蔽寫寄存器(fc.22)；讀寫寄存器(fc.23)。

5、VB的基本概念

    VB（Visual Basic）是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，用它來開發(fā)WINOOWs操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序，它提供了很多接口成員，對(duì)象、屬性、事件、方法就是4個(gè)重要的接口，VB提供了許多常用的控件。

    5.1卷標(biāo)控件

    卷標(biāo)控件如圖4（a）所示，該控件專用于顯示文字、數(shù)字用，顯示如圖4(b)所示。

5.2 按鈕控件

    按鈕控件如圖5（a）所示，該控件使用率很高，提供一個(gè)供系統(tǒng)用戶操作用的按鈕，如圖5（b）所示。

6、基于Winsock控件的TCP/IP以太網(wǎng)通信

    要完成VB與PLC等設(shè)備的以太網(wǎng)通信要用到Winsock控件，在此有必要對(duì)該控件作較詳細(xì)的說明。Winsock是一個(gè)ActiveX控件，需要要手動(dòng)添加許多項(xiàng)目，其步驟如下：

    （1）選擇菜單的【工程】。

    （2）選擇【部件】。

    （3）在彈出的對(duì)話框中做如圖6的選擇。

圖6 對(duì)話框界面

    （4）如圖7所示，在部件選項(xiàng)卡就會(huì)出現(xiàn)Winsock控件

7、Winsock控件的基本屬性

    此控件對(duì)于用戶在運(yùn)行時(shí)不可見，提供了一個(gè)簡單的途徑訪問TCP及UDP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)而無需了解底層細(xì)節(jié)，使用時(shí)你只需設(shè)置屬性、在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候調(diào)用它提供的方法即可。

    主要屬性有：

    BytesReceived：返回當(dāng)前緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)量，我們可以使用 GetData 方法以接收數(shù)據(jù)。只讀且設(shè)計(jì)時(shí)不可用。

    LocalHostName：返回本機(jī)名字符串，設(shè)計(jì)時(shí)不可用。

    LocalIP：返回以(xxx.xxx.xxx.xxx)格式表達(dá)的IP地址串。設(shè)計(jì)時(shí)不可用，運(yùn)行時(shí)只讀。

    LocalPort ：本機(jī)使用接收端口可讀寫，設(shè)計(jì)時(shí)可用，Long型。對(duì)于客戶，如果無需指定端口，則用端口0發(fā)送數(shù)據(jù)。在此情況下，控件將隨機(jī)選擇一個(gè)端口。在一個(gè)連接確定后，為TCP的端口。對(duì)于服務(wù)器，指用于監(jiān)聽的端口。如設(shè)置為0，則用隨機(jī)數(shù)。在調(diào)用Listen 方法后，該屬性自動(dòng)包含用到的端口。端口0總是用于在兩計(jì)算機(jī)間建立動(dòng)態(tài)連接。客戶希望通過端口0獲得一個(gè)隨機(jī)端口以”回調(diào)”連接服務(wù)器。

    Protocol ：套接字類型，為TCP或UDP二者之一，缺省為TCP類型。設(shè)置為sckTCPProtocol表示TCP協(xié)議sckUDPProtocol表示UDP協(xié)議。在此屬性被重置之前需用Close方法關(guān)閉之。

    RemoteHost：發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的主機(jī)，你可提供主機(jī)名如：FTP://ftp.microsoft.com，或一IP地址串，例如“100.0.1.1”。

    RemoteHostIP：遠(yuǎn)程主機(jī)的IP地址。對(duì)于客戶程序，在連接確定后使用Connect方法，此屬性包含遠(yuǎn)程主機(jī)的IP名串。對(duì)于服務(wù)器程序，在引入連接需求后(Connection Request 事件)，此屬性包含IP串。當(dāng)使用UDP套接字，在Data Arrival事件發(fā)生后，此屬性為發(fā)送UDP數(shù)據(jù)的機(jī)器IP地址串。

    RemotePort：連接套接字端口值。例如通常HTTP應(yīng)用使用80端口，F(xiàn)TP則使用21。