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

0 引言
在現代工業(yè)自動(dòng)化控制系統中，可編程邏輯控制器(PLC)作為常用的現場(chǎng)控制設備，上位機作為數據采集及人機界面的一種已經(jīng)得到廣泛使用。過(guò)去，在工程項目開(kāi)發(fā)中，PLC和上位機間的通信常采用RS-232C或者RS-485串行方式，這種方法很難滿(mǎn)足數據量大、通信距離遠、實(shí)時(shí)性要求高的控制系統。隨著(zhù)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)的應用，解決了以太網(wǎng)通信的非確定性問(wèn)題，使得工業(yè)以太網(wǎng)能夠廣泛應用于工業(yè)信息控制領(lǐng)域，也是工業(yè)信息控制未來(lái)的發(fā)展趨勢。
FINS(factory interface network service)通信協(xié)議是歐姆龍公司開(kāi)發(fā)的用于工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò )的指令／響應系統。使用FINS指令可實(shí)現各種網(wǎng)絡(luò )間的無(wú)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(guò)編程發(fā)送FINS指令，上位機或PLC就能夠讀寫(xiě)另一個(gè)PLC數據區的內容，甚至控制其運行狀態(tài)，從而簡(jiǎn)化了用戶(hù)程序。FINS協(xié)議支持工業(yè)以太網(wǎng)，這就為OMRON PLC與上位機以太網(wǎng)通信的實(shí)現提供了可能。

1 OMRON PLC與上位機通信方式
目前，在歐姆龍PLC網(wǎng)絡(luò )組成中，上位機和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如表1所示。

文獻[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，很難適應現代數據量大、通信距離較遠、實(shí)時(shí)性要求較高的控制系統。
文獻[2]中給出了基于FINS協(xié)議的Controller Link通信的設計方案，其最高速率可以達到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安裝CLK支持卡，其擴展性及應用的靈活性沒(méi)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)勢是相當明顯的。其傳輸速率可以達到10／100Mb／s(取決于實(shí)際網(wǎng)絡(luò )環(huán)境)；兩個(gè)節點(diǎn)之間的傳輸距離可以達到100m，對于整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的傳輸距離沒(méi)有限制；網(wǎng)絡(luò )內最大節點(diǎn)數可以達到254個(gè)，可以實(shí)現1(PLC)：N(PC)、N：N、N：1等多種網(wǎng)絡(luò )形式。這些都為構架各種規模的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )信息系統提供了有利的條件，具有良好的擴展性、實(shí)用性、靈活性。目前使用的上位機都配有以太網(wǎng)卡，所以上位機側無(wú)需增加額外的硬件設備。因此，采用工業(yè)以太網(wǎng)方式對提高工廠(chǎng)的自動(dòng)化信息控制水平具有很大的現實(shí)意義。

2 以太網(wǎng)FINS通信
在以太網(wǎng)FINS通信中，各種數據信息是以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層遠程設備使用的是IP地址，而在應用層使用的則是FINS節點(diǎn)地址。傳輸層中定義了本地UDP或TCP端口號，它為應用層(即FINS通信)提供通信端口，其默認設置為9600。用戶(hù)可以根據實(shí)際情況自行修改，但是在同一網(wǎng)絡(luò )中，各設備的通信端口號必須保持一致。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、節點(diǎn)號以及單元號來(lái)對不同設備(包括PLC、PC等現場(chǎng)設備)進(jìn)行地址定義的。這就為不同網(wǎng)絡(luò )之間各種設備的通信提供了統一的尋址方式。在以太網(wǎng)FINS通信中，歐姆龍的以太網(wǎng)單元一項重要的功能就是能在IP地址和Fins節點(diǎn)地址之間進(jìn)行轉換，其轉換方式有自動(dòng)轉換、IP地址表和復合地址表三種方式，其地址轉換數量依據模塊型號和轉換方式的不同還有相應的限制。以太網(wǎng)FINS通信服務(wù)是一種基于UDP／IP的通信方式，稱(chēng)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(chēng)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(wú)連接的通信協(xié)議。當一條信息從一個(gè)節點(diǎn)發(fā)到另一個(gè)時(shí)，這兩個(gè)節點(diǎn)是沒(méi)有明確連接的對等關(guān)系的。UDP協(xié)議具有較快的傳輸速度，但是數據通信的可靠性沒(méi)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幀結構。FINS/UDP方式使用的是一種嵌套格式數據包，即Ethernet報頭、IP報頭、UDP報頭和FINS幀。一個(gè)UDP數據段(FINS 幀)超過(guò)1472字節將被分成若干個(gè)數據包來(lái)傳送。分開(kāi)的UDP數據將在UDP／IP協(xié)議層自動(dòng)組合。通常不需要關(guān)注應用層的數據分段，但是在一個(gè)多層IP網(wǎng)絡(luò )中1427字節的UDP包可能無(wú)法發(fā)送。在這種系統中就需要使用FINS／TCP方式。