基于FINS協(xié)議的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。

　　2．2 FINS幀結構

　　FINS 幀分為FINS指令幀和FINS響應幀兩種形式。指令幀在發(fā)送FINS指令時(shí)使用，響應幀則在接收到FINS指令后對其返回響應時(shí)使用。它們都是由一個(gè) FINS報頭(存儲傳輸控制信息)、一個(gè)FINS指令域(存儲一個(gè)FINS指令)以及一個(gè)FINS參數／數據域(存儲指令參數和發(fā)送／響應數據)所組成的。響應幀FINS指令域的內容與所接收到的指令幀的FINS指令域相同。具體結構見(jiàn)圖3、圖4。

　　ICF為信息控制域，用于標明指令和響應；RSV為系統保留；GCT為網(wǎng)關(guān)允許數目；DNA為目的網(wǎng)絡(luò )號；DA1為目的節點(diǎn)號；DA2為目的單元號；SNA為源網(wǎng)絡(luò )號；SA1為源節點(diǎn)號；SA2為源單元號；SID為服務(wù)和響應的標識號，可任意設置，指令和響應對應相同；MRC和SRC分別為 FINS指令的主指令和從指令；參數／數據域，用于標明所操作的數據地址、范圍等，在響應幀中前兩個(gè)字節M(mǎn)RES和SRES構成響應碼，用來(lái)診斷錯誤信息。

　　3 FinsGateway和SYSMAC Compolet控件介紹

　　FinsGateway是OMRON FINS通信協(xié)議的驅動(dòng)程序，它為計算機上的32位Windows操作系統提供一個(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通信和數據鏈接提供驅動(dòng)程序和接口庫函數。它通過(guò)創(chuàng )建高性能的虛擬存儲區EventMemory，為不同的用戶(hù)程序提供數據的接入和共享。利用 FinsGateway，計算機可以通過(guò)各層網(wǎng)絡(luò )(包括網(wǎng)絡(luò )互聯(lián))訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )上的PLC，通過(guò)接口庫函數，用戶(hù)還可以開(kāi)發(fā)程序。

　　SYSMAC Compolet是歐姆龍公司專(zhuān)門(mén)為FINS通信開(kāi)發(fā)的Active X控件，它是架構在FinsGateway這個(gè)驅動(dòng)程序下的VB控件，對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提供應用程序編程接口，在開(kāi)發(fā)時(shí)只需要調用該控件，編寫(xiě)程序更便捷，語(yǔ)句更簡(jiǎn)單，配合使用FinsGateway，通過(guò)計算機就可以方便地控制訪(fǎng)問(wèn)PLC，直接對其操作而不需要掌握相應的Fins指令知識。

　　4 OMRON PLC與上位機以太網(wǎng)通信的實(shí)現

　　OMRON PLC與上位機的以太網(wǎng)通信依靠發(fā)送FINS指令實(shí)現。上位機發(fā)送FINS指令可以直接讀取或寫(xiě)入PLC相應的數據，PLC部分無(wú)需編寫(xiě)接收和發(fā)送程序。文獻[1]給出了運用VC++異步套接字類(lèi)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。上位機利用Visual Basic 6．0進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，具體實(shí)現向PLC發(fā)送FINS指令(讀取內存區域，指令代碼0101)讀取DM100開(kāi)始的150個(gè)字數據的功能。相較于文獻[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(lái)實(shí)現這一個(gè)功能，增加了系統開(kāi)發(fā)的選擇性。圖7上位機與PLC通過(guò)以太網(wǎng)通信

　　在進(jìn)行上位機程序編程之前首先要完成上位機和PLC的以太網(wǎng)單元的設置。

　　(1)設置上位機的IP地址為10．72．18．11，子網(wǎng)掩碼為255．255．255．0，它的FINS節點(diǎn)號默認為11。

　　(2)通過(guò)歐姆龍CX-Programmer軟件，在IO表中將PLC CSIW-ETN11以太網(wǎng)單元的IP地址設置為10．72．18．19，子網(wǎng)掩碼為255．255．255．0，FINS節點(diǎn)號設置為19。地址轉換方式設置為自動(dòng)生成(動(dòng)態(tài))。FINS／UDP端口為9600(默認)。保存后下傳至PLC。

　　下面主要介紹三種方法來(lái)實(shí)現上述功能。

　　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"中設置端口號(9600)和FINS-IP地址轉換方式為自動(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，對象名為"FinsMsgl"。

　　(4)在form區添加一個(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")作為顯示所接受數據之用。

　　(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，對象名為"SYSMAC CS11"。

　　(4)在對象"SYSMACCS11"屬性中，選擇"Communication"標簽，選中"ActivateCoCommunication"并設置PLC的Fins地址(0．19．0)。

　　(5)在form區添加一個(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")作為顯示所接受數據之用。

　　(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 結束語(yǔ)

　　工業(yè)以太網(wǎng)作為工業(yè)現場(chǎng)信息采集的重要網(wǎng)絡(luò )具有速率高、通信距離遠、抗干擾性好等特點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛應用。本文所介紹的三種OMRON PLC與上位機以太網(wǎng)通信的方法均在實(shí)際工程中驗證成功。這三種方法從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)其實(shí)是一樣的，但具體使用和實(shí)現過(guò)程有所不同。第一種方法不需要另外購置歐姆龍相關(guān)軟件，但需要對FINS通信底層協(xié)議以及Fins幀結構及其封裝過(guò)程有比較全面的了解，程序編寫(xiě)較為復雜，適用于有一定開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的高級用戶(hù)。第二種方法需要掌握Fin s幀結構以及FinsGateway的相關(guān)配置，但是對發(fā)送指令和接收數據的程序編寫(xiě)較為簡(jiǎn)單，適用于中級用戶(hù)。在第三種方法中，使用了SYSMAC Compolet中簡(jiǎn)單易懂的編程語(yǔ)言，即可完成上位機的程序開(kāi)發(fā)，整個(gè)程序編寫(xiě)過(guò)程簡(jiǎn)單明了，可以大幅縮減通信程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間，適用于那些開(kāi)發(fā)經(jīng)驗較少的初級用戶(hù)。后面兩種方法需要另外購置歐姆龍軟件，這是在程序開(kāi)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OMRON PLC與上位機的通信，具有實(shí)時(shí)性好、速度快、可靠性高、運行穩定等優(yōu)點(diǎn)。在PLC控制系統中采用以太網(wǎng)單元通信后，使工業(yè)自動(dòng)化與生產(chǎn)管理自動(dòng)化有機地結合到了一起，簡(jiǎn)化了系統設計。