VB實現PC機與PLC的以太網通信

1、引言

    在網絡的各個層上，隨著自動化和控制工程師需要與網絡打交道的機會越來越多，聯網的愿望和需要也正在逐漸高漲。而且，在監控和數據采集應用中，大多數工程師已將以太網協議應用于數據采集與監視控制系統（SCADA）和工廠的診斷、測試及維護。如何簡便地實現與PLC的交互已經成為眾多廠商新的競爭戰場。由此產生了人機界面及各種組態軟件產品，這些產品的出現簡化了對PLC的控制、操作，使PLC的應用更加方便。但也有其共同的缺點，價格普遍偏高和可二次開發性較差。VB作為“原始”的編程語言，兼具了上述兩方面的優勢。本文結合一個簡單的案例來粗略討論如何通過VB實現PC機與PLC的以太網通信問題。

2、以太網通信的基本概念

    2.1以太網的標準

    以太網是一種局域網。早期標準為IEEE 802.3，數據鏈路層使用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工業以太網與商用以太網的區別

    什么是工業以太網？技術上，它與IEEE802.3兼容，故從邏輯上可把商用網和工業網看成是一個以太網，而用戶可根據現場情況，靈活裝配自己的網絡部件。但從工業環境的惡劣和抗干擾的要求，設計者希望采用市場上可找到的以太網芯片和媒介，兼顧考慮下述工業現場的特殊要求：首先要考慮高溫、潮濕、振動。二是對工業抗電磁干擾和抗輻射有一定要求，如滿足EN50081-2、EN50082-2標準，而辦公室級別的產品未經這些工業標準測試，表1列出了一些常用工業標準。為改善抗干擾性和降低輻射，工業以太網產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、收發器多為有源部件，而現場電源的品質又較差，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，工業以太網產品多數使用DIN導軌或面板安裝。四是通信介質選擇，在辦公室環境下多數配線使用UTP，而在工業環境下推薦用戶使用STP(帶屏蔽雙絞線)和光纖。

2.3 使用TCP/IP協議的原因及其概述

最主要的一個原因在于它能使用在多種物理網絡技術上，包括局域網和廣域網技術。TCP/IP協議的成功，很大程度上取決于它能適應幾乎所有底層通信技術。20世紀80年代初，先在X.25上運行TCP/IP協議；而后又在一個撥號語音網絡(如電話系統)上使用TCP/IP協議，又有TCP/IP在令牌環網上運行成功；最后又實現了TCP/IP遠程分組無線網點與其他Internet網點間TCP/IP通信。所以TCP/IP協議極其靈活，具備連接不同網絡的能力。另外，使用TCP/IP也簡化了OSI模型，因為它省略了表示層和會話層。如果現在把以太網的物理層和數據鏈路層加到OSI模型，就構成了基于以太網的TCP/IP網，如圖1所示。用以太網實現TCP/IP也是經濟的一種方式。

IP是Internet最基本的協議。IP是面向報文的協議，它獨立處理每個報文包，每個報文包必須含有完整的尋址信息。IP報文包的格式如圖2所示。

圖2 IP報文包的格式

    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絡，最多16387064個主機(1～126)；B類網絡最多可有64516個主機(網絡地址的第一段為128～191)；C類用于小型網絡，最多可有254個主機(網絡地址的第一段為192～223)；D類用于多點播送，用于多目的信息的傳輸。全零(“0.0.0.0”)地址對應于當前主機，全1地址(“255.255.255.255”)是當前子網的廣播地址。

    TCP是基于傳輸層的協議，協議文件可從RFC793得到，使用廣泛，面向連接的可靠協議。它能把報文分解為數段，在目的站再重新裝配這些段，支持重新發送未被收到的段，提供兩臺設備間的全雙工連接，允許它們高效地交換大量數據。TCP使用滑動窗口協議來高效使用網絡。由于TCP很少干預底層投遞系統的工作，它適應各種投遞系統，且提供流量控制，能使各種不同速率的系統進行通信。報文段是TCP所使用的基本傳輸單元，用于傳輸數據或控制信息。

3、MODBUS數據幀格式

    在TCP/IP以太網上傳輸，支持Ethernet II和802.3兩種幀格式。圖3所示，Modbus TCP數據幀包含報文頭、功能代碼和數據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，無需認可，但不保證代碼使用的唯一性。如變為公共代碼，需交RFC認可。

    (3)保留的功能代碼，由某些公司使用在某些傳統設備的代碼，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：按應用深淺，可分為3個類別。

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

    （2）類別1，可實現基本互易操作的常用代碼：讀線圈(fc.1)；讀開關量輸入(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，用于人機界面、監控系統的例行操作和數據傳送功能：

    （4）強制多個線圈(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）是面向對象的程序設計語言，用它來開發WINOOWs操作系統下的應用程序，它提供了很多接口成員，對象、屬性、事件、方法就是4個重要的接口，VB提供了許多常用的控件。

    5.1卷標控件

    卷標控件如圖4（a）所示，該控件專用于顯示文字、數字用，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，提供一個供系統用戶操作用的按鈕，如圖5（b）所示。

6、基于Winsock控件的TCP/IP以太網通信

    要完成VB與PLC等設備的以太網通信要用到Winsock控件，在此有必要對該控件作較詳細的說明。Winsock是一個ActiveX控件，需要要手動添加許多項目，其步驟如下：

    （1）選擇菜單的【工程】。

    （2）選擇【部件】。

    （3）在彈出的對話框中做如圖6的選擇。

圖6 對話框界面

    （4）如圖7所示，在部件選項卡就會出現Winsock控件

7、Winsock控件的基本屬性

    此控件對于用戶在運行時不可見，提供了一個簡單的途徑訪問TCP及UDP網絡服務而無需了解底層細節，使用時你只需設置屬性、在恰當的時候調用它提供的方法即可。

    主要屬性有：

    BytesReceived：返回當前緩沖區中的字節數量，我們可以使用 GetData 方法以接收數據。只讀且設計時不可用。

    LocalHostName：返回本機名字符串，設計時不可用。

    LocalIP：返回以(xxx.xxx.xxx.xxx)格式表達的IP地址串。設計時不可用，運行時只讀。

    LocalPort ：本機使用接收端口可讀寫，設計時可用，Long型。對于客戶，如果無需指定端口，則用端口0發送數據。在此情況下，控件將隨機選擇一個端口。在一個連接確定后，為TCP的端口。對于服務器，指用于監聽的端口。如設置為0，則用隨機數。在調用Listen 方法后，該屬性自動包含用到的端口。端口0總是用于在兩計算機間建立動態連接?？蛻粝Ｍㄟ^端口0獲得一個隨機端口以”回調”連接服務器。

    Protocol ：套接字類型，為TCP或UDP二者之一，缺省為TCP類型。設置為sckTCPProtocol表示TCP協議sckUDPProtocol表示UDP協議。在此屬性被重置之前需用Close方法關閉之。

    RemoteHost：發送或接收數據的主機，你可提供主機名如：FTP://ftp.microsoft.com，或一IP地址串，例如“100.0.1.1”。

    RemoteHostIP：遠程主機的IP地址。對于客戶程序，在連接確定后使用Connect方法，此屬性包含遠程主機的IP名串。對于服務器程序，在引入連接需求后(Connection Request 事件)，此屬性包含IP串。當使用UDP套接字，在Data Arrival事件發生后，此屬性為發送UDP數據的機器IP地址串。

    RemotePort：連接套接字端口值。例如通常HTTP應用使用80端口，FTP則使用21。