基于DataSocket的歐姆龍PLC以太網(wǎng)通信接口研究

梅映新，祝廣場(chǎng)

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，湖北 武漢 430064;2.武漢長(zhǎng)海高新技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430064）

0 引言

目前，PLC作為智能控制站廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)。由于PLC具有可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單及模塊化結(jié)構(gòu)擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但PLC在數(shù)據(jù)處理、分析和報(bào)表打印等方面有很大的局限性，和工控機(jī)結(jié)合可以克服這一缺陷。在與工控機(jī)的通信中，一般采用串口通信的方式，但這種通信方式無法適應(yīng)大數(shù)據(jù)量、遠(yuǎn)距離和實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合［1］。以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的以太網(wǎng)在工業(yè)控制中逐漸獲得了廣泛的應(yīng)用，并可以很方便的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。本文以歐姆龍CS1W型PLC為例，探討了網(wǎng)絡(luò)通信的方式，用Visual C++6.0編寫了上位機(jī)通信程序，完成了上位機(jī)和歐姆龍PLC的通信。

1 歐姆龍PLC的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和Socket服務(wù)

1.1 歐姆龍PLC的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

歐姆龍PLC開發(fā)了三層網(wǎng)絡(luò)體系，包括設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)、控制層網(wǎng)絡(luò)和管理層網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)處于三層網(wǎng)絡(luò)的最底層，控制層網(wǎng)絡(luò)處于中間層，管理層網(wǎng)絡(luò)處于最上層。從上至下，各層都是開放的，且三層之間實(shí)現(xiàn)了無縫對(duì)接。

Ethernet網(wǎng)絡(luò)即通常所說的以太網(wǎng)，是工廠自動(dòng)化領(lǐng)域用于信息管理層上的網(wǎng)絡(luò)，它的通信速率高，可以達(dá)到100 Mbit/s，以太網(wǎng)模塊使PLC可以作為工廠局域網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)上的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制［2］。

圖1 歐姆龍PLC的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 歐姆龍PLC的Socket通信服務(wù)

歐姆龍PLC的以太網(wǎng)模塊支持兩種通信方式:Socket通信和FINS通信。通過TCP或者UDP協(xié)議，Socket服務(wù)允許以太網(wǎng)上的設(shè)備發(fā)送和接收各種數(shù)據(jù)。Socket服務(wù)提供了兩種實(shí)現(xiàn)的方法。

（1）操作特定的控制開關(guān)［3］19

首先設(shè)置DM區(qū)中的請(qǐng)求參數(shù)，然后打開內(nèi)存中特定的控制開關(guān)來請(qǐng)求TCP或者UDP Socket服務(wù)。當(dāng)請(qǐng)求的過程完成之后，以太網(wǎng)單元就把請(qǐng)求開關(guān)關(guān)掉。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，都是自動(dòng)進(jìn)行的。

使用這種方法不需要執(zhí)行CMND（490）指令，也不需要監(jiān)視完成的時(shí)序和指令的執(zhí)行過程，于是可以大大簡(jiǎn)化梯形圖的編制。

總共8個(gè)TCP或者UDP端口可以被用作Socket服務(wù)。

（2）執(zhí)行 CMND（490）命令［3］20

使用Socket服務(wù)的另一種方法是從CPU單元向以太網(wǎng)單元發(fā)送FINS命令，當(dāng)以太網(wǎng)單元接收到Socket服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，向CPU單元返回響應(yīng)以確認(rèn)請(qǐng)求，然后對(duì)請(qǐng)求的服務(wù)進(jìn)行處理。當(dāng)處理過程結(jié)束之后，結(jié)果放在CPU單元的結(jié)果存儲(chǔ)區(qū)。

同樣可以使用8個(gè)TCP端口和8個(gè)UDP端口。

1.3 Socket通信流程

Socket建立在傳輸層協(xié)議（TCP和UDP）之上，由于TCP面向連接，UDP是無連接的，因此，利用Socket進(jìn)行通信，有兩種方式:面向連接的和無連接的［4］。在第一種方式下，兩個(gè)通信的應(yīng)用程序之間必須先建立一種虛擬的連接，然后再傳輸數(shù)據(jù)。第二種方式也稱數(shù)據(jù)報(bào)文方式，在此種方式下，傳輸過程中，數(shù)據(jù)有可能丟失，先發(fā)送的數(shù)據(jù)也可能后到，各個(gè)報(bào)文的路徑也不一定相同［5－6］。本文采用面向連接的通信方式，流程如圖2所示。

2 歐姆龍PLC的以太網(wǎng)設(shè)置

歐姆龍PLC要在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信，必須要對(duì)其單元號(hào)、節(jié)點(diǎn)號(hào)和IP地址進(jìn)行設(shè)置。

2.1 設(shè)置單元號(hào)

圖2面向連接的Socket通信流程

當(dāng)多個(gè)CPU單元安裝在同一臺(tái)PLC上時(shí)，就必須為以太網(wǎng)單元設(shè)置單元號(hào)，以識(shí)別特定的CPU單元。歐姆龍CS1W型PLC的單元號(hào)可以在0～F（十六進(jìn)制）之間對(duì)以太網(wǎng)單元進(jìn)行設(shè)置，在設(shè)備出廠時(shí)，單元號(hào)被設(shè)為0。

值得注意的是，如果是第一次為PLC設(shè)置單元號(hào)或者是改變?cè)瓉淼膯卧?hào)，那么就必須為PLC創(chuàng)建I/O表［3］33。

2.2 設(shè)置節(jié)點(diǎn)號(hào)

當(dāng)多個(gè)以太網(wǎng)單元連在同一個(gè)以太網(wǎng)上時(shí)，要用節(jié)點(diǎn)號(hào)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。歐姆龍CS1W型PLC的節(jié)點(diǎn)號(hào)由高位和低位組成，分別由高位節(jié)點(diǎn)號(hào)設(shè)置開關(guān)和低位節(jié)點(diǎn)號(hào)設(shè)置開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，其值為1到126之間，不同的以太網(wǎng)單元不能擁有相同的節(jié)點(diǎn)號(hào)［3］34。

當(dāng)使用自動(dòng)產(chǎn)生方法進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換時(shí)，節(jié)點(diǎn)號(hào)要與本地IP地址的最低兩位相同。如不相同，就不能使用自動(dòng)轉(zhuǎn)換方法。在本實(shí)例中，以太網(wǎng)單元的節(jié)點(diǎn)號(hào)設(shè)置為11（十六進(jìn)制）。

2.3 設(shè)置IP地址

以太網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)是用IP地址來識(shí)別的。每個(gè)IP地址被設(shè)為32個(gè)二進(jìn)制數(shù)，通常用四段數(shù)以點(diǎn)分十進(jìn)制形式來表示。在以太網(wǎng)單元中，每段數(shù)用兩個(gè)十六進(jìn)制的數(shù)來表示［3］34。

以太網(wǎng)單元的IP地址用安裝在其后面的8個(gè)十六進(jìn)制旋轉(zhuǎn)開關(guān)來進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于CS1W型PLC，可將SW1和SW2，SW3和SW4，SW5和SW6，SW7和SW8組合在一起，就得到了單元的IP地址。在本設(shè)計(jì)中，IP地址設(shè)置為 CA.72.6A.11，也就是202.114.106.17。

3 通信協(xié)議

通信協(xié)議是通信的雙方互相遵守的約定，本文中的通信協(xié)議（以C表示）由7個(gè)字節(jié)組成，見表1，現(xiàn)對(duì)各個(gè)字節(jié)進(jìn)行說明。

表1 通信協(xié)議配置

C0:可取3個(gè)值:00、11、01。00表示讓PLC向PC發(fā)送數(shù)據(jù)，11表示PC向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)，01表示讓PLC關(guān)閉Socket連接。

C1、C2、C3、C4:發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)的地址。此地址可以是PLC內(nèi)存中的任何一個(gè)區(qū)域。PLC接收到之后，將其轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)（兩個(gè)字），送到Socket服務(wù)參數(shù)區(qū)的發(fā)送/接收地址單元（對(duì)于CS1W型PLC，為D30024和D30025），作為要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的起始地址。

C5、C6:發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。由于PLC的Socket服務(wù)參數(shù)中的此項(xiàng)范圍為0～07C0，所以通信協(xié)議中用兩個(gè)字節(jié)來表示，PLC接收之后，先將其轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)，再送到Socket服務(wù)參數(shù)區(qū)的發(fā)送/接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)（對(duì)于 CS1W型 PLC，為D30023）單元中。

通信協(xié)議存放在內(nèi)存D中從D01000開始的7個(gè)連續(xù)單元中。

4 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)程序要實(shí)現(xiàn)的功能

上位機(jī)作為服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

監(jiān)聽:服務(wù)器啟動(dòng)后，處于監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)有客戶端申請(qǐng)連接時(shí)，便與之建立連接，以進(jìn)行通信。

斷開連接:服務(wù)器既可以單方面斷開連接，也可以響應(yīng)客戶的斷開而關(guān)閉連接;關(guān)閉連接之后若要進(jìn)行再次通信，則要重新開始監(jiān)聽。

接收數(shù)據(jù):客戶有數(shù)據(jù)送來時(shí)，服務(wù)器將其接收，并放于緩存中。

發(fā)送數(shù)據(jù):服務(wù)器調(diào)用Send（）命令，將緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶。

狀態(tài)顯示:能夠顯示服務(wù)器當(dāng)前的狀態(tài)。

4.2 上位機(jī)程序的實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)程序采用Visual C++6.0來實(shí)現(xiàn)，主要程序代碼如下:

5 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

Socket服務(wù)參數(shù)區(qū)在CPU單元的DM區(qū)，Socket服務(wù)請(qǐng)求開關(guān)在Socket服務(wù)參數(shù)區(qū)中設(shè)置。對(duì)于以太網(wǎng)單元號(hào)為0的情況，Socket的服務(wù)參數(shù)在DM中的地址為D30018～D30027（以CS1W型PLC為例），共10個(gè)字單元。表2列出了1號(hào)Socket服務(wù)參數(shù)在內(nèi)存D中的位置以及每個(gè)Socket服務(wù)參數(shù)區(qū)的配置。

表2 歐姆龍PLC Socket服務(wù)參數(shù)區(qū)配置

程序流程圖如圖3所示，在此流程圖中，省略了以TCP方式建立連接的細(xì)節(jié)過程，而主要是關(guān)于建立連接之后PLC與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信。

用CIO00000～CIO00003分別表示打開、關(guān)閉、發(fā)送和接收開關(guān)的請(qǐng)求位;用CIO00100～CIO00103分別表示打開、關(guān)閉、發(fā)送和接收的錯(cuò)誤標(biāo)志，以顯示錯(cuò)誤信息;用CIO00200～CIO00203分別用于控制打開、關(guān)閉、發(fā)送和接收指令的執(zhí)行，以達(dá)到只執(zhí)行一次的目的。

用CIO00300表示程序判斷位，以確定程序下一步的走向;用CIO00400表示接收命令開關(guān)位，此命令由服務(wù)器發(fā)送，用于控制PLC執(zhí)行何種操作，命令長(zhǎng)二十個(gè)字節(jié)，存放在以D01000開始的十個(gè)連續(xù)字單元中。

圖3 下位機(jī)通信流程

6 結(jié)束語(yǔ)

歐姆龍PLC具有很強(qiáng)的通信功能，其以太網(wǎng)模塊采用應(yīng)用廣泛的TCP/IP協(xié)議，數(shù)據(jù)通信速度快，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。文中的通信軟件采用Visual C++6.0編寫，性能穩(wěn)定，可靠性高。本文的通信方法已用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸至工業(yè)上位機(jī)，方便保存、處理和分析。

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