利用Winscok控件实现VB与PLC的以太网通信

1、引言 在网络的各个层上，随着自动化和控制工程师需要与网络打交道的机会越来越多，联网的愿望和需要也正在逐渐高涨。而且，在监控和数据采集应用中，大多数工程师已将以太网协议应用于数据采集与监视控制系统（SCADA）和工厂的诊断、测试及维护。如何简便地实现与PLC的交互已经成为众多厂商新的竞争战场。由此产生了人机界面及各种组态软件产品，这些产品的出现简化了对PLC的控制、操作，使PLC的应用更加方便。但也有其共同的缺点，价格普遍偏高和可二次开发性较差。VB作为“原始”的编程语言，兼具了上述两方面的优势。本文结合一个简单的案例来粗略讨论如何通过VB实现PC机与PLC的以太网通信问题。 2、以太网通信的基本概念 2.1以太网的标准 以太网是一种局域网。早期标准为IEEE 802.3，数据链路层使用CSMA/CD，10Mb/s速度物理层有： (1)10 Base 5粗同轴电缆，RG-8，一段最长为500m。 (2)10 Base 2细同轴电缆，RG-58，一段最长为185m。 (3)10 Base T双绞线，UTP或STP，一段最长为100m。 2.2工业以太网与商用以太网的区别 什么是工业以太网？技术上，它与IEEE802.3兼容，故从逻辑上可把商用网和工业网看成是一个以太网，而用户可根据现场情况，灵活装配自己的网络部件。但从工业环境的恶劣和抗干扰的要求，设计者希望采用市场上可找到的以太网芯片和媒介，兼顾考虑下述工业现场的特殊要求：首先要考虑高温、潮湿、振动。二是对工业抗电磁干扰和抗辐射有一定要求，如满足EN50081-2、EN50082-2标准，而办公室级别的产品未经这些工业标准测试，表1列出了一些常用工业标准。为改善抗干扰性和降低辐射，工业以太网产品多使用多层线路板或双面电路板，且外壳采用金属如铸铝屏蔽干扰。三是电源要求，因集线器、交换机、收发器多为有源部件，而现场电源的品质又较差，故常采用双路直流电或交流电为其供电，另外考虑方便安装，工业以太网产品多数使用DIN导轨或面板安装。四是通信介质选择，在办公室环境下多数配线使用UTP，而在工业环境下推荐用户使用STP(带屏蔽双绞线)和光纤。 2.3 使用TCP/IP协议的原因及其概述 最主要的一个原因在于它能使用在多种物理网络技术上，包括局域网和广域网技术。TCP/IP协议的成功，很大程度上取决于它能适应几乎所有底层通信技术。20世纪80年代初，先在X.25上运行TCP/IP协议；而后又在一个拨号语音网络(如电话系统)上使用TCP/IP协议，又有TCP/IP在令牌环网上运行成功；最后又实现了TCP/IP远程分组无线网点与其他Internet网点间TCP/IP通信。所以TCP/IP协议极其灵活，具备连接不同网络的能力。另外，使用TCP/IP也简化了OSI模型，因为它省略了表示层和会话层。如果现在把以太网的物理层和数据链路层加到OSI模型，就构成了基于以太网的TCP/IP网，如图1所示。用以太网实现TCP/IP也是经济的一种方式。 IP是Internet最基本的协议。IP是面向报文的协议，它独立处理每个报文包，每个报文包必须含有完整的寻址信息。IP报文包的格式如图2所示。 IP地址的类型共有4种(如图3所示)：A类用于处理超大型网络，最多16387064个主机(1～126)；B类网络最多可有64516个主机(网络地址的第一段为128～191)；C类用于小型网络，最多可有254个主机(网络地址的第一段为192～223)；D类用于多点播送，用于多目的信息的传输。全零(“0.0.0.0”)地址对应于当前主机，全1地址(“255.255.255.255”)是当前子网的广播地址。 TCP是基于传输层的协议，协议文件可从RFC793得到，使用广泛，面向连接的可靠协议。它能把报文分解为数段，在目的站再重新装配这些段，支持重新发送未被收到的段，提供两台设备间的全双工连接，允许它们高效地交换大量数据。TCP使用滑动窗口协议来高效使用网络。由于TCP很少干预底层投递系统的工作，它适应各种投递系统，且提供流量控制，能使各种不同速率的系统进行通信。报文段是TCP所使用的基本传输单元，用于传输数据或控制信息。 3、MODBUS数据帧格式 在TCP/IP以太网上传输，支持Ethernet II和802.3两种帧格式。图3所示，Modbus TCP数据帧包含报文头、功能代码和数据3部分。 4、MODBUS功能代码 4.1 3种类型 (1)公共功能代码(如表2所示)：已定义好的功能码，保证其唯一性，由Modbus.org认可。 (2)用户自定义功能代码有两组，分别为65～72和100～110，无需认可，但不保证代码使用的唯一性。如变为公共代码，需交RFC认可。 (3)保留的功能代码，由某些公司使用在某些传统设备的代码，不可作为公共用途。 表2 Modbus常用公共代码功能 4.2功能代码划分：按应用深浅，可分为3个类别。 （1）类别0，对于客户机/服务器最小的可用子集：读多个保持寄存器(fc.3)；写多个保持寄存器(fc.16)。 （2）类别1，可实现基本互易操作的常用代码：读线圈(fc.1)；读开关量输入(fc.2)；读输入寄存器(fc.4)；写线圈(fc.5)；写单一寄存器(fc.6)。 （3）类别2，用于人机界面、监控系统的例行操作和数据传送功能： （4）强制多个线圈(fc.15)；读通用寄存器(fc.20)；写通用寄存器(fc.21)；屏蔽写寄存器(fc.22)；读写寄存器(fc.23)。 5、VB的基本概念 VB（Visual Basic）是面向对象的程序设计语言，用它来开发Windows操作系统下的应用程序，它提供了很多接口成员，对象、属性、事件、方法就是4个重要的接口，VB提供了许多常用的控件。 5.1卷标控件 卷标控件如图4（a）所示，该控件专用于显示文字、数字用，显示如图4(b)所示。 5.2 按钮控件 按钮控件如图5（a）所示，该控件使用率很高，提供一个供系统用户操作用的按钮，如图5（b）所示。 6、基于Winsock控件的TCP/IP以太网通信 要完成VB与PLC等设备的以太网通信要用到Winsock控件，在此有必要对该控件作较详细的说明。Winsock是一个ActiveX控件，需要要手动添加许多项目，其步骤如下： （1）选择菜单的【工程】。 （2）选择【部件】。 （3）在弹出的对话框中做如图6的选择。 图6 对话框界面 （4）如图7所示，在部件选项卡就会出现Winsock控件。 图7 Winsock控件 7、Winsock控件的基本属性 此控件对于用户在运行时不可见，提供了一个简单的途径访问TCP及UDP网络服务而无需了解底层细节，使用时你只需设置属性、在恰当的时候调用它提供的方法即可。 主要属性有： BytesReceived：返回当前缓冲区中的字节数量，我们可以使用 GetData 方法以接收数据。只读且设计时不可用。 LocalHostName：返回本机名字符串，设计时不可用。 LocalIP：返回以(xxx.xxx.xxx.xxx)格式表达的IP地址串。设计时不可用，运行时只读。 LocalPort ：本机使用接收端口可读写，设计时可用，Long型。对于客户，如果无需指定端口，则用端口0发送数据。在此情况下，控件将随机选择一个端口。在一个连接确定后，为TCP的端口。对于服务器，指用于监听的端口。如设置为0，则用随机数。在调用Listen 方法后，该属性自动包含用到的端口。端口0总是用于在两计算机间建立动态连接。客户希望通过端口0获得一个随机端口以”回调”连接服务器。 Protocol ：套接字类型，为TCP或UDP二者之一，缺省为TCP类型。设置为sckTCPProtocol表示TCP协议sckUDPProtocol表示UDP协议。在此属性被重置之前需用Close方法关闭之。 RemoteHost：发送或接收数据的主机，你可提供主机名如：FTP://ftp.microsoft.com，或一IP地址串，例如“100.0.1.1”。 RemoteHostIP：远程主机的IP地址。对于客户程序，在连接确定后使用Connect方法，此属性包含远程主机的IP名串。对于服务器程序， 在引入连接需求后(Connection Request 事件)，此属性包含IP串。当使用UDP套接字，在Data Arrival事件发生后，此属性为发送UDP数据的机器IP地址串。 RemotePort：连接套接字端口值。例如通常HTTP应用使用80端口，FTP则使用21。 State：控件的状态， 只读且设计时不可用。可为以下值： 常量描述 sckClosed 0 缺省值，关闭套接字 sckOpen 1 打开套接字 sckListening 2 正监听端口 sckConnectionPending 3 正在进行未定的连接 sckResolvingHost 4 正解析主机地址 sckHostResolved 5 主机地址已解析 sckConnecting 6 正在连接 sckConnected 7 已连接 sckClosing 8 连接关闭 sckError 9 错误 8、VB与PLC基于MODBUS TCP的以太网通信的实现 以下举例说明如何实现VB与PLC的以太网通信。 (１)控制要求：用交替型按钮控制Y0，并用指示灯显示Y0状态（绿色为运行，红色为停止）；能够对D100、D200两个寄存器进行数值写入与读出的操作。 （２）实现思路：同样Y0的地址分别为H0500。写入FF00为ON，0000为OFF，按功能码05操作；D100，D200地址分别为H1064，H10C8，按功能码03操作