1、引言 在網(wǎng)絡(luò)的各個層上，隨著自動化和控制工程師需要與網(wǎng)絡(luò)打交道的機會越來越多，聯(lián)網(wǎng)的愿望和需要也正在逐漸高漲。而且，在監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，大多數(shù)工程師已將以太網(wǎng)協(xié)議應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）和工廠的診斷、測試及維護。如何簡便地實現(xiàn)與PLC的交互已經(jīng)成為眾多廠商新的競爭戰(zhàn)場。由此產(chǎn)生了人機界面及各種組態(tài)軟件產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的出現(xiàn)簡化了對PLC的控制、操作，使PLC的應(yīng)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(fā)性較差。VB作為“原始”的編程語言，兼具了上述兩方面的優(yōu)勢。本文結(jié)合一個簡單的案例來粗略討論如何通過VB實現(xiàn)PC機與PLC的以太網(wǎng)通信問題。 2、以太網(wǎng)通信的基本概念 2.1以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn) 以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)。早期標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.3，數(shù)據(jù)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(xì)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(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)的區(qū)別 什么是工業(yè)以太網(wǎng)？技術(shù)上，它與IEEE802.3兼容，故從邏輯上可把商用網(wǎng)和工業(yè)網(wǎng)看成是一個以太網(wǎng)，而用戶可根據(jù)現(xiàn)場情況，靈活裝配自己的網(wǎng)絡(luò)部件。但從工業(yè)環(huán)境的惡劣和抗干擾的要求，設(shè)計者希望采用市場上可找到的以太網(wǎng)芯片和媒介，兼顧考慮下述工業(yè)現(xiàn)場的特殊要求：首先要考慮高溫、潮濕、振動。二是對工業(yè)抗電磁干擾和抗輻射有一定要求，如滿足EN50081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)，而辦公室級別的產(chǎn)品未經(jīng)這些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試，表1列出了一些常用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為改善抗干擾性和降低輻射，工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)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(fā)器多為有源部件，而現(xiàn)場電源的品質(zhì)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(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品多數(shù)使用DIN導(dǎo)軌或面板安裝。四是通信介質(zhì)選擇，在辦公室環(huán)境下多數(shù)配線使用UTP，而在工業(yè)環(huán)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(xié)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)上，包括局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)技術(shù)。TCP/IP協(xié)議的成功，很大程度上取決于它能適應(yīng)幾乎所有底層通信技術(shù)。20世紀(jì)80年代初，先在X.25上運行TCP/IP協(xié)議；而后又在一個撥號語音網(wǎng)絡(luò)(如電話系統(tǒng))上使用TCP/IP協(xié)議，又有TCP/IP在令牌環(huán)網(wǎng)上運行成功；最后又實現(xiàn)了TCP/IP遠(yuǎn)程分組無線網(wǎng)點與其他Internet網(wǎng)點間TCP/IP通信。所以TCP/IP協(xié)議極其靈活，具備連接不同網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)在把以太網(wǎng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層加到OSI模型，就構(gòu)成了基于以太網(wǎng)的TCP/IP網(wǎng)，如圖1所示。用以太網(wǎng)實現(xiàn)TCP/IP也是經(jīng)濟的一種方式。 IP是Internet最基本的協(xié)議。IP是面向報文的協(xié)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。 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(wǎng)絡(luò)，最多16387064個主機(1～126)；B類網(wǎng)絡(luò)最多可有64516個主機(網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為128～191)；C類用于小型網(wǎng)絡(luò)，最多可有254個主機(網(wǎng)絡(luò)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(yīng)于當(dāng)前主機，全1地址(“255.255.255.255”)是當(dāng)前子網(wǎng)的廣播地址。 TCP是基于傳輸層的協(xié)議，協(xié)議文件可從RFC793得到，使用廣泛，面向連接的可靠協(xié)議。它能把報文分解為數(shù)段，在目的站再重新裝配這些段，支持重新發(fā)送未被收到的段，提供兩臺設(shè)備間的全雙工連接，允許它們高效地交換大量數(shù)據(jù)。TCP使用滑動窗口協(xié)議來高效使用網(wǎng)絡(luò)。由于TCP很少干預(yù)底層投遞系統(tǒng)的工作，它適應(yīng)各種投遞系統(tǒng)，且提供流量控制，能使各種不同速率的系統(tǒng)進行通信。報文段是TCP所使用的基本傳輸單元，用于傳輸數(shù)據(jù)或控制信息。 3、MODBUS數(shù)據(jù)幀格式 在TCP/IP以太網(wǎng)上傳輸，支持Ethernet II和802.3兩種幀格式。圖3所示，Modbus TCP數(shù)據(jù)幀包含報文頭、功能代碼和數(shù)據(jù)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(rèn)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(rèn)可，但不保證代碼使用的唯一性。如變?yōu)楣泊a，需交RFC認(rèn)可。 (3)保留的功能代碼，由某些公司使用在某些傳統(tǒng)設(shè)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(yīng)用深淺，可分為3個類別。 （1）類別0，對于客戶機/服務(wù)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(xiàn)基本互易操作的常用代碼：讀線圈(fc.1)；讀開關(guān)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(jiān)控系統(tǒng)的例行操作和數(shù)據(jù)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?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，用它來開發(fā)Windows操作系統(tǒng)下的應(yīng)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(biāo)控件 卷標(biāo)控件如圖4（a）所示，該控件專用于顯示文字、數(shù)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(tǒng)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(wǎng)通信 要完成VB與PLC等設(shè)備的以太網(wǎng)通信要用到Winsock控件，在此有必要對該控件作較詳細(xì)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(xiàn)Winsock控件。 圖7 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(wǎng)絡(luò)服務(wù)而無需了解底層細(xì)節(jié)，使用時你只需設(shè)置屬性、在恰當(dāng)?shù)臅r候調(diào)用它提供的方法即可。 主要屬性有： BytesReceived：返回當(dāng)前緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)量，我們可以使用 GetData 方法以接收數(shù)據(jù)。只讀且設(shè)計時不可用。 LocalHostName：返回本機名字符串，設(shè)計時不可用。 LocalIP：返回以(xxx.xxx.xxx.xxx)格式表達的IP地址串。設(shè)計時不可用，運行時只讀。 LocalPort ：本機使用接收端口可讀寫，設(shè)計時可用，Long型。對于客戶，如果無需指定端口，則用端口0發(fā)送數(shù)據(jù)。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(wù)器，指用于監(jiān)聽的端口。如設(shè)置為0，則用隨機數(shù)。在調(diào)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(tài)連接。客戶希望通過端口0獲得一個隨機端口以”回調(diào)”連接服務(wù)器。 Protocol ：套接字類型，為TCP或UDP二者之一，缺省為TCP類型。設(shè)置為sckTCPProtocol表示TCP協(xié)議sckUDPProtocol表示UDP協(xié)議。在此屬性被重置之前需用Close方法關(guān)閉之。 RemoteHost：發(fā)送或接收數(shù)據(jù)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(yuǎn)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(yuǎn)程主機的IP名串。對于服務(wù)器程序， 在引入連接需求后(Connection Request 事件)，此屬性包含IP串。當(dāng)使用UDP套接字，在Data Arrival事件發(fā)生后，此屬性為發(fā)送UDP數(shù)據(jù)的機器IP地址串。 RemotePort：連接套接字端口值。例如通常HTTP應(yīng)用使用80端口，F(xiàn)TP則使用21。 State：控件的狀態(tài)， 只讀且設(shè)計時不可用。可為以下值： 常量描述 sckClosed 0 缺省值，關(guān)閉套接字 sckOpen 1 打開套接字 sckListening 2 正監(jiān)聽端口 sckConnectionPending 3 正在進行未定的連接 sckResolvingHost 4 正解析主機地址 sckHostResolved 5 主機地址已解析 sckConnecting 6 正在連接 sckConnected 7 已連接 sckClosing 8 連接關(guān)閉 sckError 9 錯誤 8、VB與PLC基于MODBUS TCP的以太網(wǎng)通信的實現(xiàn) 以下舉例說明如何實現(xiàn)VB與PLC的以太網(wǎng)通信。 (１)控制要求：用交替型按鈕控制Y0，并用指示燈顯示Y0狀態(tài)（綠色為運行，紅色為停止）；能夠?qū)100、D200兩個寄存器進行數(shù)值寫入與讀出的操作。 （２）實現(xiàn)思路：同樣Y0的地址分別為H0500。寫入FF00為ON，0000為OFF，按功能碼05操作；D100，D200地址分別為H1064，H10C8，按功能碼03操作