1、引言

在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層上，隨著自動(dòng)化和控制工程師需要與網(wǎng)絡(luò)打交道的機(jī)會(huì)越來(lái)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(cè)試及維護(hù)。如何簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)與PLC的交互已經(jīng)成為眾多廠商新的競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)場(chǎng)。由此產(chǎn)生了人機(jī)界面及各種組態(tài)軟件產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的出現(xiàn)簡(jiǎn)化了對(duì)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(diǎn)，價(jià)格普遍偏高和可二次開(kāi)發(fā)性較差。VB作為“原始”的編程語(yǔ)言，兼具了上述兩方面的優(yōu)勢(shì)。本文結(jié)合一個(gè)簡(jiǎn)單的案例來(lái)粗略討論如何通過(guò)VB實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PLC的以太網(wǎng)通信問(wèn)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(zhǎng)為500m。

（2）10 Base 2細(xì)同軸電纜，RG-58，一段最長(zhǎng)為185m。

（3）10 Base T雙絞線，UTP或STP，一段最長(zhǎng)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(gè)以太網(wǎng)，而用戶(hù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)者希望采用市場(chǎng)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(chǎng)的特殊要求：首先要考慮高溫、潮濕、振動(dòng)。二是對(duì)工業(yè)抗電磁干擾和抗輻射有一定要求，如滿(mǎn)足EN50081-2、EN50082-2標(biāo)準(zhǔn)，而辦公室級(jí)別的產(chǎn)品未經(jīng)這些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(jī)、收發(fā)器多為有源部件，而現(xiàn)場(chǎng)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(hù)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(gè)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(yùn)行TCP/IP協(xié)議；而后又在一個(gè)撥號(hào)語(yǔ)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(yùn)行成功；最后又實(shí)現(xiàn)了TCP/IP遠(yuǎn)程分組無(wú)線網(wǎng)點(diǎn)與其他Internet網(wǎng)點(diǎn)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(jiǎn)化了OSI模型，因?yàn)樗÷粤吮硎緦雍蜁?huì)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(shí)現(xiàn)TCP/IP也是經(jīng)濟(jì)的一種方式。

IP是Internet最基本的協(xié)議。IP是面向報(bào)文的協(xié)議，它獨(dú)立處理每個(gè)報(bào)文包，每個(gè)報(bào)文包必須含有完整的尋址信息。IP報(bào)文包的格式如圖2所示。

圖2 IP報(bào)文包的格式

IP地址的類(lèi)型共有4種（如圖3所示）：A類(lèi)用于處理超大型網(wǎng)絡(luò)，最多16387064個(gè)主機(jī)（1～126）；B類(lèi)網(wǎng)絡(luò)最多可有64516個(gè)主機(jī)（網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為128～191）；C類(lèi)用于小型網(wǎng)絡(luò)，最多可有254個(gè)主機(jī)（網(wǎng)絡(luò)地址的第一段為192～223）；D類(lèi)用于多點(diǎn)播送，用于多目的信息的傳輸。全零（“0.0.0.0”）地址對(duì)應(yīng)于當(dāng)前主機(jī)，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(bào)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(tái)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(dòng)窗口協(xié)議來(lái)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(jìn)行通信。報(bào)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(bào)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(lèi)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(hù)自定義功能代碼有兩組，分別為65～72和100～110，無(wú)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(gè)類(lèi)別。

（1）類(lèi)別0，對(duì)于客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器最小的可用子集：讀多個(gè)保持寄存器（fc.3）；寫(xiě)多個(gè)保持寄存器（fc.16）。

（2）類(lèi)別1，可實(shí)現(xiàn)基本互易操作的常用代碼：讀線圈（fc.1）；讀開(kāi)關(guān)量輸入（fc.2）；讀輸入寄存器（fc.4）；寫(xiě)線圈（fc.5）；寫(xiě)單一寄存器（fc.6）。

（3）類(lèi)別2，用于人機(jī)界面、監(jiān)控系統(tǒng)的例行操作和數(shù)據(jù)傳送功能：

（4）強(qiáng)制多個(gè)線圈（fc.15）；讀通用寄存器（fc.20）；寫(xiě)通用寄存器（fc.21）；屏蔽寫(xiě)寄存器（fc.22）；讀寫(xiě)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(jì)語(yǔ)言，用它來(lái)開(kāi)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(duì)象、屬性、事件、方法就是4個(gè)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(zhuān)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(gè)供系統(tǒng)用戶(hù)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(duì)該控件作較詳細(xì)的說(shuō)明。Winsock是一個(gè)ActiveX控件，需要要手動(dòng)添加許多項(xiàng)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(duì)話框中做如圖6的選擇。

圖6 對(duì)話框界面

（4）如圖7所示，在部件選項(xiàng)卡就會(huì)出現(xiàn)Winsock控件。

7、Winsock控件的基本屬性

此控件對(duì)于用戶(hù)在運(yùn)行時(shí)不可見(jiàn)，提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的途徑訪問(wèn)TCP及UDP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)而無(wú)需了解底層細(xì)節(jié)，使用時(shí)你只需設(shè)置屬性、在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)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(jì)時(shí)不可用。

LocalHostName：返回本機(jī)名字符串，設(shè)計(jì)時(shí)不可用。

LocalIP：返回以（xxx.xxx.xxx.xxx）格式表達(dá)的IP地址串。設(shè)計(jì)時(shí)不可用，運(yùn)行時(shí)只讀。

LocalPort ：本機(jī)使用接收端口可讀寫(xiě)，設(shè)計(jì)時(shí)可用，Long型。對(duì)于客戶(hù)，如果無(wú)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(jī)選擇一個(gè)端口。在一個(gè)連接確定后，為T(mén)CP的端口。對(duì)于服務(wù)器，指用于監(jiān)聽(tīng)的端口。如設(shè)置為0，則用隨機(jī)數(shù)。在調(diào)用Listen 方法后，該屬性自動(dòng)包含用到的端口。端口0總是用于在兩計(jì)算機(jī)間建立動(dòng)態(tài)連接。客戶(hù)希望通過(guò)端口0獲得一個(gè)隨機(jī)端口以”回調(diào)”連接服務(wù)器。

Protocol ：套接字類(lèi)型，為T(mén)CP或UDP二者之一，缺省為T(mén)CP類(lèi)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(jī)，你可提供主機(jī)名如：FTP://ftp.microsoft.com，或一IP地址串，例如“100.0.1.1”。

RemoteHostIP：遠(yuǎn)程主機(jī)的IP地址。對(duì)于客戶(hù)程序，在連接確定后使用Connect方法，此屬性包含遠(yuǎn)程主機(jī)的IP名串。對(duì)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(jī)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(jì)時(shí)不可用?？蔀橐韵轮担?/p>

常量描述

sckClosed 0 缺省值，關(guān)閉套接字

sckOpen 1 打開(kāi)套接字

sckListening 2 正監(jiān)聽(tīng)端口

sckConnectionPending 3 正在進(jìn)行未定的連接

sckResolvingHost 4 正解析主機(jī)地址

sckHostResolved 5 主機(jī)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(cuò)誤

8、VB與PLC基于MODBUS TCP的以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)

以下舉例說(shuō)明如何實(shí)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(yùn)行，紅色為停止）；能夠?qū)100、D200兩個(gè)寄存器進(jìn)行數(shù)值寫(xiě)入與讀出的操作。

（２）實(shí)現(xiàn)思路：同樣Y0的地址分別為H0500。寫(xiě)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操作即可實(shí)現(xiàn)寄存器的讀功能，按功能碼10H操作即可實(shí)現(xiàn)寄存器的寫(xiě)功能。

（３）VB接口的設(shè)計(jì)如圖8所示

在界面中用按鈕控制Y0的ON/OFF及D100、D200數(shù)據(jù)的寫(xiě)與讀；用shape組件做指示燈，指示Y0的ON/OFF狀態(tài)；用Winsock控件實(shí)現(xiàn)PLC與VB的通信。

（１）實(shí)現(xiàn)功能的代碼構(gòu)成

（２）建立網(wǎng)絡(luò)連接

Private Sub Command1_Click（）

Winsock1.Close

Winsock1.Connect Text1， 502

Label2.Caption = “Version： 1.0 ： ” + Format（Now， “mmm dd yyyy Hh:Nn:Ss”）

Command1.Enabled = False

Command1.Enabled = False

Text1.Enabled = False

End Sub

（2）、Y0的ON/OFF控制

Private Sub Comd_send_Click（）

On Error GoTo ErrProc

Dim sendstr（14） As Byte

sendstr（0） = &H0 ‘交換識(shí)別號(hào)高字節(jié)，通常為0

sendstr（1） = &H0 ’交換識(shí)別號(hào)低字節(jié)，通常為0

sendstr（2） = &H0 ‘協(xié)議識(shí)別號(hào)高字節(jié)，為 0

sendstr（3） = &H0 ’協(xié)議識(shí)別號(hào)低字節(jié)，為 0

sendstr（4） = &H0 ‘字節(jié)長(zhǎng)度高字節(jié)

sendstr（5） = &H9 ’以下字節(jié)長(zhǎng)度低字節(jié)

sendstr（6） = &HFF ‘單元識(shí)別號(hào)，確省為 255

sendstr（7） = &H5 ’寫(xiě)一個(gè)線圈命令代碼

sendstr（8） = &H0 ‘寫(xiě)線圈的起始地址高字節(jié)

sendstr（9） = &H1’寫(xiě)線圈的起始地址低字節(jié)

sendstr（10） = a ‘=FF打開(kāi)線圈，=00關(guān)閉線圈

sendstr（11） = &H0 ’

Dim aStr As String

Dim i， j As Integer

For i = 0 To 11

aStr = aStr & Chr（sendstr（i））

Next

Winsock1.SendData aStr

Exit Sub

ErrProc：

MsgBox “傳輸數(shù)據(jù)失敗”， vbCritical， “網(wǎng)絡(luò)傳輸”

End Sub

（3）線圈狀態(tài)顯示及寄存器讀出數(shù)據(jù)顯示

Private Sub winsock1_DataArrival（ByVal bytesTotal As Long）

Dim strdata（） As Byte

Dim i， j As Integer

Dim s As String

Dim s1 As String

Dim IO As Byte

i = Winsock1.BytesReceived

ReDim strdata（i）

Winsock1.GetData strdata， vbByte， i

For j = 0 To i - 1

s = s + Hex（strdata（j））

Next

If s Like “*5*” Then

s1 = Mid（s， 12， 2）

If s1 = “FF” Then

IO = 1

a = &H0

Else

IO = 0

a = &HFF

End If

If IO = 1 Then

Shape1.FillColor = RGB（0， 255， 0） ‘green

Labl3.Caption = “IO點(diǎn)接通”

Else

Shape1.FillColor = RGB（255， 0， 0） ’red

Labl3.Caption = “IO點(diǎn)斷開(kāi)”

End If

End If If s Like “*3*” Then

Text3.Text = Text3.Text + Mid（s， 11） + “”

End If

（4）、讀多個(gè)寄存器數(shù)據(jù)

End Sub Private Sub Command4_Click（）

On Error GoTo ErrProc

Dim str（12） As Byte

str（0） = &H0 ‘交換識(shí)別號(hào)高字節(jié)，通常為 0

str（1） = &H0 ’交換識(shí)別號(hào)低字節(jié)，通常為 0

str（2） = &H0 ‘協(xié)議識(shí)別號(hào)高字節(jié)，為 0

str（3） = &H0 ’協(xié)議識(shí)別號(hào)低字節(jié)，為 0

str（4） = &H0 ‘字節(jié)長(zhǎng)度高字節(jié)

str（5） = &H6 ’以下字節(jié)長(zhǎng)度低字節(jié)

str（6） = &HFF ‘單元識(shí)別號(hào)，確省為 255

str（7） = &H3 ’讀多個(gè)寄存器命令代碼

str（8） = &H10 ‘讀數(shù)據(jù)的起始地址高字節(jié)

str（9） = &HC8 ’讀數(shù)據(jù)的起始地址低字節(jié)

str（10） = &H0 ‘?dāng)?shù)據(jù)長(zhǎng)度高字節(jié)

str（11） = &H1 ’數(shù)據(jù)長(zhǎng)度低字節(jié)

Dim bStr As String

Dim i As Integer

For i = 0 To 11

bStr = bStr & Chr（str（i））

Next

Winsock1.SendData bStr

Exit Sub

ErrProc：

MsgBox “傳輸數(shù)據(jù)失敗”， vbCritical， “網(wǎng)絡(luò)傳輸”

End Sub

D100寄存器的寫(xiě)入操作類(lèi)似，由于篇幅所限其他代碼在此就不再贅述。

9．結(jié)速語(yǔ)

工業(yè)以太網(wǎng)是工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)，為了對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的管理與監(jiān)控，工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備大多都支持遠(yuǎn)程管理，而且各廠商業(yè)都有各自的網(wǎng)絡(luò)管理軟件以提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行友好的圖形化界面操作。管理員還可以通過(guò)遠(yuǎn)程telnet或web界面的方式直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。完善的兼容性，可靠的穩(wěn)定性，對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性，強(qiáng)大的冗余能力和方便的可管理性，是人們?cè)絹?lái)越多地在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用工業(yè)以太網(wǎng)的原因，而這也勢(shì)必成為工業(yè)以太網(wǎng)在越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里大顯身手的重要契機(jī)。借臺(tái)達(dá)即將推出以太網(wǎng)模塊之際撰寫(xiě)此文，希望能夠?yàn)槠湟蕴W(wǎng)模塊的推廣提供一些幫助。由于本人水平有限本文編寫(xiě)難免會(huì)有錯(cuò)漏之處，也請(qǐng)讀者給予批評(píng)指正。

責(zé)任編輯：gt