如何通過VB實現(xiàn)PC機與PLC的以太網(wǎng)通信，解決方案分析

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)的標準

以太網(wǎng)是一種局域網(wǎng)。早期標準為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標準，而辦公室級別的產(chǎn)品未經(jīng)這些工業(yè)標準測試，表1列出了一些常用工業(yè)標準。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。

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(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)于當前主機，全1地址（“255.255.255.255”）是當前子網(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?yōu)楣泊a，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(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卷標控件

卷標控件如圖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。

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)而無需了解底層細節(jié)，使用時你只需設(shè)置屬性、在恰當?shù)臅r候調(diào)用它提供的方法即可。

主要屬性有：

BytesReceived：返回當前緩沖區(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?？蛻粝Ｍㄟ^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(wù)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(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?？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操作即可實現(xiàn)寄存器的讀功能，按功能碼10H操作即可實現(xiàn)寄存器的寫功能。

（３）VB接口的設(shè)計如圖8所示

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

（１）實現(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 ‘交換識別號高字節(jié)，通常為0

sendstr（1） = &H0 ’交換識別號低字節(jié)，通常為0

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

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

sendstr（4） = &H0 ‘字節(jié)長度高字節(jié)

sendstr（5） = &H9 ’以下字節(jié)長度低字節(jié)

sendstr（6） = &HFF ‘單元識別號，確省為 255

sendstr（7） = &H5 ’寫一個線圈命令代碼

sendstr（8） = &H0 ‘寫線圈的起始地址高字節(jié)

sendstr（9） = &H1’寫線圈的起始地址低字節(jié)

sendstr（10） = a ‘=FF打開線圈，=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點接通”

Else

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

Labl3.Caption = “IO點斷開”

End If

End If If s Like “*3*” Then

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

End If

（4）、讀多個寄存器數(shù)據(jù)

End Sub Private Sub Command4_Click（）

On Error GoTo ErrProc

Dim str（12） As Byte

str（0） = &H0 ‘交換識別號高字節(jié)，通常為 0

str（1） = &H0 ’交換識別號低字節(jié)，通常為 0

str（2） = &H0 ‘協(xié)議識別號高字節(jié)，為 0

str（3） = &H0 ’協(xié)議識別號低字節(jié)，為 0

str（4） = &H0 ‘字節(jié)長度高字節(jié)

str（5） = &H6 ’以下字節(jié)長度低字節(jié)

str（6） = &HFF ‘單元識別號，確省為 255

str（7） = &H3 ’讀多個寄存器命令代碼

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 ‘數(shù)據(jù)長度高字節(jié)

str（11） = &H1 ’數(shù)據(jù)長度低字節(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寄存器的寫入操作類似，由于篇幅所限其他代碼在此就不再贅述。

9．結(jié)速語

工業(yè)以太網(wǎng)是工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，為了對工業(yè)設(shè)備進行實時的管理與監(jiān)控，工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備大多都支持遠程管理，而且各廠商業(yè)都有各自的網(wǎng)絡(luò)管理軟件以提供對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行友好的圖形化界面操作。管理員還可以通過遠程telnet或web界面的方式直接對設(shè)備進行調(diào)試。完善的兼容性，可靠的穩(wěn)定性，對惡劣環(huán)境的適應(yīng)性，強大的冗余能力和方便的可管理性，是人們越來越多地在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中采用工業(yè)以太網(wǎng)的原因，而這也勢必成為工業(yè)以太網(wǎng)在越來越多的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里大顯身手的重要契機。借臺達即將推出以太網(wǎng)模塊之際撰寫此文，希望能夠為其以太網(wǎng)模塊的推廣提供一些幫助。由于本人水平有限本文編寫難免會有錯漏之處，也請讀者給予批評指正。

責任編輯：gt