0 引言
在現代工業(yè)自動化控制系統中，可編程邏輯控制器(PLC)作為常用的現場控制設備，上位機作為數據采集及人機界面的一種已經得到廣泛使用。過去，在工程項目開發(fā)中，PLC和上位機間的通信常采用RS-232C或者RS-485串行方式，這種方法很難滿足數據量大、通信距離遠、實時性要求高的控制系統。隨著互聯網技術的發(fā)展、普及與推廣，以太網技術得到了迅速的發(fā)展，其傳輸速率的提高和交換技術的應用，解決了以太網通信的非確定性問題，使得工業(yè)以太網能夠廣泛應用于工業(yè)信息控制領域，也是工業(yè)信息控制未來的發(fā)展趨勢。
FINS(factory interface network service)通信協議是歐姆龍公司開發(fā)的用于工業(yè)自動化控制網絡的指令／響應系統。使用FINS指令可實現各種網絡間的無縫通信，包括用于信息網絡的 Etherne(以太網)，用于控制網絡的Controller Link和SYSMAC LINK。通過編程發(fā)送FINS指令，上位機或PLC就能夠讀寫另一個PLC數據區(qū)的內容，甚至控制其運行狀態(tài)，從而簡化了用戶程序。FINS協議支持工業(yè)以太網，這就為OMRON PLC與上位機以太網通信的實現提供了可能。
1 OMRON PLC與上位機通信方式
目前，在歐姆龍PLC網絡組成中，上位機和PLC的通信可以采用RS232C／485串行通信、Controller Link通信和工業(yè)以太網通信三種方式。它們的主要性能參數如表1所示。
文獻[3]介紹了采用RS232C／485串行通信的方案，其通信速率僅為9600b／s，速率較慢，很難適應現代數據量大、通信距離較遠、實時性要求較高的控制系統。
文獻[2]中給出了基于FINS協議的Controller Link通信的設計方案，其最高速率可以達到2Mb／s，整個網絡的最大傳輸距離為500m，硬件上需要在上位機安裝CLK支持卡，其擴展性及應用的靈活性沒有工業(yè)以太網好。
在三種通信方式中，工業(yè)以太網的優(yōu)勢是相當明顯的。其傳輸速率可以達到10／100Mb／s(取決于實際網絡環(huán)境)；兩個節(jié)點之間的傳輸距離可以達到 100m，對于整個網絡的傳輸距離沒有限制；網絡內最大節(jié)點數可以達到254個，可以實現1(PLC)：N(PC)、N：N、N：1等多種網絡形式。這些都為構架各種規(guī)模的工業(yè)網絡信息系統提供了有利的條件，具有良好的擴展性、實用性、靈活性。目前使用的上位機都配有以太網卡，所以上位機側無需增加額外的硬件設備。因此，采用工業(yè)以太網方式對提高工廠的自動化信息控制水平具有很大的現實意義。
2 以太網FINS通信
在以太網FINS通信中，各種數據信息是以UDP／IP包或者TCP／IP包的方式在以太網上發(fā)送和接收的。其中，在Internet層遠程設備使用的是 IP地址，而在應用層使用的則是FINS節(jié)點地址。傳輸層中定義了本地UDP或TCP端口號，它為應用層(即FINS通信)提供通信端口，其默認設置為 9600。用戶可以根據實際情況自行修改，但是在同一網絡中，各設備的通信端口號必須保持一致。圖1 FINS以太網通信協議模型
通常以太網通信使用的是IP地址，而在FINS通信中則是使用網絡號、節(jié)點號以及單元號來對不同設備(包括PLC、PC等現場設備)進行地址定義的。這就為不同網絡之間各種設備的通信提供了統一的尋址方式。在以太網FINS通信中，歐姆龍的以太網單元一項重要的功能就是能在IP地址和Fins節(jié)點地址之間進行轉換，其轉換方式有自動轉換、IP地址表和復合地址表三種方式，其地址轉換數量依據模塊型號和轉換方式的不同還有相應的限制。以太網FINS通信服務是一種基于UDP／IP的通信方式，稱為FINS／UDP方式，歐姆龍相關的以太網產品都支持這種方式。此外，CS1W-ETN21和CJ1W- ETN21以太網通信模塊還支持TCP／IP協議，稱為FINS／TCP方式。
2．1 FI NS／UDP方式
FINS／UDP方式是一種使用UDP／IP協議的FINS通信方式。UDP／IP是一種無連接的通信協議。當一條信息從一個節(jié)點發(fā)到另一個時，這兩個節(jié)點是沒有明確連接的對等關系的。UDP協議具有較快的傳輸速度，但是數據通信的可靠性沒有TCP協議高。
如圖2所示，是一個在以太網中發(fā)送和接收所使用的UDP幀結構。FINS/UDP方式使用的是一種嵌套格式數據包，即Ethernet報頭、IP報頭、 UDP報頭和FINS幀。一個UDP數據段(FINS 幀)超過1472字節(jié)將被分成若干個數據包來傳送。分開的UDP數據將在UDP／IP協議層自動組合。通常不需要關注應用層的數據分段，但是在一個多層 IP網絡中1427字節(jié)的UDP包可能無法發(fā)送。在這種系統中就需要使用FINS／TCP方式。
2．2 FINS幀結構
FINS 幀分為FINS指令幀和FINS響應幀兩種形式。指令幀在發(fā)送FINS指令時使用，響應幀則在接收到FINS指令后對其返回響應時使用。它們都是由一個 FINS報頭(存儲傳輸控制信息)、一個FINS指令域(存儲一個FINS指令)以及一個FINS參數／數據域(存儲指令參數和發(fā)送／響應數據)所組成的。響應幀FINS指令域的內容與所接收到的指令幀的FINS指令域相同。具體結構見圖3、圖4。
ICF為信息控制域，用于標明指令和響應；RSV為系統保留；GCT為網關允許數目；DNA為目的網絡號；DA1為目的節(jié)點號；DA2為目的單元號；SNA為源網絡號；SA1為源節(jié)點號；SA2為源單元號；SID為服務和響應的標識號，可任意設置，指令和響應對應相同；MRC和SRC分別為 FINS指令的主指令和從指令；參數／數據域，用于標明所操作的數據地址、范圍等，在響應幀中前兩個字節(jié)MRES和SRES構成響應碼，用來診斷錯誤信息。
3 FinsGateway和SYSMAC Compolet控件介紹
FinsGateway是OMRON FINS通信協議的驅動程序，它為計算機上的32位Windows操作系統提供一個工業(yè)自動化網絡環(huán)境。FinsGateway集成了不同的網絡協議，并為FINS通信和數據鏈接提供驅動程序和接口庫函數。它通過創(chuàng)建高性能的虛擬存儲區(qū)EventMemory，為不同的用戶程序提供數據的接入和共享。利用 FinsGateway，計算機可以通過各層網絡(包括網絡互聯)訪問網絡上的PLC，通過接口庫函數，用戶還可以開發(fā)程序。
SYSMAC Compolet是歐姆龍公司專門為FINS通信開發(fā)的Active X控件，它是架構在FinsGateway這個驅動程序下的VB控件，對Fins指令做了進一步集成和優(yōu)化。SYSMAC Compolet為SYSMAC C／CS1／CV系列的PLC提供應用程序編程接口，在開發(fā)時只需要調用該控件，編寫程序更便捷，語句更簡單，配合使用FinsGateway，通過計算機就可以方便地控制訪問PLC，直接對其操作而不需要掌握相應的Fins指令知識。
4 OMRON PLC與上位機以太網通信的實現
OMRON PLC與上位機的以太網通信依靠發(fā)送FINS指令實現。上位機發(fā)送FINS指令可以直接讀取或寫入PLC相應的數據，PLC部分無需編寫接收和發(fā)送程序。文獻[1]給出了運用VC++異步套接字類CAsyncSocket與OMRON PLC進行以太網通信的方法。本例中采用FINS／UDP方式，具體如圖7所示。上位機利用Visual Basic 6．0進行程序開發(fā)，具體實現向PLC發(fā)送FINS指令(讀取內存區(qū)域，指令代碼0101)讀取DM100開始的150個字數據的功能。相較于文獻[1] 介紹的方法，本文中為不同層次的使用者提供了三種方法來實現這一個功能，增加了系統開發(fā)的選擇性。圖7上位機與PLC通過以太網通信
在進行上位機程序編程之前首先要完成上位機和PLC的以太網單元的設置。
(1)設置上位機的IP地址為10．72．18．11，子網掩碼為255．255．255．0，它的FINS節(jié)點號默認為11。
(2)通過歐姆龍CX-Programmer軟件，在IO表中將PLC CSIW-ETN11以太網單元的IP地址設置為10．72．18．19，子網掩碼為255．255．255．0，FINS節(jié)點號設置為19。地址轉換方式設置為自動生成(動態(tài))。FINS／UDP端口為9600(默認)。保存后下傳至PLC。
下面主要介紹三種方法來實現上述功能。
4．1 使用Micosoft Wi nsock控件
在VB中新建一個Standard．EXE文件。添加Winsock控件，對象命名為"Winsock1"，發(fā)送Fins命令程序如下：
編譯保存后即可。
4．2 使用FINSGateway中的OMRON FinsMessaging Control
(1)在上位機中安裝Finsgateway軟件，并在Service Manager中啟動CPU_UNIT和ETN_UNIT。
(2)ETN UNIT屬性中，在"UDP Nodes"中手動添加PLC的IP地址(10．72．18．19)和FINS地址(0．19．0)。在"Commuincation Unit Settings"中設置端口號(9600)和FINS-IP地址轉換方式為自動生成(動態(tài))。
(3)在VB中新建一個standard．EXE文件。添加OMRON FinsGateway FinsMessaging Control，對象名為"FinsMsgl"。
(4)在form區(qū)添加一個Command button(命名為"Command1")作為發(fā)送Fins指令之用；同時添加一個textbox(命名為"Text1")作為顯示所接受數據之用。
(5)在"Conmand1"中的"Click"事件中添加如下代碼：
Private Sub Command1_C1ick()FinsMsg1．sendFinsCommand0，19，0，"0101820064000096"End Sub
在"FinsMsg1"中的"OnReceive"事件中添加如下代碼：
Private Sub FinsMsg1_OnReceive ()
Dim net As Integer，node As Integer，unit AsInteger
Text1．Text=Fins Msg1．receive Message(net，node，unit，vbString)
End Sub
編譯保存后即可。
4．3 使用FinsGateway和SYSMAC Compolet
(1)在上位機中安裝Fins Gateway和SYSMACCompolet軟件。啟動FinsGateway的Service Manager，并啟動CPU UNIT和ETN UNIT。
(2)同4．2中第(2)點。
(3)在VB中新建一個Standard．EXE文件。添加OMRON SYSMAC CS Control，對象名為"SYSMAC CS11"。
(4)在對象"SYSMACCS11"屬性中，選擇"Communication"標簽，選中"ActivateCoCommunication"并設置PLC的Fins地址(0．19．0)。
(5)在form區(qū)添加一個Command button(命名為"Command1")作為發(fā)送Fins指令之用；同時添加一個text box(命名為"Text1")作為顯示所接受數據之用。
(6)在"Conmand1"中的"Click"事件中添加如下代碼：
Private Sub Command1_Click()
Text1．Text=SYSMAC_CS1 1．readArea(plcAreaDM，100，150，vbString)
End Sub
編譯保存后即可。
5 結束語
工業(yè)以太網作為工業(yè)現場信息采集的重要網絡具有速率高、通信距離遠、抗干擾性好等特點，已經得到廣泛應用。本文所介紹的三種OMRON PLC與上位機以太網通信的方法均在實際工程中驗證成功。這三種方法從本質上來說其實是一樣的，但具體使用和實現過程有所不同。第一種方法不需要另外購置歐姆龍相關軟件，但需要對FINS通信底層協議以及Fins幀結構及其封裝過程有比較全面的了解，程序編寫較為復雜，適用于有一定開發(fā)經驗的高級用戶。第二種方法需要掌握Fin s幀結構以及FinsGateway的相關配置，但是對發(fā)送指令和接收數據的程序編寫較為簡單，適用于中級用戶。在第三種方法中，使用了SYSMAC Compolet中簡單易懂的編程語言，即可完成上位機的程序開發(fā)，整個程序編寫過程簡單明了，可以大幅縮減通信程序的開發(fā)時間，適用于那些開發(fā)經驗較少的初級用戶。后面兩種方法需要另外購置歐姆龍軟件，這是在程序開發(fā)時需要注意的。這三種方法都可利用工業(yè)以太網實現OMRON PLC與上位機的通信，具有實時性好、速度快、可靠性高、運行穩(wěn)定等優(yōu)點。在PLC控制系統中采用以太網單元通信后，使工業(yè)自動化與生產管理自動化有機地結合到了一起，簡化了系統設計。