樊新乾，潘存海

（天津科技大學 機械工程學院，天津 300222）

0 引言

在工業(yè)控制中，基于PLC控制的工程在上/下位機通訊上普遍采用RS-232/RS-485串口或者Ethernet通信模塊進行通訊。串行通信是工業(yè)控制領域應用最為廣泛的通信方式，它的數(shù)據(jù)和控制信息是逐位地傳送出去，因此對于數(shù)據(jù)量較大，通訊距離較遠，實時性要求高的控制系統(tǒng)，很難滿足通訊需要[1]。近年來，工業(yè)以太網(wǎng)得到了快速發(fā)展，越來越多的受到工業(yè)控制用戶的青睞，其穩(wěn)定性、準確性和實時性的特點，廣泛應用于電力、水利、冶金、化工、機械和制造業(yè)等控制系統(tǒng)[2]。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的控制和操作，使PLC的應用更加方便。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[3]?；赩isual Basic（VB）平臺的上位機監(jiān)控界面的設計，克服了以上缺點，受到越來越多工業(yè)用戶的關注[4]。然而利用Visual Basic（VB）自身的串口通信控件與網(wǎng)絡控件進行上位機監(jiān)控程序的設計，由于控件的局限性，程序開發(fā)難度較大。由此，本文通過深入研究Windows API函數(shù)的結構，通過調用Windows API函數(shù)，設計出一種可同時進行串行通信與Ethernet通信的解決方案，大大提高了上位機監(jiān)控軟件的開發(fā)效率，打破了串行通信控件與網(wǎng)絡控件對編程人員的限制。使得程序開發(fā)人員不用過多關注通信控件的屬性設計，把更多的精力放到監(jiān)控界面的開發(fā)上來。最后，本文以臺達DVPEN01-SL模塊為Ethernet通信載體，以及工控機自帶的COM口為串行通信載體，設計了PLC與上位機串行與Ethernet整合通信的解決方案，為工業(yè)現(xiàn)場用戶提供更多的通信選擇方式，簡化了上位機監(jiān)控界面的編制過程，提高了工業(yè)通信的可靠性與準確性。

1 Modbus以及Modbus/TCP協(xié)議

Modbus是一種應用層報文傳輸協(xié)議，Modbus報文傳輸服務提供設備之間的客戶機/服務器通信，而這些設備聯(lián)接在一個以太網(wǎng)上，信息傳遞分4類報文：Modbus請求、Modbus證實、Modbus指示和Modbus響應。Modbus請求是服務器在網(wǎng)絡上發(fā)送用來啟動事務處理的報文；Modbus指示是客戶機接收的請求報文；Modbus響應是客戶機發(fā)送的響應報文；Modbus證實是服務器接收的響應報文[5]。如圖1所示。

圖1 Modbus報文類型

Modbus/TCP協(xié)議是Modbus家族中應用于自動控制裝置上的開放的通訊協(xié)議，用于實現(xiàn)不同類型的總線或網(wǎng)絡連接的設備之間的C/S(客戶機/服務器)通信，通過通用的網(wǎng)絡部件在Intranet/Internet上傳輸。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是標準的以太網(wǎng)協(xié)議，網(wǎng)際層是標準的IP協(xié)議，傳輸層是標準的TCP協(xié)議，應用層嵌入Modbus協(xié)議。其網(wǎng)絡結構如圖2所示。

圖2 Modbus/TCP協(xié)議網(wǎng)絡結構模型

2 Windows API函數(shù)

API函數(shù)[6]（全稱為Application Programming Interface）也稱為應用程序編程接口，Windows API顧名思義就是Windows平臺下的應用程序編程接口。它是操作系統(tǒng)預留給應用程序的一個調用接口，應用程序可通過調用操作系統(tǒng)提供的相關API函數(shù)來使操作系統(tǒng)使用應用程序區(qū)執(zhí)行一些命令（動作）。API函數(shù)是構筑整個Windows框架的基礎。在API函數(shù)下面是Windows 操作系統(tǒng)核心，而它的上面則是華麗的Windows系統(tǒng)的操作界面和各種應用程序。Windows系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 Windows結構

Visual Basic（VB）就是Windows平臺上優(yōu)秀的可視化編程應用程序，其主要特點為操作簡單，界面友好，所見即所得。提供了大量的類庫和控件（這些類庫或控件就是對API函數(shù)封裝的結果），例如MSComm（Microsoft Communications Control）控件和Winsock控件，它們替代了API函數(shù)。但是它們的應用具有一定的局限性，編程人員需要花很大精力來設計控件的各個屬性。因此我們可以在Visual Basic（VB）中調用自主開發(fā)的API函數(shù)的集合，省略掉上位機監(jiān)控程序中通信控件的屬性設計，簡化成為簡單地函數(shù)調用過程，可大大提高程序開發(fā)效率，拓展更多的功能。

DMT函式庫就是以Windows Winsock API(WSA)為開發(fā)基礎的API函數(shù)的集合。用來開發(fā)支持以Modbus格式連結的工業(yè)產(chǎn)品，開發(fā)者可以通過匯入函式庫的方式來連結串行口及工業(yè)Ethernet的通訊。DMT函式庫提供標準C/C++動態(tài)及靜態(tài)連結方式，并支持Microsoft Visual C++/Visual Basic、Borland C++Builder等軟體開發(fā)環(huán)境。其協(xié)議堆疊圖如圖4所示。

圖4 協(xié)議堆疊圖

3 通訊模塊以及PLC主機

本系統(tǒng)所應用的Ethernet通信模塊為臺達 DVPEN01-SL，PLC主 機 為DVP32EH-L。DVPEN01-SL是臺達系列產(chǎn)品Ethernet通訊模塊[7],支持Modbus/TCP通訊協(xié)議，可使用圖控軟件或人機界面，做遠程的監(jiān)控。DVPEN01-SL也可以作為Modbus/TCP的主端，可發(fā)送 Modbus/TCP指令，控制周邊設備。另外在MDI/MDI-X自動檢測功能下，在選擇網(wǎng)絡線時不需跳線。通過DVPEN01-SL Ethernet通訊模塊，可實現(xiàn)上位計算機與PLC主機的通信。D而串口通信則可通過DB9轉8針圓頭RS-232串口線纜直接連接PLC與上位機。由于篇幅所限，DVPEN01-SL的具體設置以及PLC主機的程序設計在此就不再贅述。系統(tǒng)硬件連接方式如圖5所示。

圖5 硬件連接示意圖

4 監(jiān)控程序的編寫

我們通過VB6.0，編寫上位機監(jiān)控程序人機交互界面。在VB6.0中使用DMT2.0函式庫，必須首先匯入模塊(module)，步驟如下。

1）將DMT.bas添加進項目。

2）復制DMT.dll到項目目錄下。如圖6所示。

圖6 模塊匯入

在臺達PLC中[8]，M1072為特殊輔助寄存器，M1072標志設置為ON，可使主程序為RUN狀態(tài)，以下按照DMT2.0函式庫使用步驟，并以此為范例，來說明上位機監(jiān)控界面代碼的設計。如圖7所示。

圖7 寄存器動作示意圖

以Modbus功能碼0x05寫入單一線圈M1072為例，其Modbus起始位址0C30，設定線圈狀態(tài)為FF00，PLC主程序為RUN，若設定0000則為STOP。程序編寫過程如下：

首先聲明WIN32 API函數(shù)

Private Declare Function inet_addr Lib "wsock32.dll" (ByVal s As String) As Long。

4.1 Modbus 串行通信過程

1）設定通信參數(shù)

2）開啟串行通信

3）數(shù)據(jù)存取

Modbus數(shù)據(jù)請求

4）關閉通訊 Call CloseSerial(conn_num)

4.2 Modbus/TCP通信過程

1）設定通信參數(shù)

2）開啟通信

3）數(shù)據(jù)存取

4）關閉通信 Call CloseSocket(conn_num)

5 監(jiān)控界面簡介

本監(jiān)控系統(tǒng)主要包括通信模式選擇，PLC運行指示，X軸運動監(jiān)控，Y軸運動監(jiān)控，輸入運行監(jiān)控，以及報錯信息界面，能夠滿足本項目的基本調試運行要求。程序運行界面如圖8所示。

圖8 監(jiān)控程序運行界面

6 結論

為了對工業(yè)設備進行實時有效的管理與監(jiān)控，完善的兼容性，可靠的穩(wěn)定性，對惡劣環(huán)境的適應性，強大的冗余能力和方便的可管理性，是人們越來越多地在Visual Basic（VB）平臺下開發(fā)上位機監(jiān)控程序的設計的原因，而這也勢必成為本文所述通信方案在越來越多的工業(yè)控制網(wǎng)絡環(huán)境里大顯身手的重要契機。本方案的提出成功的整合了串口通信與Ethernet通信，使得上位機監(jiān)控程序的開發(fā)更為簡單和方便，程序員從繁雜的通信控件設計編程工作中解放出來，也為工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)冗余設計以及應急通信方面提供了安全可靠的方案，應用前景廣泛。本文所述程序已成功應用于臺達PLC運動控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面部分中，實驗證明，該程序安全可靠，運行正常穩(wěn)定。

[1]張輝, 李榮利, 王和平.Visual Basic串口通信及編程實例[M].北京: 化學工業(yè)出版社, 2011.

[2]關學進, 劉娟.基于Modbus/TCP工業(yè)以太網(wǎng)的自動化控制系統(tǒng)[J].電子測試, 2011(4): 4-8.

[3]馮冬芹, 金建祥, 褚健等.工業(yè)以太網(wǎng)關鍵技術初探[J].信息與控制, 2003, 32(3): 219-224.

[4]魏慶福.現(xiàn)場總線技術發(fā)展的新動向[J].工業(yè)控制計算機, 2000(1): 11-12.

[5]霍恒裕.一種Modbus/TCP工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的結構[J].Computer Knowledge And Technology電腦知識與技術,2008(4): 855-856.

[6]楊本倫, 等.Visual Basic開發(fā)技術大全[M].北京: 清華大學出版社, 2010.

[7]臺達DVPEN01-SL Ethernet通訊模塊操作手冊.

[8]DVP-PLC應用技術手冊.