裴忠誠 ，陳洪駿 ，葉 樺

（1.東南大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210096；2.蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電與信息技術(shù)學(xué)院，蘇州215009）

遠程通信和監(jiān)控技術(shù)是通過各種通信手段收集并處理遠端監(jiān)控設(shè)備的多元信息，以便實時了解設(shè)備的運行情況以及對設(shè)備進行統(tǒng)一管理的一種技術(shù)。為了幫助自動化設(shè)備企業(yè)進一步縮短設(shè)備故障診斷時間，提高設(shè)備維護效率，改進設(shè)備制造質(zhì)量，降低去現(xiàn)場修改PLC程序的人員費用[1]。本項目設(shè)計了一種基于歐姆龍PLC的工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備使用歐姆龍CP1H型號PLC，其核心技術(shù)之一就是對Host Link FINS協(xié)議解析和使用。通過對PLC通信指令進行解析，基于通信協(xié)議定制相關(guān)監(jiān)控指令和操作指令來實現(xiàn)監(jiān)控軟件與PLC的遠程通信以及遠程程序下載上傳[2]。維護人員只需連接至網(wǎng)絡(luò)，即可通過監(jiān)控軟件在線監(jiān)視PLC的程序運行情況，從而降低運營成本。

1 總體架構(gòu)

整個監(jiān)控系統(tǒng)分成2個部分：現(xiàn)場設(shè)備和監(jiān)控軟件，如圖1所示?，F(xiàn)場的PLC負(fù)責(zé)設(shè)備的控制和信息采集；信號發(fā)射器通過串口和PLC相接，用于實現(xiàn)PLC設(shè)備與監(jiān)控軟件的遠程通訊，實時監(jiān)測PLC設(shè)備的運行狀態(tài)以及實現(xiàn)程序的遠程修改和升級[3]；服務(wù)器主要作為數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)處理部分，主要為客戶端軟件提供它所需的數(shù)據(jù)源，同時將來自客戶端軟件的遠程控制指令實時轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)PLC設(shè)備；客戶端部分則主要提供數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析、程序升級、客戶信息查詢、設(shè)備位置管理等功能[5]。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Monitor and control system structure

1.1 信號發(fā)射器

CP1H型號PLC設(shè)備沒有配置網(wǎng)絡(luò)拓展模塊，無法直接和服務(wù)器通信。需要在PLC側(cè)開發(fā)信號發(fā)射器，使PLC設(shè)備能與監(jiān)控軟件進行數(shù)據(jù)通信。發(fā)射器模塊具有串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)WIFI發(fā)送、串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)以太網(wǎng)發(fā)送和串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)GPRS發(fā)送3種功能，根據(jù)PLC設(shè)備所在現(xiàn)場的不同環(huán)境，選擇不同的工作模式。

1.2 PLC控制設(shè)備

底層PLC部分選用的是歐姆龍公司較新的一款PLC CP1H，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)高速處理、高功能的程序一體化型PLC，處理速度可達到以往CP1M2A設(shè)備的10倍；豐富的高速計數(shù)器功能，多樣的脈沖控制，各種組件如串口、USB等使其連接相容性大大提高；可用于CJ拓展系列的高單元功能，靈活性比較高[4]。它能夠支持較新的Host Link FINS傳輸協(xié)議，通過串口直接與信號發(fā)射器相連，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收發(fā)，并且能自動校驗，通過通信鏈路進行檢測。

1.3 監(jiān)控軟件

PC監(jiān)控軟件主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理、實時顯示、警報和PLC程序的遠程下載、調(diào)試，從而實現(xiàn)對PLC的實時狀態(tài)進行監(jiān)控等[6]。這個功能方便監(jiān)控人員查詢PLC設(shè)備的參數(shù)數(shù)據(jù)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障點，以及進行參數(shù)配置和遠程指令控制操作。

監(jiān)控軟件包括客戶端和服務(wù)器2部分，服務(wù)器分別與客戶端和PLC設(shè)備通信。服務(wù)器對接收到2邊的指令進行處理和轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)設(shè)備和終端通信，并且將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，為客戶端提供數(shù)據(jù)源?？蛻舳瞬糠种饕鞘瞻l(fā)指令，并且對數(shù)據(jù)進行處理，顯示出監(jiān)控狀態(tài)。MFC中的各種類構(gòu)成了一個應(yīng)用程序框架，在此基礎(chǔ)上建立Windows應(yīng)用程序，是一種相對SDK來說更為簡單的方法[9]?？蛻舳瞬捎肕FC技術(shù)設(shè)計監(jiān)控所需的界面，后臺進行指令傳送、解析、數(shù)據(jù)接收和處理，并且將需要的數(shù)據(jù)在軟件界面上顯示，方便工程人員監(jiān)控。當(dāng)工程人員需要調(diào)試時，可以將監(jiān)控程序關(guān)閉，切換到調(diào)試狀態(tài)，系統(tǒng)打開PC上的CX-ONE軟件，進行修改、測試，并且能夠遠程上傳下載程序。

2 Host Link FINS通信協(xié)議

2.1 Host Link FINS簡介

Host Link協(xié)議是歐姆龍公司產(chǎn)品的一種常用通信協(xié)議，通過Host Link協(xié)議，PLC可以和開發(fā)軟件相互之間進行串口通信。Host Link FINS協(xié)議采用的是問答式的通信方式，主機（Host computer）沒有向PLC發(fā)送任何指令時，PLC設(shè)備除了內(nèi)部程序執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)指令，是不會通過串口對外發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)通信鏈路為通的狀態(tài)，主機向連接的PLC發(fā)送一條指令，PLC必須返回對應(yīng)的一條指令。PLC接收到主機發(fā)送的指令之后，首先進行指令校驗（FCS），沒有問題，取出FINS的指令部分，轉(zhuǎn)換成ASCII碼執(zhí)行相關(guān)操作，執(zhí)行結(jié)束后將返回給主機的指令重新進行校驗，發(fā)送給主機，完成一次通信過程。

2.2 Host Link FINS數(shù)據(jù)幀格式

Host Link FINS協(xié)議是基于Host Link協(xié)議的FINS通信協(xié)議。主機發(fā)送數(shù)據(jù)幀中，由Host Link數(shù)據(jù)幀頭、FINS發(fā)送指令數(shù)據(jù)、Host Link FCS校驗碼、Host Link幀尾組成，在PLC的返回數(shù)據(jù)幀中，由Host Link數(shù)據(jù)幀頭、FINS返回指令數(shù)據(jù)、Host Link FCS校驗碼、Host Link幀尾組成。

圖2和圖3是Host Link FINS發(fā)送指令和應(yīng)答指令的數(shù)據(jù)幀格式。

圖2 Host Link FINS發(fā)送指令Fig.2 Host Link FINS send command

圖3 Host Link FINS應(yīng)答指令Fig.3 Host Link FINS reply command

@：在PLC的Host Link FINS數(shù)據(jù)幀中，是以ASCII碼‘@’為開頭；

Unit No.：單元號，對應(yīng)PLC內(nèi)置串口或串行通訊單元設(shè)置的Host Link單元號；

Header code：在PC主機直連PLC的情況下，頭代碼為FA；

ICF：為信息控制域，用于標(biāo)明指令和響應(yīng)，當(dāng)FINS指令依賴網(wǎng)絡(luò)就用80，如果是直連就用00；

RSV：為系統(tǒng)保留，設(shè)定為00；

GCT：為網(wǎng)關(guān)允許數(shù)目；

DNA：為目的網(wǎng)絡(luò)號；

DA1：為目的節(jié)點號；

DA2：為目的單元號；

SNA：為源網(wǎng)絡(luò)號；

SA1：為源節(jié)點號；

SA2：為源單元號；

SID：為服務(wù)和響應(yīng)的標(biāo)識號，可任意設(shè)置，指令和響應(yīng)對應(yīng)相同；

MRC和SRC：分別為FINS指令的主指令和從指令；

FCS：用于標(biāo)明所操作的數(shù)據(jù)地址、范圍等，在響應(yīng)幀中前2個字節(jié)MRES和SRES構(gòu)成響應(yīng)碼，用來診斷錯誤信息。

2.2.1 FINS數(shù)據(jù)幀格式

上面的Host Link FINS指令中，包含了FINS指令。FINS指令的數(shù)據(jù)幀格式如圖4和圖5所示。

圖4 FINS發(fā)送指令Fig.4 FINS send command

圖5 FINS應(yīng)答指令Fig.5 FINS reply command

指令開頭2字節(jié)是指令碼，這里0102說明是讀存儲區(qū)的指令，82是變量分類，根據(jù)指令碼的不同而含義不同，當(dāng)指令碼是讀數(shù)據(jù)指令時，那么這個字節(jié)的意義就是確定數(shù)據(jù)區(qū)，82表示DM存儲區(qū)。接著為數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址（3個字節(jié)），字?jǐn)?shù)（2個字節(jié)）。

2.2.2 FCS校驗碼

數(shù)據(jù)幀中Host Link結(jié)束符前面是FCS校驗碼。校驗采用異或校驗方式，將FCS字段之前的所有字段逐一進行異或，最終得到的就是FCS校驗碼，接收端在收到指令的時候，就要用這個FCS校驗碼去驗證這條指令是否正確。如表1所示為FCS校驗碼計算。

表1 FCS校驗碼計算Tab.1 FCS code calcutation

[A]FCS校驗碼采用的是逐位異或，如表中第3列和上一行第5列的值進行異或，異或值為第5行，依次異或，XXXXXXXX為最終異或結(jié)果。

2.2.3 PLC數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)計

Host Link FINS協(xié)議具有一定字節(jié)數(shù)量的數(shù)據(jù)頭和尾。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)連續(xù)字?jǐn)?shù)越長，傳輸?shù)男试礁?，接收一個比特位時需要接收最短數(shù)據(jù)包長度為43字節(jié)，傳輸效率只有2.3%，當(dāng)傳輸連續(xù)50字?jǐn)?shù)據(jù)時，傳輸效率有54%，當(dāng)連續(xù)傳輸200個字的時候，傳輸效率高達82.6%，所以為了能夠高效地傳輸有效數(shù)據(jù)，PLC的內(nèi)存區(qū)最好取連續(xù)區(qū)域，表2列出PLC中內(nèi)部劃分的幾種常用IO區(qū)。

為了能夠增加傳輸效率，可以將待傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送到一個連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域中，比如是D區(qū)，這樣可以通過比較簡單的指令完成一系列的數(shù)據(jù)通信。在有限的串口傳輸速度下，這是一種比較好的提高傳輸效率的方法[7-8]。

3 監(jiān)控軟件與PLC通信

如圖6、圖7所示為監(jiān)控軟件指令發(fā)送（PLC設(shè)備接收）和接收（PLC設(shè)備返回指令）的通信指令的流程。用MFC軟件編寫出簡易的串口通信軟件，MFC主要做的是根據(jù)輸入的指令計算出FCS校驗碼，然后生成一條完整的指令發(fā)送到PLC中。在數(shù)據(jù)返回部分，采用多線程技術(shù)和基于MFC的消息處理機制，當(dāng)有數(shù)據(jù)接收時，系統(tǒng)捕獲到這一消息，觸發(fā)串口接收事件，然后從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，并且存放在隊列中，當(dāng)數(shù)據(jù)讀取完畢時，設(shè)置數(shù)據(jù)處理事件，系統(tǒng)捕獲到這一事件后，在數(shù)據(jù)處理線程中繼續(xù)從隊列中讀取數(shù)據(jù)并且進行解析處理，事件處理線程開始FCS校驗指令，取出所需要的數(shù)據(jù)。這種采用多線程的方式更加高效利用CPU執(zhí)行能力，加快了數(shù)據(jù)讀取處理能力[9]。

圖7 指令接收流程圖Fig.7 Flow chart of reply command

在通信之前要先進行初始化，設(shè)置傳輸波特率，數(shù)據(jù)傳輸格式，要根據(jù)PLC中的設(shè)置來確定監(jiān)控軟件的這些串口通信參數(shù)[10]。

MFC支持MSComm插件，可以進行簡易串口收發(fā)數(shù)據(jù)[11]。如圖8所示為讀取數(shù)據(jù)的通信界面。

圖8 監(jiān)控軟件測試界面Fig.8 Monitor and control software testing interface

圖8中為數(shù)據(jù)要求從D20000起50個字的數(shù)據(jù)，在接收數(shù)據(jù)框中便顯示接收到的數(shù)據(jù)。從監(jiān)控軟件界面上發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)來看，整個監(jiān)控過程中能夠正確地發(fā)送需要的指令，以及接收到從底層PLC返回來的所有需要的數(shù)據(jù)，監(jiān)控功能完成。

4 結(jié)語

基于Host Link FINS協(xié)議的串口通信方式具有較強的數(shù)據(jù)傳輸能力和傳輸效率，其問答模式大大提高了這種方式下數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。本文以歐姆龍公司CP1H型號的PLC為應(yīng)用背景，設(shè)計了基于Host Link Fins協(xié)議的PLC設(shè)備遠程監(jiān)控系統(tǒng)。信號發(fā)射器的設(shè)計實現(xiàn)了PLC串口數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸；基于MFC開發(fā)的通信軟件則實現(xiàn)了監(jiān)控軟件與PLC的遠程通信功能，能夠?qū)LC進行遠程監(jiān)控與管理?，F(xiàn)場測試和運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，PLC通信性能較高，具有很好的實用價值。

[1] 侯瑞春，丁香乾，陶冶，等.制造物聯(lián)及相關(guān)技術(shù)架構(gòu)研究[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2014，20（1）：11-20.

[2] 郭永勇，潘存海，李軍鋒，等.WinCC監(jiān)控系統(tǒng)中OPC通信及數(shù)據(jù)處理方法[J].制造業(yè)自動化，2014，36（2）：98-100.

[3] 謝揚球，吳宏棟.微成形制造中的上下位機通信設(shè)計及實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2013，35（1）：71-72，84.

[4] 樊銳，宋曉亮.通過DP通訊改變6RA70裝置參數(shù)設(shè)定在鋁冷軋機上的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化，2014，36（3）：141-145，156.

[5] 蘇寶平.基于無線通信的軌道車防溜智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2014，36（3）：46-49.

[6] 黃大偉.LabVIEW與S7-200 PLC PPI協(xié)議通訊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表，2013（4）：94-95，99.

[7] 段潤群，謝云山.上位機軟件與S7-1200 PLC的OPC通信研究[J].自動化與儀器儀表，2014（5）：13-15，19.

[8] 蘇虎平，沈三民，劉文怡，等.基于冗余CAN總線的實時通信系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀表，2013，28（1）：26-29，55.

[9] 孫鑫.VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[10]劉艷平，李化南，趙連環(huán)，等.基于ARM的FreeModbus通信協(xié)議的實現(xiàn)[J].自動化與儀表，2013，28（5）：22-26.

[11]李敏.基于PPI協(xié)議的PLC通信控制設(shè)計[J].自動化與儀器儀表，2013（2）：66-68. ■