燕科帆，朱厚耀，林賀邦，李嘉龍

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引言

在整個(gè)上位機(jī)軟件的開發(fā)過程里面，最重要的部分是上位機(jī)對(duì)于下位機(jī)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，這就要解決二者之間的通信問題，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的通信才能穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)交換。傳統(tǒng)的通信方法是采用RS-232C或者RS-485串行方式，但是隨著對(duì)于傳輸數(shù)據(jù)量、設(shè)備之間的傳輸距離以及通信的實(shí)時(shí)性要求越來越高，傳統(tǒng)的串行通信方式慢慢的不能滿足大部分企業(yè)的要求[1]。同時(shí)，由于國際上現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)非常多，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)集成的統(tǒng)一。所以國際上大部分廠商開始將生產(chǎn)的PLC與以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，PLC控制器與基于TCP∕IP的以太網(wǎng)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)開放、分散的工業(yè)控制系統(tǒng)，按照相關(guān)的協(xié)議就可以進(jìn)行PLC與計(jì)算機(jī)的通訊[2]。

1 ABB AC500系列PLC通訊功能

1.1 概述

AC500系列是ABB公司新一代的模塊式可編程控制器，是一款可升級(jí)的，靈活的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的構(gòu)建采用底板組合模塊的結(jié)構(gòu)。硬件上可選用的模塊有CPU模塊和底板、I∕O模塊和底板、FBP總線適配器和底板以及通訊模塊等，以上的各種模塊均有許多型號(hào)，每種型號(hào)對(duì)應(yīng)的配置都不一樣，可以根據(jù)實(shí)際的需求選型。不同的CPU模塊插在CPU底板上，不同的I∕O模塊插在I∕O底板上，直接拼接在CPU底板的右側(cè)，通過I∕O總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其他的模塊也是采用拼接的方法插在底板上，示例如圖1所示。通訊模塊有四種型號(hào)，分別是CM572-DP:PROFIBUSDP主站通訊模塊、CM575-DN:DeviceNet主站通訊模塊、CM577-ETH：以太網(wǎng)通訊模塊、CM578-CN：CANopen主站通訊模塊。

以太網(wǎng)通訊模塊支持的協(xié)議包括TCP∕IP、UDP∕IP和Modbus TCP。其中本文的通訊采用基于Modbus TCP協(xié)議的以太網(wǎng)通訊，AC500的以太網(wǎng)通訊模塊集成了“MOD?BUSon TCP∕IP”協(xié)議，所以可以通過Ethernet（以太網(wǎng)）進(jìn)行MODBUS通訊[3]。

圖1 AC500系列PLC硬件組成

1.2 Modbus/TCP協(xié)議簡介

Modbus通信協(xié)議是全球最早用于工業(yè)現(xiàn)場的總線規(guī)約，由Modicon公司在1979年發(fā)明。由于免費(fèi)發(fā)布，并且采用主從通信模式（Master∕Slave通信模式），在分散控制方面應(yīng)用廣泛，從而在全球得到了廣泛的應(yīng)用。Modbus通信協(xié)議具有串口和以太網(wǎng)多種版本，其中比較著名的是Modbus RTU、Modbus ASCII和 Modbus∕TCP 三種。其中Modbus∕TCP協(xié)議是通過一種簡單的方式將Modbus幀嵌入到TCP幀中而形成的，由于TCP是基于可靠連接的服務(wù)，所以在Modbus TCP協(xié)議中沒有CRC校驗(yàn)碼，從而簡化了協(xié)議的內(nèi)容。

Modbus∕TCP數(shù)據(jù)幀的組成簡單分成三個(gè)部分，分別是報(bào)文頭、功能代碼和數(shù)據(jù)。如圖2所示。

圖2 Modbus∕TCP數(shù)據(jù)幀

MBAP報(bào)文頭分為四個(gè)域，一共七個(gè)字節(jié)。1、2字節(jié)是傳輸標(biāo)志，標(biāo)志某個(gè)Modbus詢問∕應(yīng)答的傳輸；3、4字節(jié)是協(xié)議標(biāo)志，表示協(xié)議的種類；5、6字節(jié)是長度，表示后續(xù)字節(jié)的長度計(jì)數(shù)；7字節(jié)是單元標(biāo)志。

功能代碼共有三種類型，分別是公共功能代碼、用戶自定義功能代碼和保留的功能代碼。本文所用到的為公共功能代碼，分別是十進(jìn)制的03（讀多個(gè)寄存器）和十進(jìn)制的16（寫多個(gè)寄存器）。其余的常見公共功能代碼見表1所示[4]。

2 MFC CSocket類簡介和通訊流程

2.1 MFC CSocket簡介

MFC(Microsoft Foundation Classes)是微軟基礎(chǔ)類庫，是一個(gè)C++的類庫，封裝了大部分windows API函數(shù)。它提供了兩個(gè)類，這兩個(gè)類都封裝了socket，分別是CAsync?Socket和CSocket，CSocket是CAsyncSocket子類，二者的區(qū)別在于CAsyncSocket是異步套接字，而CSocket是同步套接字。

使用MFC的socket類可以從這兩個(gè)socket類中繼承出自己的socket類，再根據(jù)需求增加所繼承的socket類功能。如果需要使用這兩個(gè)socket類，一定要從這兩個(gè)類中繼承出自己的socket類，通過修改虛函數(shù)來實(shí)現(xiàn)特定基本功能。有了這兩個(gè)類就可以方便的處理同步與異步問題。

本文采用的是CSocket類，需要實(shí)現(xiàn)的功能是讀寫數(shù)據(jù)，因此需要用到的虛函數(shù)為OnReceive（），需要對(duì)該虛函數(shù)進(jìn)行重載。當(dāng)有一個(gè)socket向CSocket繼承類發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，CSocket繼承類的OnReceive（）虛函數(shù)會(huì)被自動(dòng)執(zhí)行，因此接收數(shù)據(jù)可以在OnReceive（）虛函數(shù)里通過定義的Receive（）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

2.2 通訊流程

Socket通信采用的模式為客戶端和服務(wù)器，本文開發(fā)的軟件為客戶端，PLC為服務(wù)器。通過服務(wù)器的IP地址和ModbusTCP固定的502端口，就能進(jìn)行客戶端和服務(wù)器端的連接，連接后就能進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊。因此按照socket通信流程，利用CSocket類的成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)通信流程中的各個(gè)步驟就能進(jìn)行通訊[5]。Socket通信流程如圖3所示。

3 ABB PLC以太網(wǎng)通訊配置

當(dāng)需要進(jìn)行上位機(jī)與PLC以太網(wǎng)通訊時(shí)，需要先進(jìn)行PLC的硬件系統(tǒng)配置。本系統(tǒng)選用的CPU型號(hào)為PM583，串口型號(hào)為DC532。該CPU自帶以太網(wǎng)通訊口。系統(tǒng)配置的步驟如下。

（1）打開ABB配套的系統(tǒng)組態(tài)軟件Control builder Plus，新建AC500工程，按照硬件系統(tǒng)的配置在軟件中對(duì)應(yīng)進(jìn)行添加，比如串口模塊，通信模塊等等，如圖4所示。

圖3 CSocket實(shí)現(xiàn)Modbus∕TCP通訊流程圖

圖4 系統(tǒng)組態(tài)樹狀圖

（2）按照步驟（1）中添加的模塊，分別進(jìn)行參數(shù)配置，例如CPU模塊，雙擊CPU模塊進(jìn)行參數(shù)配置，本系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)均能滿足要求。同理對(duì)I∕O模塊進(jìn)行參數(shù)配置。

（3）將電腦和PLC通過網(wǎng)線連接，PLC上電，通過圖4中的IP_Settings(IP設(shè)置）設(shè)置PLC的IP地址。

（4）上位機(jī)軟件開發(fā)好后，將PC機(jī)的IP地址設(shè)置成和PLC同一個(gè)網(wǎng)段，這樣就完成整個(gè)系統(tǒng)的硬件和軟件的配置過程[6]。

4 具體的程序?qū)崿F(xiàn)

4.1 程序框架搭建

本程序采用VS2013IDE編程環(huán)境，創(chuàng)建基于對(duì)話框的MFC程序。因?yàn)樾枰玫紺Socket類，所以必須在導(dǎo)向中勾選Windows套接字選項(xiàng)。在界面輸入服務(wù)器地址和端口號(hào)就能進(jìn)行通訊連接。以下是程序的創(chuàng)建步驟和部分代碼。

（1）創(chuàng)建基于對(duì)話框的MFC程序，勾選Windows套接字選項(xiàng)。

（2）在對(duì)話框中加入所需的各種控件，比如IP地址輸入框等等，并對(duì)各個(gè)控件添加變量。

（3）創(chuàng)建一個(gè)繼承自CSocket類的MFC類，命名My?Socket，用來進(jìn)行socket通信。對(duì)MySocket類的虛函數(shù)進(jìn)行重載，在OnReceive（）函數(shù)體里面調(diào)用Receive()函數(shù)，從而起到接收數(shù)據(jù)的作用。

（4）添加兩個(gè)按鈕控件，分別取名為讀取數(shù)據(jù)和修改數(shù)據(jù)。二者的作用是對(duì)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和修改，將相關(guān)的代碼都封裝到這兩個(gè)按鈕控件里面。

以下列出部分相關(guān)代碼。

void CMysocket::OnReceive(int nErrorCode)∕對(duì) MySock?et類虛函數(shù)進(jìn)行重載

{

if(pClientdlg)

{

pClientdlg-＞Receive();∕調(diào)用主對(duì)話框的 Re?ceive方法接收數(shù)據(jù)

}

CSocket::OnReceive(nErrorCode);

}

以下為通訊連接部分程序代碼：

pMysocket=new CMysocket(this);∕創(chuàng)建套接字對(duì)象

if(pMysocket-＞Create()==FALSE)∕創(chuàng)建套接字

{

deletepMysocket;

pMysocket=NULL;

AfxMessageBox(_T("套接字創(chuàng)建失?。?));

return;

}

if(pMysocket-＞Connect(servername,port)==FALSE)∕連接服務(wù)器、connect函數(shù)成功則返回1，失敗則返回0

{

AfxMessageBox(_T("連接服務(wù)器失敗!"));

return;

}

4.2 讀PLC數(shù)據(jù)

對(duì)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取需要用到功能碼03，首先需要定義一個(gè)數(shù)組來存放讀取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包：

unsigned char Send[12]={0};∕生成 Modbus∕TCP 格式數(shù)據(jù)包

讀取數(shù)據(jù)是對(duì)PLC的寄存器進(jìn)行讀取，所以對(duì)于寄存器的起始地址和寄存器的數(shù)量是需要確定的[7]。下面為整個(gè)數(shù)組的定義：

Send[0]=m_1;

Send[1]=m_2;∕事務(wù)元標(biāo)識(shí)符,高字節(jié)在前,低字節(jié)在后

Send[2]=m_3;

Send[3]=m_4;∕協(xié)議標(biāo)識(shí)符,高字節(jié)在前,低字節(jié)在后

Send[4]=0x00;

Send[5]=0x06;∕后續(xù)字節(jié)長度,高字節(jié)在前,低字節(jié)在后

Send[6]=m_5;∕單元標(biāo)識(shí)符

Send[7]=0x03;∕功能碼，讀多個(gè)寄存器

Send[8]=m_register_address_high;∕數(shù)據(jù)起始地址,高字節(jié)在前,低字節(jié)在后

Send[9]=m_register_address_low;

Send[10]=m_register_number_high;∕數(shù)據(jù)長度,高字節(jié)在前,低字節(jié)在后

Send[11]=m_register_number_low;

int a=pMysocket-＞Send(Send,12);∕Send 函數(shù)返回的是成功發(fā)送的字節(jié)數(shù)

用MySocket類的指針對(duì)象調(diào)用Send（）函數(shù)就能數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。當(dāng)包含讀取多個(gè)寄存器功能碼的數(shù)據(jù)包發(fā)送給PLC后，PLC會(huì)立即返回對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)給通訊軟件，這時(shí)會(huì)觸發(fā)OnReceive()函數(shù)，從而觸發(fā)接受數(shù)據(jù)函數(shù)Re?ceive()。在Receive()函數(shù)體里面同樣定義一個(gè)數(shù)組用來存放PLC反饋回來的數(shù)據(jù)，部分程序如下所示：

unsigned char Receive[200];∕接收反饋的數(shù)據(jù)

int receive_data_num = pMysocket-＞Receive(Receive,200);∕Receive（）函數(shù)的返回值為所接收到的字節(jié)數(shù)量。

如圖5所示為讀取數(shù)據(jù)圖。

圖5 讀取PLC數(shù)據(jù)

4.3 對(duì)PLC寫值

對(duì)PLC寫值和讀取PLC數(shù)據(jù)的內(nèi)容大致是一樣的，只需要修改功能代碼并且加入需要寫入的值即可。本軟件目前固定一次可以寫三個(gè)寄存器。以下所示為對(duì)PLC寫值的定義方法。m_value1、m_value2、m_value3為三個(gè)需要寫入的值，可以從界面輸入。

Send[13]=m_value1∕256;

Send[14]=m_value1%256;

Send[15]=m_value2∕256;

SendB16]=m_value2%256;

Send[17]=m_value3∕256;

Send[18]=m_value3%256;

如圖6所示為寫數(shù)據(jù)圖。

圖6 對(duì)PLC寫數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文介紹了ABBAC500系列PLC的構(gòu)造組成和通訊方式，并且對(duì)ModbusTCP通訊協(xié)議進(jìn)行了總結(jié)。通過創(chuàng)建基于對(duì)話框的MFC程序，利用封裝的CSocket類，按照sock?et通信的流程創(chuàng)建了以太網(wǎng)通訊的上位機(jī)軟件。同時(shí)按步驟講述PLC的組態(tài)配置過程和程序編寫，從而使讀者對(duì)整個(gè)流程有基本的掌握。本軟件的框架移植性很高，可以在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行各個(gè)方面的擴(kuò)展，利于PLC的推廣和發(fā)展。