基于Modbus/TCP協(xié)議臺(tái)達(dá)PLC與上位機(jī)VB軟件之間的通信

樊新乾，潘存海

（天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(jī)通訊上普遍采用RS-232/RS-485串口或者Ethernet通信模塊進(jìn)行通訊。串行通信是工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)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(duì)于數(shù)據(jù)量較大，通訊距離較遠(yuǎn)，實(shí)時(shí)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(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力、水利、冶金、化工、機(jī)械和制造業(yè)等控制系統(tǒng)[2]。由此產(chǎn)生了人機(jī)界面及各種組態(tài)軟件產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的出現(xiàn)簡(jiǎn)化了對(duì)PLC的控制和操作，使PLC的應(yīng)用更加方便。但也有其共同的缺點(diǎn)，價(jià)格普遍偏高和可二次開發(fā)性較差[3]。基于Visual Basic（VB）平臺(tái)的上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，克服了以上缺點(diǎn)，受到越來越多工業(yè)用戶的關(guān)注[4]。然而利用Visual Basic（VB）自身的串口通信控件與網(wǎng)絡(luò)控件進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)，通過調(diào)用Windows API函數(shù)，設(shè)計(jì)出一種可同時(shí)進(jìn)行串行通信與Ethernet通信的解決方案，大大提高了上位機(jī)監(jiān)控軟件的開發(fā)效率，打破了串行通信控件與網(wǎng)絡(luò)控件對(duì)編程人員的限制。使得程序開發(fā)人員不用過多關(guān)注通信控件的屬性設(shè)計(jì)，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(tái)達(dá)DVPEN01-SL模塊為Ethernet通信載體，以及工控機(jī)自帶的COM口為串行通信載體，設(shè)計(jì)了PLC與上位機(jī)串行與Ethernet整合通信的解決方案，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用戶提供更多的通信選擇方式，簡(jiǎn)化了上位機(jī)監(jiān)控界面的編制過程，提高了工業(yè)通信的可靠性與準(zhǔn)確性。

1 Modbus以及Modbus/TCP協(xié)議

Modbus是一種應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，Modbus報(bào)文傳輸服務(wù)提供設(shè)備之間的客戶機(jī)/服務(wù)器通信，而這些設(shè)備聯(lián)接在一個(gè)以太網(wǎng)上，信息傳遞分4類報(bào)文：Modbus請(qǐng)求、Modbus證實(shí)、Modbus指示和Modbus響應(yīng)。Modbus請(qǐng)求是服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送用來啟動(dòng)事務(wù)處理的報(bào)文；Modbus指示是客戶機(jī)接收的請(qǐng)求報(bào)文；Modbus響應(yīng)是客戶機(jī)發(fā)送的響應(yīng)報(bào)文；Modbus證實(shí)是服務(wù)器接收的響應(yīng)報(bào)文[5]。如圖1所示。

圖1 Modbus報(bào)文類型

Modbus/TCP協(xié)議是Modbus家族中應(yīng)用于自動(dòng)控制裝置上的開放的通訊協(xié)議，用于實(shí)現(xiàn)不同類型的總線或網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備之間的C/S(客戶機(jī)/服務(wù)器)通信，通過通用的網(wǎng)絡(luò)部件在Intranet/Internet上傳輸。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議，網(wǎng)際層是標(biāo)準(zhǔn)的IP協(xié)議，傳輸層是標(biāo)準(zhǔn)的TCP協(xié)議，應(yīng)用層嵌入Modbus協(xié)議。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Modbus/TCP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

2 Windows API函數(shù)

API函數(shù)[6]（全稱為Application Programming Interface）也稱為應(yīng)用程序編程接口，Windows API顧名思義就是Windows平臺(tái)下的應(yīng)用程序編程接口。它是操作系統(tǒng)預(yù)留給應(yīng)用程序的一個(gè)調(diào)用接口，應(yīng)用程序可通過調(diào)用操作系統(tǒng)提供的相關(guān)API函數(shù)來使操作系統(tǒng)使用應(yīng)用程序區(qū)執(zhí)行一些命令（動(dòng)作）。API函數(shù)是構(gòu)筑整個(gè)Windows框架的基礎(chǔ)。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(yīng)用程序。Windows系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Windows結(jié)構(gòu)

Visual Basic（VB）就是Windows平臺(tái)上優(yōu)秀的可視化編程應(yīng)用程序，其主要特點(diǎn)為操作簡(jiǎn)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(duì)API函數(shù)封裝的結(jié)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(yīng)用具有一定的局限性，編程人員需要花很大精力來設(shè)計(jì)控件的各個(gè)屬性。因此我們可以在Visual Basic（VB）中調(diào)用自主開發(fā)的API函數(shù)的集合，省略掉上位機(jī)監(jiān)控程序中通信控件的屬性設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化成為簡(jiǎn)單地函數(shù)調(diào)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(chǔ)的API函數(shù)的集合。用來開發(fā)支持以Modbus格式連結(jié)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(jié)串行口及工業(yè)Ethernet的通訊。DMT函式庫提供標(biāo)準(zhǔn)C/C++動(dòng)態(tài)及靜態(tài)連結(jié)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(jī)

本系統(tǒng)所應(yīng)用的Ethernet通信模塊為臺(tái)達(dá) DVPEN01-SL，PLC主 機(jī) 為DVP32EH-L。DVPEN01-SL是臺(tái)達(dá)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(jī)界面，做遠(yuǎn)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(shè)備。另外在MDI/MDI-X自動(dòng)檢測(cè)功能下，在選擇網(wǎng)絡(luò)線時(shí)不需跳線。通過DVPEN01-SL Ethernet通訊模塊，可實(shí)現(xiàn)上位計(jì)算機(jī)與PLC主機(jī)的通信。D而串口通信則可通過DB9轉(zhuǎn)8針圓頭RS-232串口線纜直接連接PLC與上位機(jī)。由于篇幅所限，DVPEN01-SL的具體設(shè)置以及PLC主機(jī)的程序設(shè)計(jì)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(jī)監(jiān)控程序人機(jī)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(jìn)項(xiàng)目。

2）復(fù)制DMT.dll到項(xiàng)目目錄下。如圖6所示。

圖6 模塊匯入

在臺(tái)達(dá)PLC中[8]，M1072為特殊輔助寄存器，M1072標(biāo)志設(shè)置為ON，可使主程序?yàn)镽UN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(jī)監(jiān)控界面代碼的設(shè)計(jì)。如圖7所示。

圖7 寄存器動(dòng)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(shè)定線圈狀態(tài)為FF00，PLC主程序?yàn)镽UN，若設(shè)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(shè)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(qǐng)求

4）關(guān)閉通訊 Call CloseSerial(conn_num)

4.2 Modbus/TCP通信過程

1）設(shè)定通信參數(shù)

2）開啟通信

3）數(shù)據(jù)存取

4）關(guān)閉通信 Call CloseSocket(conn_num)

5 監(jiān)控界面簡(jiǎn)介

本監(jiān)控系統(tǒng)主要包括通信模式選擇，PLC運(yùn)行指示，X軸運(yùn)動(dòng)監(jiān)控，Y軸運(yùn)動(dòng)監(jiān)控，輸入運(yùn)行監(jiān)控，以及報(bào)錯(cuò)信息界面，能夠滿足本項(xiàng)目的基本調(diào)試運(yùn)行要求。程序運(yùn)行界面如圖8所示。

圖8 監(jiān)控程序運(yùn)行界面

6 結(jié)論

為了對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的管理與監(jiān)控，完善的兼容性，可靠的穩(wěn)定性，對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性，強(qiáng)大的冗余能力和方便的可管理性，是人們?cè)絹碓蕉嗟卦赩isual Basic（VB）平臺(tái)下開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)的原因，而這也勢(shì)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(luò)環(huán)境里大顯身手的重要契機(jī)。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(jī)監(jiān)控程序的開發(fā)更為簡(jiǎn)單和方便，程序員從繁雜的通信控件設(shè)計(jì)編程工作中解放出來，也為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)以及應(yīng)急通信方面提供了安全可靠的方案，應(yīng)用前景廣泛。本文所述程序已成功應(yīng)用于臺(tái)達(dá)PLC運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面部分中，實(shí)驗(yàn)證明，該程序安全可靠，運(yùn)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(shí)例[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2011.

[2]關(guān)學(xué)進(jìn), 劉娟.基于Modbus/TCP工業(yè)以太網(wǎng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)[J].電子測(cè)試, 2011(4): 4-8.

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

[4]魏慶福.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)向[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2000(1): 11-12.

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

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

[7]臺(tái)達(dá)DVPEN01-SL Ethernet通訊模塊操作手冊(cè).

[8]DVP-PLC應(yīng)用技術(shù)手冊(cè).