西门子6ES7222-1HF22-0XA8保内产品
在工业控制中，用PLC控制的工程在上/下位机通讯上一般采用RS-232/RS-485串口通讯，这种方法对于数据量较大，通讯距离较远，实时性要求高的控制系统，很难满足通讯需要。
近年来随着计算机网络技术的飞速发展,网络化数控已经成为现代制造业发展的必然趋势, 控制系统正向虚拟化、网络化、集成化、分布化和节点智能化的方向发展。[1]许多大型PLC厂商生产的PLC都配备了相应的以太网通信模块，本文讨论了OMRON PLC的以太网通信体系结构，并以CP1H PLC的ENT2l以太网模块为例实现与计算机的通信。
1. Winsock网络通信控件
Winsock控件是不可视控件，它提供了访问TCP和UDP网络服务非常简便的途径，使编程人员开发客户/服务器应用程序时，不必了解TCP的细节或调用低级的Winsock API函数，只通过设置Winsock控件的属性并调用其方法，就可直接连接到一台远程计算机进行，并可实现双向数据交换。
WinSock主要支持两种类型的套接字:①流式套接字（Stream Socket）也称面向连接方式,该方式对应的是TCP协议,其传输特点是通信可靠性高,可以保证数据流的传输是可靠的、有序的、无重复的,可提供双向的数据流,数据被看作字节流,无长度限制。②数据报套接字（Datagram Socket）又称无连接方式,对应的是UDP协议,这种方式不提供数据传输的正确性、有序性和无重复性,因为它支持面向记录的数据流。传输的数据可能丢失和重复,并且接收顺序混乱,报文长度是有限的。考虑到本系统对通信可靠性和正确性的要求很高,选用流式套接字方式。基于Client/Server模式的流式套接字通讯过程如图1所示。
图1 流式套接字进程通讯过程时序图
2.Ethernet网络通信单元的设置
在组建网络时，根据网络类型的不同，网络中的每个节点需要安装相应的通信单元，PLC上需安装Ethernet网络通信模块，例如0MR0N公司的CJ1W—ETN21以太网模块。应用之前必需对网络进行必要的设置，分为开关设置和CPU总线单元系统设置。
开关设置主要包括以下几项内容：确定分配给CJ1W—ETN21单元的内存工作区（CIO区、DM区），该地址在CPU总线区，由UNIT No.开关确定ETN单元的单元号范围为0～F;NODE No.旋转开关设定两组l6进制数作为ETN单元在网络中的节点号，范围为O1～7E;IP地址设置网络号和主机节点号，由32位二进制数组成，分4段以十进制数表示。
CPU总线单元设置主要通过编程设备如CX—Programmer软件或编程器对网络单元进行模式、本地IP地址、子网掩码、FINS端口号、FTP登录名及口令和IP路由器表等项进行设定。若使用FINS/TCP协议，则还需在以太网单元设置中修改FINS/TCP项的部分参数，如：自动分配的FINS节点号、是否保持激活等项。
3.面向上位计算机的通信协议
如图2所示，以太网的分层模型分为物理层（Physical Layer）、网际层（Internet Layer）、传输层（Transpot Layer）和应用层（Application Layer）。其中：传输层可使用无连接的UDP或需建立连接的TCP协议;应用层为FINS（Factory Interface Network Service）协议，FINS协议是由OMRON公司开发的用于工厂自动化控制网络的指令响应系统。主要规定对PLC存储空间的数据读写等操作方法。应用层使用FINS协议，传输层使用TCP协议的通信实现方法称为FINS/TCP方法。
图2 网络的分层结构
FINS协议包含指令系统和响应系统，其命令帧格是由FINS报头、指令代码、响应代码和正文等几部分组成。从上位计算机发出的指令和响应必须符合下面帧的格式要求，并提供合适的FINS报头信息。[3-4]FINS通信服务是通过FINS命令帧和它们对应的响应帧交换实现的。
FINS命令/响应帧格式如图3所示。FINS/TCP header中规定了五种命令，用于客户机（host computer）与服务器（PLC）之间通信：发送客户机节点地址（node address）;（2）发送服务器节点地址（node address）;（3）发送Fins frame;（4）Fins frame发送出错通知;（5）客户机与服务器联机确认。
图3 FINS命令/响应帧格式
4.通信程序的具体实现
在新建VB工程后，需要执行VB工具栏“工程/部件” 命令，将Winsock控件添加到工程中， 并命名为“WskClient”。程序采用TCP/IP协议进行通信，其主要属性设定如下：
With WskClient
.Protocol = sckTCPProtocol ‘采用TCP/IP协议
.LocalPort = 9600 ‘本地计算机端口号
.RemoteHost = txtIP.Text ‘取得远程PLC的IP地址
.RemotePort = txtPort.Text ‘远程PLC端口号
.Bind 9600 ‘指定使用的本地端口
End With
初始化工作完成后向PLC提出连接请求，待PLC接受请求并发送应答信息后，客户端程序依照各种帧格式建立好要发送的信息帧，就可以与PLC进行双向的数据交流了。在这一过程中，可建立发送失败后的重发机制，以增强通信的可靠性。
建立并发送“握手信息”指令（20字节），指明客户机节点号;当计算机接收到PLC返回帧（24字节）后，检查PLC是否收到命令，并取得服务器和客户机节点号。当计算机接收到PLC返回的数据时，会产生DataArrival事件，参数BytesTotal包含接收到的数据字节数。在DataArrival事件中，可以调用GetData方法接收数据。如果接收到Close事件，则用Close方法关闭连接。可用Winsock的State属性来反映当前TCP/IP的连接状态。这里仅列举主要程序如下：
‘向服务器请求连接
WskClient.Connect
TimeDelay 100
Do
DoEvents
Loop Until WskClient.state=sckConnected
‘建立并发送FINS命令帧
Private Sub SendData_Click（）
ReDim SendData （19） As Byte
SendData （0） = &H46‘FINS命令帧报头的第1个字节
……
WskClient.SendData SendData（） ‘发送FINS命令帧
End Sub
‘接收PLC响应帧，并分析数据
Private Sub WskClient_DataArrival（ByVal bytesTotal As Long）
Dim i As Integer
ReDim ArriveData（bytesTotal） As Byte
wsk.GetData ArriveData, vbArray + vbByte, bytesTotal
‘接收数据，保存在ArriveData数组中
For i = 0 To bytesTotal - 1
txtArData.Text = txtArData.Text & " " & ArriveData （i）
Next i
……‘其它数据处理
If ArriveData（7） <> 16 Then
MsgBox“接收信息丢失“
ElseIf SendData（19）= ArriveData （bytesTotal-5） Then
MsgBox“节点地址错误“
End If
End If
在接收信息后,当PLC收到传输过去的信息后,会将对应的命令反馈值传回,这个事件程序内的程序将它显示在文本框中,还可作处理。主程序流程图如图4所示。
图4 程序流程图
若采用UDP协议，则通信的基本过程与TCP相同，只是不需要建立连接。UDP应用程序可以是客户机,也可以是服务器,而不必象TCP应用程序那样必须分别建立客户机程序和服务器程序。由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速度很快。如果网络中设备不是很多，且发送数据量不大时，可选择耗费计算机“资源”更小的UDP协议进行通信。
5.结束语
采用Winsock控件实现的上位机以太网通信程序，已成功应用于数字小样并条机监控系统中，该法简单实用,在不追加投资的情况下,实现车间设备的网络数据实时监控的功能，达到了理想的效果。以VB作为监控软件的开发平台，软件的二次开发不受限制，节约成本，并可根据需要随时对程序进行升级。为实现对控制系统进行有效的信息管理与监控，基于以太网的PLC控制系统必将有更为广泛的应用，本文的论述对解决这类问题提供了一定参考价值。
1.概述
在该应用案例中，用户具有分布于世界各地的PLC，用户想通过任何一台能够连接到Internet的计算机对PLC的工作状态进行访问和修改。远程控制技术，避免了用户需要到现场诊断的麻烦，节省了人力物力。
上海卓岚科技的联网产品包括：嵌入式设备联网模块、串口服务器等。使用卓岚联网设备进行设备远程监控的示意图如下图所示。
如图所示假如用户设备是一个类似PLC的带串口（DB9）的设备，则可以通过卓岚串口服务器连接到网络;如果用户设备电路板是可以重新设计的，则可以选用卓岚联网模块，并将其集成到用户电路板。两种方案在原理上是相同的。
在远程计算机端，卓岚科技提供了3种方式方便用户和联网产品通信：
1.卓岚设备管理DLL+VB等程序。提供的DLL设备管理函数库，可以被用户程序所调用，用户只需使用提供的open、close、send、recv
函数，即可实现通信。
2.串口程序+虚拟串口驱动。例如三菱PLC需要通过MELSOFT开发环境和PLC通信，某些Modbus设备则通过三维力控软件和设备通信，它们都是现成的串口程序。使用卓岚虚拟串口驱动，可以在网络化升级后，仍然使用这些串口程序。
3.Socket网络程序：对于用户，可以选择通过TCP/IP直接和联网产品通信。
2.域名（DNS）系统
域名系统的支持是远程控制的关键技术。目前网络接入以ADSL接入网络占绝大多数，若远程计算机通过ADSL联网，每次的IP是不同，必须解决设备如何知道远程计算机IP的问题，解决的方法是动态域名系统。
在卓岚远程控制技术中，远程计算机通过动态域名服务在每次联网时都可以获得全球唯一的域名，例如yourname.gicp.com。卓岚联网产品支持域名，可以用域名指定通信的的目的地址，例如将其设置为yourname.gicp.com。
这样，无论远程计算机在何时何地通过ADSL接入网络，卓岚联网产品都可以在时间和其建立TCP连接。
3.网络地址映射（NAT）技术
NAT技术是解决两个内网之间计算机如何互联的技术。对于初次接触TCP/IP的用户，可能对于内网IP（例如192.168.0.200）、外网IP（例如114.123.223.12）、外网计算机如何访问内网计算机比较迷惑。外网计算机连接内网计算机时，不能简单地向该计算机的内网IP发起连接。这里关系到网络地址映射NAT技术。NAT技术可以在ADSL路由器上做一个NAT映射，将用户的内网IP映射为外网IP和端口。
在卓岚的设备远程控制应用案例中，提供了如何使用网络地址映射（NAT）技术实现网络连接的操作步骤，由于篇幅所限这里不详述。
4.创新的断网恢复机制
TCP连接的不正常中断在设备远程监控中比在局域网中更加常见，因为在Internet环境下，中间的任何一台路由器出现问题都可以导致连接中断。
断网在远程监控中产生如下问题：假如客户端和服务端建立TCP连接后，服务端由于掉电等原因重新启动，那么客户端将不再能够和服务端建立连接。原因很简单，因为客户端认为连接已经建立，这导致了服务端无法向客户端发送数据。
心跳包技术是目前常见的断网恢复机制，该方案并没有写入TCP/IP规范，原始是心跳包技术存在很多争议的负影响，例如增加了网络负担等。
卓岚的设备管理DLL库和虚拟串口驱动内部集成了创新的断网恢复机制，采用优于心跳包的技术，可以在服务端、客户端、中间路由器任何一方断网情况下，迅速恢复连接。
5.
域名系统、NAT技术、断网恢复等关键技术保证了使用卓岚产品在实现PLC的远程监控方面的方便性、稳定性。
当今世界上精密加工技术发展很快,新的加工方法和设备层出不穷,计算机的广泛应用使精密加工技术更为普及和多样. 实现精密和超精密切削加工有三种方法: (1) 采用和研制高精度加工设备;(2) 采用新的切削工具材料; (3) 利用加工与测量控制一体化技术. 前两种方法成本较高,而后一种方法成本较低,具有广阔的前景. 在后一种方法中,除了要保证刀具的精度、夹具的精度以及测量精度外,还有一项重要内容就是微进给机构的精度及其控制精度. 笔者在控制精密磨削的研究中,利用步进电机带动滚珠丝杠作为进给机构,在滚珠丝杠确定后,步进电机的控制精度成为了主要矛盾.
1 步进电机的控制
步进电机在不失步的正常运行时,其转角严格地与控制脉冲的个数成正比,转速与控制脉冲的频率成正比. 可以方便地实现正反转控制及调整和定位. 由于步进电机和负载的惯性,它们不能正确地跟踪指令脉冲的启动和停止运动,指令脉冲使步进电机可能发生丢步或失步甚至无法运行. 必须实现步进电机的自动升降速功能. 为了实现速度的变化,输入的位移脉冲指令相应地要升频、稳频、和降频这些脉冲序列,可以由脉冲源加专用逻辑电路来产生,也可以由微型计算机产生. 对于脉冲源加逻辑电路构成的控制器来说,控制逻辑是固定
的,即控制电路一经固定,其控制逻辑也就固定了.
如果要改变控制逻辑和控制方案,必须改变电路结构和元件参数,而使用计算机控制,不必改动硬件电路,只要修改程序,就可以改变控制方案. 且可以从多种控制方案中,选取一种佳方案进行控制和调节. 也可以用同一套系统对不同控制方案的多台步进电机控制. 利用计算机控制的形式也很多,本文介绍PLC位控单元对步进电机的控制.
2 PLC 系统组成及位控单元的工作原理
本研究所利用的PLC 系统的组成包括如下七大模块:电源,CPU ,位控单元, I/ O 单元,A/ D ,D/ A 单元,如图1 所示. 其中位控单元的主功能是当步进电机(或伺服电机) 与电机驱动器联结时,输出脉冲序列控制电机的转速与转角. 进给机构可以是2 轴型,也可以是4 轴型. 本文采用的是前者,即滚珠丝杠的横向进给与纵向进给,如图2
所示. 具体地说,位控单元实现速度以及位置的控制方法有多种,如E 点控制(单速度控制) ,如图3(a) 所示;P 点控制(多级速度控制) ,如图3 (b) 所示; 线性加/ 减速和S型加/ 减速,图3 ( a ) , ( b)为线性加/ 减速,S型如图3 (c) 所示. 还有位置控制和相对位置控制等. 表1 给出了E点控制不同模式的控制码(P 点与其相同) .
3 磨削加工PLC 控制原理
如图4 所示, PLC 可以控制变频器、传感器、步进电机. 总控制程序流程图如图5 所示. 其中两个步进电机是利用PLC 的位控单元控制的. 在进行精密磨削过程中,横向进给将是十分重要的,PLC 的位控单元能较jingque地控制步进电机的转角,从而使滚珠丝杠获得jingque定位. 由于PLC 位控单元的控制方法有多种,对于磨削加工来讲,横向进给量不能大于215μm ,通过实验的方法可以找出佳方案. 这里只通过一种控制方法来说明位控单元的具体应用. 设置原点,利用光栅
尺粗对刀,测量出对刀位置距原点的距离. 为防滚珠丝杠出现爬行现象,工作台从原点出发,经过一段距离以后开始自动加/ 减速. 此时,只要给定起始速度,目标速度,加速/ 减速时间以及位置要求值,并设定控制码即可实现上述功能,相关程序如图6 所示. 如果假设滚珠丝杠的螺距为d ,步进电机的步距角为α°;进给速度为v (mm/ s) ;行程为s (mm) ;则要求的脉冲频率(即程度中的目标速度) 为f = 360 v/αd (Hz) ;总脉冲数(即程序中的位置要求值) 为F =360s/da(个) .
4 结束语
PLC 位控单元具有运行速度快、灵敏度高、精度高、编程简单等众多优点. 它对于在精密加工领域的研究开发与应用具有深远的现实意义.