基于FINS協議的OMRON PLC與上位機以太網通信的實現

0 引言
在現代工業自動化控制系統中，可編程邏輯控制器(PLC)作為常用的現場控制設備，上位機作為數據采集及人機界面的一種已經得到廣泛使用。過去，在工程項目開發中，PLC和上位機間的通信常采用RS-232C或者RS-485串行方式，這種方法很難滿足數據量大、通信距離遠、實時性要求高的控制系統。隨著互聯網技術的發展、普及與推廣，以太網技術得到了迅速的發展，其傳輸速率的提高和交換技術的應用，解決了以太網通信的非確定性問題，使得工業以太網能夠廣泛應用于工業信息控制領域，也是工業信息控制未來的發展趨勢。
FINS(factory interface network service)通信協議是歐姆龍公司開發的用于工業自動化控制網絡的指令／響應系統。使用FINS指令可實現各種網絡間的無縫通信，包括用于信息網絡的Etherne(以太網)，用于控制網絡的Controller Link和SYSMAC LINK。通過編程發送FINS指令，上位機或PLC就能夠讀寫另一個PLC數據區的內容，甚至控制其運行狀態，從而簡化了用戶程序。FINS協議支持工業以太網，這就為OMRON PLC與上位機以太網通信的實現提供了可能。

1 OMRON PLC與上位機通信方式
目前，在歐姆龍PLC網絡組成中，上位機和PLC的通信可以采用RS232C／485串行通信、Controller Link通信和工業以太網通信三種方式。它們的主要性能參數如表1所示。

文獻[3]介紹了采用RS232C／485串行通信的方案，其通信速率僅為9600b／s，速率較慢，很難適應現代數據量大、通信距離較遠、實時性要求較高的控制系統。
文獻[2]中給出了基于FINS協議的Controller Link通信的設計方案，其最高速率可以達到2Mb／s，整個網絡的最大傳輸距離為500m，硬件上需要在上位機安裝CLK支持卡，其擴展性及應用的靈活性沒有工業以太網好。
在三種通信方式中，工業以太網的優勢是相當明顯的。其傳輸速率可以達到10／100Mb／s(取決于實際網絡環境)；兩個節點之間的傳輸距離可以達到100m，對于整個網絡的傳輸距離沒有限制；網絡內最大節點數可以達到254個，可以實現1(PLC)：N(PC)、N：N、N：1等多種網絡形式。這些都為構架各種規模的工業網絡信息系統提供了有利的條件，具有良好的擴展性、實用性、靈活性。目前使用的上位機都配有以太網卡，所以上位機側無需增加額外的硬件設備。因此，采用工業以太網方式對提高工廠的自動化信息控制水平具有很大的現實意義。

2 以太網FINS通信
在以太網FINS通信中，各種數據信息是以UDP／IP包或者TCP／IP包的方式在以太網上發送和接收的。其中，在Internet層遠程設備使用的是IP地址，而在應用層使用的則是FINS節點地址。傳輸層中定義了本地UDP或TCP端口號，它為應用層(即FINS通信)提供通信端口，其默認設置為9600。用戶可以根據實際情況自行修改，但是在同一網絡中，各設備的通信端口號必須保持一致。圖1 FINS以太網通信協議模型

通常以太網通信使用的是IP地址，而在FINS通信中則是使用網絡號、節點號以及單元號來對不同設備(包括PLC、PC等現場設備)進行地址定義的。這就為不同網絡之間各種設備的通信提供了統一的尋址方式。在以太網FINS通信中，歐姆龍的以太網單元一項重要的功能就是能在IP地址和Fins節點地址之間進行轉換，其轉換方式有自動轉換、IP地址表和復合地址表三種方式，其地址轉換數量依據模塊型號和轉換方式的不同還有相應的限制。以太網FINS通信服務是一種基于UDP／IP的通信方式，稱為FINS／UDP方式，歐姆龍相關的以太網產品都支持這種方式。此外，CS1W-ETN21和CJ1W-ETN21以太網通信模塊還支持TCP／IP協議，稱為FINS／TCP方式。
2．1 FI NS／UDP方式
FINS／UDP方式是一種使用UDP／IP協議的FINS通信方式。UDP／IP是一種無連接的通信協議。當一條信息從一個節點發到另一個時，這兩個節點是沒有明確連接的對等關系的。UDP協議具有較快的傳輸速度，但是數據通信的可靠性沒有TCP協議高。

如圖2所示，是一個在以太網中發送和接收所使用的UDP幀結構。FINS/UDP方式使用的是一種嵌套格式數據包，即Ethernet報頭、IP報頭、UDP報頭和FINS幀。一個UDP數據段(FINS 幀)超過1472字節將被分成若干個數據包來傳送。分開的UDP數據將在UDP／IP協議層自動組合。通常不需要關注應用層的數據分段，但是在一個多層IP網絡中1427字節的UDP包可能無法發送。在這種系統中就需要使用FINS／TCP方式。