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西門子德國6GK7 243-1EX00-0XE0
COMMUNICATIONSPROCESSOR CP243-1 FOR CONNECTION OF SIMATIC S7-22X TO INDUSTRIAL ETHERNET
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1多功能測量表SENTRON PAC3200簡介
SENTRON PAC3200電能監視設備可精確提供系統特性，包括電壓和電流最大值、最小值和平均值，功率值、頻率、功率因數、對稱性、邏輯計算、負載趨勢、諧波和總諧波失真等。SENTRON PAC3200可檢測 50 多個基本數值，具有 10個電能計數器，可用于全面負載檢測。它們的測量準確度滿足電能計數器標準所規定的較高要求。PAC3200帶有MODBUS RTU-RS485接口、PROFIBUS-DP接口和MODBUS TCP 接口，可以很方便將PAC3200的數據上傳到PLC中進行處理，也可以上傳到HMI中進行數據分析、處理及歸檔。對于西門子系統可以輕松地將PAC3200集成到上位自動化系統中，例如，集成到西門子 SIMATIC PCS 7 powerrate 和SIMATIC WinCC powerrate 軟件包中。
2 PAC3200通信接口對比
PAC3200可以通過MODBUS RTU RS485接口、MODBUS TCP 以太網接口以及現場總線PROFIBUS-DP接口與PLC和HMI通信。下面分別以連接S7-300 PLC為例，在通信性能、連接的個數、編程方面進行對比：
1） 通信性能：PROFIBUS-DP使用令牌方式由主站依次訪問從站，是實時現場總線，通信響應快，通信的響應時間應考慮PAC3200數據的刷新時間（自身刷新時間可能較PROFIBUS-DP刷新時間慢）；如果選擇以太網MODBUS TCP 通信，由于不是實時網絡，通信性能次之，通信的響應時間也應考慮PAC3200數據的刷新時間（自身刷新時間可能較以太網刷新時間慢）；使用RS485 MODBUS RTU通信，由于基于串口，通信性能不能與以太網與PROFIBUS-DP相比較。
2） 連接個數：使用PROFIBUS-DP，基于主站的性能，最多可以連接126個站點；以太網MODBUS TCP 通信，基于CP的連接個數，通常16個；使用RS485 MODBUS RTU，可以連接一個網段，典型值31個站點。
3） 編程：使用PROFIBUS-DP，不需要編寫通信程序；使用以太網MODBUS TCP 通信，需要編寫發送接收通信程序；使用RS485 MODBUS RTU通信，需要編寫從站輪詢程序，比較麻煩，如果沒有購買MODBUS RTU的驅動，還需要編寫通信程序。
4） 價格：PROFIBUS-DP與RS485 MODBUS RTU通信需要購買選件網卡，而PAC3200本身集成以太網接口，支持MODBUS TCP 通信。
下面將介紹PAC3200的MODBUS TCP 通信。
3 MODBUS TCP 通信報文
MODBUS TCP 使MODBUS RTU協議運行于以太網，MODBUS TCP使用TCP/IP和以太網在站點間傳送MODBUS報文，MODBUS TCP結合了以太網物理網絡和網絡標準TCP/IP以及以MODBUS作為應用協議標準的數據表示方法。MODBUS TCP通信報文被封裝于以太網TCP/IP數據包中。與傳統的串口方式，MODBUS TCP插入一個標準的MODBUS報文到TCP報文中，不再帶有數據校驗和地址，如圖1所示：
圖1 MODBUS TCP報文
由于使用以太網TCP/IP數據鏈路層的校驗機制而保證了數據的完整性，MODBUS TCP 報文中不再帶有數據校驗”CHECKSUM”，原有報文中的“ADDRESS”也被“UNIT ID”替代而加在MODBUS應用協議報文頭中。
MODBUS TCP服務器使用502端口與客戶端進行通信。
S7-300 與PAC3200 之間進行MODBUS TCP 通信時，MODBUS應為協議的報文頭賦值如下：
byte 0： transaction identifier (高字節) – 為0
byte 1：transaction identifier(低字節) - 為0
byte 2：protocol identifier(高字節) = 0
byte 3：protocol identifier (低字節) = 0
byte 4：length field (高字節) = 0 (因為所有的報文小于256)
byte 5：length field (低字節) = 后面跟隨的字節數
byte 6：unit identifier -原從站地址，這里為0
byte 7：MODBUS 功能碼，通過功能碼發送通信命令
byte 8 ～：后續的字節數與功能碼相關
4 PAC3200支持的MODBUS TCP 功能碼
在MODBUS TCP 的報文中，通過使用功能碼請求通信伙伴的數據，如對內部寄存器的讀寫操作、讀輸入寄存器、寫輸出寄存器等。不同的操作使用不同的功能碼，如FC1、2、3、4、5、6、7、15、16等，PAC3200支持FC2、FC3、FC4、FC6、FC16，在下面將介紹PAC3200這些功能碼的報文格式：
FC2 讀輸入的位信號：
請求：
Byte 0： 功能碼，2
Byte 1-2： 開始的位地址
Byte 3-4：位的個數 (1-2000)
響應：
Byte 0: 返回的功能碼 2
Byte 1: 返回的字節個數 (B=(位的個數+7)/8)
Byte 2-(B+1): 位信號的值 (最低有效位是第一個位信號)
FC3 讀多個寄存器信號：
請求：
Byte 0： 功能碼，3
Byte 1-2： 寄存器開始地址
Byte 3-4： 寄存器的個數 (1-125)
響應：
Byte 0: 返回的功能碼 3
Byte 1: 返回的字節個數 (B=2倍寄存器數)
Byte 2-(B+1): 寄存器的值
FC4 讀輸入寄存器信號：
請求：
Byte 0： 功能碼，4
Byte 1-2： 輸入寄存器開始地址
Byte 3-4： 輸入寄存器的個數 (1-125)
響應：
Byte 0: 返回的功能碼 4
Byte 1: 返回的字節個數 (B=2倍輸入寄存器數)
Byte 2-(B+1): 輸入寄存器的值
FC6 寫單個寄存器信號：
請求：
Byte 0： 功能碼，6
Byte 1-2： 寄存器地址
Byte 3-4： 寄存器的值
響應：
Byte 0: 返回的功能碼 6
Byte 1-2: 寄存器地址
Byte 3-4: 寄存器的值
FC16 寫多個寄存器信號：
請求：
Byte 0： 功能碼，10（HEX）
Byte 1-2： 寄存器開始地址
Byte 3-4： 寄存器的個數 (1-100)
Byte 5：字節的個數 (B=2倍輸入寄存器數)
Byte 6-（B＋5） 預置的寄存器值
響應：
Byte 0: 返回的功能碼 10（HEX）
Byte 1-2: 寄存器開始地址
Byte 3-4: 寄存器個數
注：
一個寄存器為兩個字節，上面介紹的首地址為MODBUS TCP 報文中PDU的首地址。
5 PAC3200的地址區
使用不同的功能碼可以對PAC3200不同的地址區進行操作：
測量變量：例如電壓、電流值、輸入、輸出等變量可以使用FC3和FC4，FC3與FC4功能相
同，兩者都可以讀。
狀態參數：例如限制值0、1、2以及輸入0、輸出0等位信號，使用FC2可以讀出這些信
號。
設定參數：例如連接類型、是否使用電壓變送器電壓、一次側電壓等，可以使用FC3、FC4進
行讀操作，兩者功能相同，使用FC16進行寫操作。
通信參數：例如IP地址、網關等參數，可以使用FC3、FC4進
行讀操作，兩者功能相同，使用FC16進行寫操作。
信息參數：例如產品的序列號等，可以使用FC3、FC4進行讀操作，兩者功能相同，使用
FC16進行寫操作。
命令參數：例如復位最大值、最小值以及能量計數器等參數，使用FC6進行寫操作。
6 PAC3200側的配置
使用PAC3200集成的以太網通信接口進行MODBUS TCP通信，需要對接口進行設置，步驟如下：
1）：使用F4（Menu） > "SETTINGS> COMMUNICATION 進入如下界面如圖2所示：
圖2 通信界面
2）：使用F4（Edit）鍵對選中的條目進行編輯，在通信界面中設定MODBUS TCP 通信的IP地
址、子網掩碼及網關，在“PROTOCOL”中選擇“TCP”后退出，PAC3200側設置完成。
7 PLC側設置
在PLC側作的設置是為了與PAC3200建立TCP連接，以S7-300為例，步驟如下：
1）：在SIMATIC Manager中創建一個S7-300的項目，本例中項目名為MODBUS_TCP。
2）：插入一個S7-300站，從硬件目錄中插入CP343-1，本例為CP343-1IT，如圖3所示：
圖3 插入以太網模塊
3）：雙擊CP343-1的PN IO 槽，配置IP地址、子網掩碼，CP343-1的IP地址必須與
PAC3200在一個網段中，否則需要配置路由器地址，如圖4所示：
圖4 設置CP地址參數
4）：在硬件界面中點擊“Options”->“configure network”進入網絡連接界面，如圖5所示：
西門子6ES7953-8LF20-0AA0
圖5 網絡配置界面
5）：點擊CPU，出現網絡連接表，雙擊表中任一空格，選擇通信連接類型，由于CP343-1與
PAC3200使用以太網TCP/IP的通信方式，所以連接類型選擇為“TCP CONNECTION”，如
圖6所示：
圖6 選擇連接類型
6）：確認選擇的連接類型后，進入屬性界面，如圖7所示：
圖7 連接屬性－通用信息欄
選擇“Active connection establishment”選項，表示在通信連接初始化中由CP343-1主動發出連接請求。同樣在“Block parameters”中自動生成通信參數，用于編程時的參數賦值。
7）：在連接屬性的地址欄中，配置通信雙方的地址，如圖8所示：
圖8 連接屬性－地址欄
在IP地址中填寫PAC3200的地址，本例中為192.168.1.13，在PORT端口號中定義本方的端口號，為了不與網絡中固定功能的端口號沖突，西門子PLC通常以2000開始，PAC3200的端口號由MODBUS TCP規定固定為502。
8）：配置完成后，存盤編譯，將整個硬件配置下載到PLC中，使用網線連接PAC3200后，在
網絡配置界面中使用菜單命令：“PLC”->“activate connection status”，查看實際連 接狀態，如圖9所示：
圖9 查看連接狀態
如果連接狀態顯示成功（符號為綠色的三角），可以進行下一步工作，如果出現紅方塊，表示沒有建立連接，需要檢查通信雙方的設置及網線，通常的情況下，PAC3200設置完成后需要重新上電啟動。
如果需要與多個設備進行MODBUS TCP通信，則需要建立多個通信連接，PLC側的端口號不能相同，可以為2000、2001、2002等，但是連接的不同MODBUS TCP的服務器端口號必須為502，只是IP地址不同。
8 PLC編程
在前面的章節中已經介紹了MODBUS TCP的報文格式，在PLC側的通信程序就必須符合這種報文格式。下面以例子的方式介紹通信程序的編寫。
在OB1中調用用于CP343-1的通信函數FC5和FC6，如果是S7-400，需要在S7-400的函數庫中調用FC50和FC60，如圖10所示：
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圖10 調用通信函數
通信函數FC5的參數含義：
ACT ：沿觸發信號。
ID ：參考本地CPU連接表中的塊參數（圖7）。
LADDR ：參考本地CPU連接表中的塊參數（圖7）。
SEND : 發送區，最大通信數據為8K字節。
LEN : 實際發送數據長度。
DONE ：每次發送成功，產生一個上升沿。
ERROR ：錯誤位。
STATUS：通信狀態字。通信函數FC6的參數含義：
ID ：參考本地CPU連接表中的塊參數。
LADDR ：參考本地CPU連接表中的塊參數。
RECV : 接收區。接收區應大于等于發送區。
NDR : 每次接收到新數據，產生一個上升沿。
ERROR ：錯誤位。
STATUS：通信狀態字。
LEN : 實際接收數據長度。
如何實現MODBUS TCP通信，可以通過例子進行說明，例如讀出PAC3200設備的IP地址，通過PAC3200的手冊可以知道，IP地址為通信參數，偏移地址（開始地址）為63001，占用兩個寄存器，上面已經介紹通信參數的讀取可以使用功能碼FC3或FC4讀出，MODBUS TCP 的報文頭（參考圖1）BMAP部分占用7個字節，協議數據單元（PDU）部分占用5個字節，那么通過通信函數FC5一共發送12個字節，本例中數據發送區為DB1.DBB0~DB1.DBB11，然后將請求的內容分別賦值到DB1.DBB0~DB1.DBB11中，請求報文格式如下：
|
DB1,DBB0=0 transaction identifier (高字節) – 為0 DB1,DBB1=0 transaction identifier(低字節) - 為0 DB1,DBB2=0 protocol identifier(高字節) = 0 DB1,DBB3=0 protocol identifier (低字節) = 0 DB1,DBB4=0 length field (高字節) = 0 (因為所有的報文小于256) DB1,DBB5=6 后面跟隨的字節數 DB1,DBB6=7 unit identifier -原從站地址，這里為任意值 |
|
MPAP |
|
DB1,DBB7=4 MODBUS 功能碼 DB1,DBB8= F6(HEX)輸入寄存器開始地址(高字節) DB1,DBB9=19 (HEX) 輸入寄存器開始地址(低字節) DB1,DBB10=0 輸入寄存器的個數(高字節) DB1,DBB11=2 輸入寄存器的個數(低字節) |
|
PDU |
DB1.DBB0~DB1.DBB11經過賦值請求信息后，例子中M0.5每個上升沿將發送一次請求，如果通信成功，通過FC6將接收到PAC3200的返回信息，返回信息為13個字節，放入到數據接收區DB2.DBB0～DB2.DBB12中，接收報文的格式如下：
|
DB2,DBB0=0 transaction identifier (高字節) – 為0 DB2,DBB1=0 transaction identifier(低字節) - 為0 DB2,DBB2=0 protocol identifier(高字節) = 0 DB2,DBB3=0 protocol identifier (低字節) = 0 DB2,DBB4=0 length field (高字節) = 0 (因為所有的報文小于256) DB2,DBB5=7 后面跟隨的字節數 DB2,DBB6=7 unit identifier -返回值 |
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MBAP |
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DB2,DBB7=4 MODBUS 功能碼 DB2,DBB8= 4 返回的字節個數 DB2,DBB9= C0(HEX) ，192（DEC）第一個寄存器值(高字節) DB2,DBB10=A8(HEX),168(DEC) 第一個寄存器值(低字節) DB2,DBB11=1 第二個寄存器值(高字節) DB2,DBB12=D(HEX),13(DEC)第二個寄存器值(低字節) |
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PDU |
1. 如何避免S7-300/400系統掃描時間過長而導致CPU停機？
如果用戶程序的執行時間超出硬件組態中所設定CPU的掃描周期監控時間，則CPU會因看門狗超時而停機，同時觸發定時錯誤OB80，診斷信息如圖1所示：
圖1 診斷信息
S7-300/400 CPU的循環掃描時間（看門狗時間）默認為150ms（最大可修改為6000ms），用戶程序的執行時間必須在設定的掃描周期監控時間范圍內。最大掃描周期設置如圖2所示：
圖2 設置最大掃描周期時間
2. 如何查看S7-300/400系統掃描循環時間？
如果工程師需要了解程序的掃描周期，可通過如下兩種方法查詢。
方法一、將程序下載到PLC后，進行在線連接，查看CPU信息，如圖3所示：
圖3 查看CPU“掃描循環時間”
方法二、通過將OB1相應的臨時變量傳送到M區，即可讀取CPU掃描循環時間，如圖4、圖5所示：
圖4 臨時變量傳送到M區
圖5 變量監控
3. 如何查看S7-300/400中一個子程序的大約執行時間？
使用S7-300/400 CPU時，如果工程師需要了解某個子程序的大約執行時間，可在該子程序前、后分別讀取CPU系統時鐘，然后使用時鐘相減指令FC34進行編程計算，步驟如下：
1、設置PLC系統時鐘，按圖6所示的設置：
圖6 置PLC系統時鐘
2、創建一個塊符號名為“time”的數據塊（DB1），并創建如下變量，如圖7所示：
圖7 創建數據塊
3、在需要測試的子程序的第一個網絡和最后一個網絡讀取系統時鐘，然后運用時鐘相減指令FC34進行計算。
如下例程中測試了“FC1”子程序的執行時間，如圖8所示：
圖8 “子程序執行時間”例程
4、通過變量監控表查看該子程序的大約執行時間，如圖9所示：
圖9 子程序大約執行時間
