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1. 概述
在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，很多儀表和設(shè)備僅支持Modbus RTU的通訊協(xié)議，第三方儀表可以做Modbus主站或從站，西門子的通訊模塊CP341 / CP441-2 通過(guò)Dongle（硬件狗）可以擴(kuò)展該協(xié)議，S7-200 集成的口可以支持自由口通訊，通過(guò)指令庫(kù)也可以方便的實(shí)現(xiàn)Modbus RTU通訊。本文以S7-200作為Modbus 主站，CP341作為Modbus 從站，實(shí)現(xiàn)Modbus RTU通訊，闡述兩者在通訊方面的設(shè)置和注意事項(xiàng)。
2. 軟件環(huán)境
2.1 STEP7 V5.4 SP4
用于編寫(xiě) S7-300/400程序，此軟件需要從西門子購(gòu)買，本文檔中的300的程序是使用Step7 V5.4 SP4的軟件編寫(xiě)。
2.2 CP PTP Param V5.1 SP11
串行通訊模板的驅(qū)動(dòng)程序，安裝此驅(qū)動(dòng)后才能對(duì)PtP模板進(jìn)行參數(shù)配置，并在Step7中集成通訊編程需要使用的功能塊。此驅(qū)動(dòng)隨購(gòu)買模板一起提供，也可以從以下的鏈接下載：27013524
2.3 CP PTP Modbus Slave V3.1 SP7
CP341或CP441-2用于Modbus從站時(shí)，需要安裝此驅(qū)動(dòng)協(xié)議，但安裝之前必須先安裝PtP Driver，此驅(qū)動(dòng)可以在購(gòu)買Modbus Dongle時(shí)選擇購(gòu)買，也可以從以下的鏈接下載：27774276
2.4 STEP7 Micro/WIN V4.0 SP6
用于S7-200編程的軟件，本文檔中的200的程序是使用Step7 Micro/win 的軟件編寫(xiě)。此軟件可以從西門子下載中心免費(fèi)下載，也可以從以下的鏈接下載。
http://www.ad.siemens.com.cn/download 網(wǎng)站 自動(dòng)化系統(tǒng)>>S7-200>>軟件，文檔編號(hào)S0002。
2.5 Toolbox_V32-STEP 7-Micro WIN 32 Instruction Library
S7-200實(shí)現(xiàn)Modbus RTU功能，可以使用Modbus的指令庫(kù)，要使用西門子的標(biāo)準(zhǔn)指令庫(kù)，必須先安裝指令庫(kù)的軟件包 Instruction Library，安裝后，可以在Step 7-Micro/WIN軟件的庫(kù)中找到Modbus相關(guān)的指令，該軟件包可以從以下的鏈接下載。http://www.ad.siemens.com.cn/download 網(wǎng)站 自動(dòng)化系統(tǒng)>>S7-200>>軟件，文檔編號(hào)S0010。
3. 硬件列表和接線
3.1 硬件列表
| S7-300從站 | CPU315-2DP | 6ES7 315-2AG10-0AB0 |
| CP341 RS422/485 | 6ES7 341-1CH01-0AE0 | |
| Dongle | 6ES7 870-1AB01-0YA0 | |
| PC 適配器（USB） | 6ES7 972-0CB20-0XA0 | |
| S7-200主站 | CPU 224XP | 6ES7 214-2BD23-0XB0 |
表1 硬件設(shè)備
3.2 硬件接線
3.2.1 接口定義
S7-200的通訊口為RS485物理口（9針口），CP341是RS422/485的接口類型（15針口），兩種設(shè)備的接口引腳的示意圖如下所示，更詳細(xì)的信息可以參考CP341及S7-200通信接口的手冊(cè)。
圖1 S7-200 CPU通信口引腳定義
圖2 S7-300 CP341 RS422/485 通訊口引腳定義
3.2.2 接線示意圖
圖3 硬件結(jié)構(gòu)和接線示意圖
4. 組態(tài)設(shè)置和編程
4.1 S7-200做Modbus主站的設(shè)置
S7-200 CPU上的通信口在電氣上是標(biāo)準(zhǔn)的RS-485半雙工串行通信口，此串行字符通信的格式：1個(gè)起始位；7/8位數(shù)據(jù)位；1位奇/偶/無(wú)校驗(yàn)；1停止位。通信波特率可以設(shè)置為1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600或112500，符合這些格式的串行通訊設(shè)備可以和S7-200進(jìn)行自由口通訊，Modbus RTU指令庫(kù)就是使用自由口編程實(shí)現(xiàn)的。
4.1.1 Modbus RTU主站庫(kù)
使用Modbus 主站指令庫(kù)時(shí)需要注意的幾點(diǎn)：
圖4 庫(kù)存儲(chǔ)區(qū)設(shè)置
| Modbus 地址 | 讀 / 寫(xiě) | Modbus 從站須支持的功能 |
| 00001~09999 | 讀 | 功能1：讀輸出點(diǎn) |
| 數(shù)字量輸出 | 寫(xiě) | 功能5：寫(xiě)單個(gè)輸出點(diǎn) |
| 功能15：寫(xiě)多個(gè)輸出點(diǎn) | ||
| 10001~19999 | 讀 | 功能2：讀輸入點(diǎn) |
| 數(shù)字量輸入 | ||
| 30001~39999 | 讀 | 功能4：讀輸入寄存器 |
| 輸入寄存器 | ||
| 40001~49999 | 讀 | 功能3：讀保持寄存器 |
| 保持寄存器 | 寫(xiě) | 功能6：寫(xiě)單個(gè)寄存器 |
| 功能16：寫(xiě)多個(gè)寄存器 |
表2需要從站支持的功能
4.1.2 S7-200 Modbus主站編程
編程時(shí)，使用SM0.0調(diào)用MBUS_CTRL完成主站的參數(shù)初始化，詳細(xì)見(jiàn)下表，參數(shù)的說(shuō)明也可以從子程序的局部變量表中找到。
圖5 Modbus RTU 主站初始化
圖中各參數(shù)含義如下
| 編號(hào) | 符號(hào)/含義 | 說(shuō) 明 |
| a | EN / 使能 | 必須保證每一掃描周期都被使能（使用SM0.0）。 |
| b | Mode / 模式 | 為1時(shí)使能為Modbus協(xié)議；為0時(shí)恢復(fù)為PPI協(xié)議。 |
| c | Baud / 波特率 | 支持的通訊波特率為1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200。 |
| d | Parity / 校驗(yàn) | 校驗(yàn)方式選擇：0＝無(wú)校驗(yàn)；1＝奇校驗(yàn)，2＝偶校驗(yàn)。 |
| e | Timeout / 超時(shí) | 主站等待從站響應(yīng)的時(shí)間，以毫秒為單位，典型的設(shè)置值為 1000毫秒，允許設(shè)置的范圍為1-32767。這個(gè)值必須設(shè)置足夠大以保證從站有時(shí)間響應(yīng)。 |
| f | Done / 完成位 | 初始化完成，此位會(huì)自動(dòng)置1。 |
| g | Error / 錯(cuò)誤位 | 初始化錯(cuò)誤代碼。 |
表3
調(diào)用 Modbus RTU 主站讀寫(xiě)子程序MBUS_MSG，發(fā)送一個(gè)Modbus 請(qǐng)求。
圖6 調(diào)用Modbus RTU 主站讀寫(xiě)子程序
圖中各參數(shù)含義如下
| 編號(hào) | 符號(hào)/含義 | 說(shuō) 明 |
| a | EN / 使能 | 同一時(shí)刻只能有一個(gè)讀寫(xiě)功能使能。 |
| b | First / 讀寫(xiě)請(qǐng)求位 | 每一個(gè)新的讀寫(xiě)請(qǐng)求必須使用脈沖觸發(fā)。 |
| c | Slave / 從站地址 | 可選擇的范圍1–247。 |
| d | RW / 讀寫(xiě)操作位 | 0＝讀， 1＝寫(xiě)。 |
| e | Addr / 讀寫(xiě)從站的數(shù)據(jù)地址 | 選擇讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)類型： |
| 00001 至 0xxxx - 開(kāi)關(guān)量輸出 | ||
| 10001 至 1xxxx - 開(kāi)關(guān)量輸入 | ||
| 30001 至 3xxxx - 模擬量輸入 | ||
| 40001 至 4xxxx - 保持寄存器。 | ||
| f | Count / 數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù) | 通訊的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)（位或字的個(gè)數(shù)）。 |
| g | DaptPtr / 數(shù)據(jù)指針 | 如果是讀指令，讀回的數(shù)據(jù)放到這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)中； |
| 如果是寫(xiě)指令，要寫(xiě)出的數(shù)據(jù)放到這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)中。 | ||
| h | Done / 完成位 | 讀寫(xiě)功能完成位。 |
| i | Error / 錯(cuò)誤代碼 | 只有在Done位為1時(shí)，錯(cuò)誤代碼才有效。 |
表4
從上圖中可見(jiàn)，S7-200作為Modbus RTU主站，波特率9.6Kb/s，偶校驗(yàn)，連接從站的站地址是3，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)為VB2000開(kāi)始的區(qū)域。
4.2 CP341 做Modbus 從站的硬件組態(tài)
4.2.1 硬件組態(tài)
圖7 S7-300側(cè)硬件組態(tài)
4.2.2 設(shè)置Modbus參數(shù)
圖8 消息楨字符結(jié)構(gòu)
按照上述操作設(shè)置參數(shù)，從上圖可以看出，本例中的傳輸波特率9.6Kb/s，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，偶校驗(yàn)位，1位停止位，從站站地址是3，主從通訊設(shè)備的字符幀格式和波特率等參數(shù)設(shè)置需要一致。
圖9 RS422/485 接口組態(tài)
RS422/485接口只能一個(gè)有效，接口的選擇只需要組態(tài)而不需要在硬件上短接。
4.2.3 Modbus驅(qū)動(dòng)的下載
當(dāng)配置好Modbus通信的參數(shù)后，保存前需要向CP341下載Modbus Slave的驅(qū)動(dòng)，一旦下載完成后無(wú)需再次下載。
需要注意的是，在下載驅(qū)動(dòng)時(shí)（可以在無(wú)Dongle情況下下載），需要將CPU停機(jī)，然后下載，操作過(guò)程如下所示。
圖10 下載Dongle時(shí)，需要CPU停機(jī)
圖11 從站驅(qū)動(dòng)下載后結(jié)果
4.2.4 CP341做Modbus從站的編程
從Step7 軟件下的EXAMPLE目錄中，找到項(xiàng)目名“zXX21_05_PtP_Com_MODSL”的項(xiàng)目，打開(kāi)，然后將Modbus通訊模塊FB80傳遞到用戶項(xiàng)目中，打開(kāi)路徑如下所示。
圖12 Modbus Slave 例程打開(kāi)路徑
OB1中調(diào)用FB80編程如下：
圖13 FB80程序塊調(diào)用
CP卡初始化正常后，CP_START，CP_START_FM和CP_START_OK為1信號(hào)，否則CP_START_ERROR為1，同時(shí)可以從ERROR_NR察看錯(cuò)誤信息，也可以在硬件組態(tài)中在線后的CP341的診斷緩沖區(qū)察看詳細(xì)的錯(cuò)誤信息，錯(cuò)誤信息對(duì)照和處理方式可以參考
《S7-300以用于PtP CP Modbus 協(xié)議RTU格式S7的可裝載驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閺恼尽返氖謨?cè)。
FB80的各參數(shù)含義如下
| LADDR | 硬件組態(tài)中CP341的起始邏輯地址，本例中為256 |
| START_TIMER | 初始化超時(shí)定時(shí)器，本例中為T120 |
| START_TIME | 初始化定時(shí)器時(shí)間，本例中為5S |
| OB_MASK | I/O訪問(wèn)錯(cuò)誤屏蔽位，本例中為True（I/O訪問(wèn)錯(cuò)誤已屏蔽） |
| CP_START | FB初始化使能位，本例中為M0.0 |
| CP_START_FM | CP_START 初始化的上升沿位，本例中為M0.1 |
| CP_NDR | 從CP卡寫(xiě)操作位，本例中為m0.2 |
| CP_START_OK | 初始化完成且無(wú)錯(cuò)誤，本例中為M0.3 |
| CP_START_ERROR | 初始化完成，但有錯(cuò)誤，本例中為M0.4 |
| ERROR_NR | 錯(cuò)誤號(hào)，本例中為MW2 |
| ERROR_INFO | 錯(cuò)誤信息，本例中為MW4 |
表5
5. 通訊測(cè)試
Modbus RTU格式通信協(xié)議是以主從的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模趥鬏數(shù)倪^(guò)程中主站是主動(dòng)方，即主站發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文到從站，從站返回響應(yīng)報(bào)文。Modbus 系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)功能碼來(lái)控制的，以下對(duì)現(xiàn)場(chǎng)常用的功能碼進(jìn)行分類測(cè)試，關(guān)于功能碼的詳細(xì)信息請(qǐng)參考手冊(cè)。
5.1 FC01/05/15功能碼
CP341從站的通訊區(qū)域配置
圖14 FC01/05/15 參數(shù)組態(tài)界面
FC01、FC05、FC15對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)為位輸出，數(shù)據(jù)的傳遞以位為單位，可以讀寫(xiě)操作，用戶地址區(qū)為0xxxx，Modbus地址在信息傳遞中從0開(kāi)始。如上圖，左邊為信息傳遞地址（地址區(qū)不能沖突），右邊對(duì)應(yīng)的是S7-300的數(shù)據(jù)區(qū)。例如左邊信息傳遞地址從0 ~ 7對(duì)應(yīng)用戶地址區(qū)為00001 ~ 00008，對(duì)應(yīng)S7-300的M10.0 ~ M10.7，并且以此為例說(shuō)明FC01功能碼的通訊。
S7-200主站程序調(diào)用
圖15 功能碼FC01使用
S7-200主站，用功能碼FC01讀取從站8點(diǎn)數(shù)字量輸出，接收的數(shù)據(jù)存放在VB2000開(kāi)始的區(qū)域，測(cè)試截圖結(jié)果如下。
圖16 FC01功能碼數(shù)據(jù)交換
5.2 FC02功能碼
CP341從站的通訊區(qū)域配置
圖17 FC02 參數(shù)組態(tài)界面
FC02對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)為位輸出，數(shù)據(jù)的傳遞以位為單位，只讀操作，用戶地址區(qū)為1xxxx，Modbus地址在信息傳遞中從0開(kāi)始，如上圖，左邊為信息傳遞地址（地址區(qū)不能沖突），右邊對(duì)應(yīng)的是S7-300的數(shù)據(jù)區(qū)。例如左邊信息傳遞地址從0 ~ 7對(duì)應(yīng)用戶地址區(qū)為10001 ~ 10008，對(duì)應(yīng)S7-300的M20.0 ~ M20.7，并且以此為例說(shuō)明FC02功能碼的通訊。
S7-200主站程序調(diào)用
下列 S7-300 CPU 支持系統(tǒng)功能 SFC103：
CPU 訂貨號(hào) 備注
CPU313C-2 DP 6ES7313-6CF03-0AB0 自固件版本 V2.6 起
CPU313C-2 DP 6ES7313-6CG04-0AB0
CPU314C-2 DP 6ES7314-6CG03-0AB0 自固件版本 V2.6 起
CPU314C-2 DP 6ES7314-6CH04-0AB0
CPU314C-2 PN/DP 6ES7314-6EH04-0AB0
CPU315-2 DP 6ES7315-2AG10-0AB0 自固件版本 V2.6 起
CPU315-2 DP 6ES7315-2AH14-0AB0
CPU315-2 PN/DP 6ES7315-2EH13-0AB0 自固件版本 V2.5 起
CPU315-2 PN/DP 6ES7315-2EH14-0AB0
CPU315F-2 DP 6ES7315-6FF01-0AB0 自固件版本 V2.6 起
CPU315F-2 DP 6ES7315-6FF04-0AB0
CPU315F-2 PN/DP 6ES7315-2FH13-0AB0 自固件版本 V2.5 起
CPU315F-2 PN/DP 6ES7315-2FJ14-0AB0
CPU315T-2 DP 6ES7315-6TH13-0AB0
CPU315T-3 PN/DP 6ES7315-7TJ10-0AB0
CPU317-2 DP 6ES7317-2AJ10-0AB0 自固件版本 V2.5 起
CPU317-2 DP 6ES7317-2AK14-0AB0
CPU317-2 PN/DP 6ES7317-2EK13-0AB0 自固件版本 V2.5 起
CPU317-2 PN/DP 6ES7317-2EK14-0AB0
CPU317F-2 DP 6ES7317-6FF03-0AB0 自固件版本 V2.5 起
CPU317F-2 DP 6ES7317-6FF04-0AB0
CPU317F-2 PN/DP 6ES7317-2FK13-0AB0 自固件版本 V2.5 起
CPU317F-2 PN/DP 6ES7317-2FK14-0AB0
CPU317T-2 DP 6ES7317-6TK13-0AB0
CPU317T-3 PN/DP 6ES7317-7TK10-0AB0
CPU319-3 PN/DP 6ES7318-3EL00-0AB0
CPU319-3 PN/DP 6ES7318-3EL01-0AB0
CPU319F-3 PN/DP 6ES7318-3FL00-0AB0
CPU319F-3 PN/DP 6ES7318-3FL01-0AB0
表 03
如果不想通過(guò) CPU 觸發(fā)拓?fù)湓\斷，而是希望完全從診斷中繼器中獲取診斷數(shù)據(jù)，則需要調(diào)用系統(tǒng)功能 SFC59 "RD_REC" 或者系統(tǒng)功能塊 SFB52 "RDREC" 來(lái)讀取數(shù)據(jù)記錄。
下列 S7-400 CPU 支持系統(tǒng)功能 SFC103：
CPUs 訂貨號(hào) Note
CPU 412-1 6ES7412-1XF03-0AB0 自固件版本 V3.1 起
CPU 412-1 6ES7412-1XF04-0AB0
CPU 412-1 6ES7412-1XJ05-0AB0
CPU 412-2 DP 6ES7412-2XG00-0AB0 自固件版本 V3.1 起
CPU 412-2 DP 6ES7412-2XG04-0AB0
CPU 412-2 DP 6ES7412-2XJ05-0AB0
CPU 412-2 PN 6ES7412-2EK06-0AB0
CPU 412-2 PCI 6ES7673-2CC02-0YA0 V3.4
CPU 412-2 PCI 6ES7673-2CC40-0YA0 V4.0
CPU 414-2 DP 6ES7414-2XG03-0AB0 自固件版本 V3.1 起
CPU 414-2 DP 6ES7414-2XG04-0AB0
CPU 414-2 DP 6ES7414-2XK05-0AB0
CPU 414-3 DP 6ES7414-3XJ00-0AB0 自固件版本 V3.1 起
CPU 414-3 DP 6ES7414-3XJ04-0AB0
CPU 414-3 DP 6ES7414-3XM05-0AB0
CPU 414-3 PN/DP 6ES7414-3EM05-0AB0
CPU 414-3 PN/DP 6ES7414-3XM06-0AB0
CPU 414F-3 PN/DP 6ES7414-3FM06-0AB0
CPU 414-4 H 6ES7414-4HJ00-0AB0
CPU 416-2 DP 6ES7416-2XK02-0AB0 自固件版本 V3.1 起
CPU 416-2 DP 6ES7416-2XK04-0AB0
CPU 416-2 DP 6ES7416-2XN05-0AB0
CPU 416F-2 DP 6ES7416-2FK04-0AB0
CPU 416F-2 DP 6ES7416-2FN05-0AB0
CPU 416-2 PCI 6ES7673-6CC22-0YA0 V3.4
CPU 416-2 PCI 6ES7673-6CC40-0YA0 V4.0
CPU 416-3 DP 6ES7416-3XL00-0AB0 自固件版本 V3.1 起
CPU 416-3 DP 6ES7416-3XL04-0AB0
CPU 416-3 DP 6ES7416-3XR05-0AB0
CPU 416-3 PN/DP 6ES7416-3ER05-0AB0
CPU 416-3 PN/DP 6ES7416-3ES06-0AB0
CPU 416F-3 PN/DP 6ES7416-3FR05-0AB0
CPU 416F-3 PN/DP 6ES7416-3FS06-0AB0
CPU 417-4 6ES7417-4XL00-0AB0 自固件版本 V3.1 起
CPU 417-4 6ES7417-4XL04-0AB0
CPU 417-4 6ES7417-4XT05-0AB0
CPU 414-4 H 6ES7414-4HJ00-0AB0 V3.1 起
CPU 414-4 H 6ES7414-4HJ04-0AB0
CPU 414-4 H 6ES7414-4HM14-0AB0
CPU 417-4 H 6ES7417-4HL01-0AB0 V3.1 起
CPU 417-4 H 6ES7417-4HL04-0AB0
CPU 417-4 H 6ES7417-4HT14-0AB0
CPU 412-3 H 6ES7412-3HJ14-0AB0
CPU 412-5H PN/DP 6ES7412-5HK06-0AB0
CPU 414-5H PN/DP 6ES7414-5HM06-0AB0
CPU 416-5H PN/DP 6ES7416-5HS06-0AB0
CPU 417-5H PN/DP 6ES7416-5HT06-0AB0
西門子銷售6ES797 2-0BB42-0XA0 DP連接器35度
