Modbus TCP通信概述

odbus協(xié)議是一項(xiàng)應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，包括ASCII、RTU、TCP三種報(bào)文類型。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議物理層接口有RS232、RS422、RS485和以太網(wǎng)接口，采用master/slave方式通信。Modbus設(shè)備可分為主站(Master)和從站(slave)，主站只有一個(gè)，從站有多個(gè)，主站向各從站發(fā)送請(qǐng)求幀，從站給予響應(yīng)。在使用TCP通信時(shí)，主站為client端，主動(dòng)建立連接；從站為server端，等待連接。對(duì)于這三種通信在數(shù)據(jù)模型和功能調(diào)用上都是相同的，只有封裝方式是不同的。Modbus TCP協(xié)議是一個(gè)運(yùn)行在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接中的一種協(xié)議，與傳統(tǒng)的串口方式相比，MODBUS TCP插入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS報(bào)文頭到 TCP報(bào)文中，不再帶有差錯(cuò)校驗(yàn)和地址域，如圖1所示。MBAP為報(bào)文頭，長(zhǎng)度為7字節(jié)，組成如下表1。

圖1. Modbus 報(bào)文幀

表1.報(bào)文頭MBAP

SIMATIC S7-1500 ModbusTCP 通信使用要求

從TIA Portal V12 SP1開始軟件中增加了S7-1500的Modbus TCP塊庫（V3.0及以上版本），用于S7-1500與支持Modbus TCP的通信伙伴進(jìn)行通信，如下圖2所示。S7-1500支持ModbusTCP指令的所有庫版本，在用戶程序中調(diào)用和參數(shù)化"MB_CLIENT"和"MB_SERVER"指令。
"MB_CLIENT"指令通過CPU 或 CM/CP 的本地接口作為ModbusTCP客戶端進(jìn)行通信，無需要任何額外的硬件支持。使用"MB_CLIENT"指令在客戶端和服務(wù)器之間建立連接，發(fā)送請(qǐng)求和接收響應(yīng)，并控制斷開連接。
"MB_SERVER"指令通過CPU 或 CM/CP 的本地接口作為ModbusTCP服務(wù)器進(jìn)行通信，無需要任何額外的硬件支持。"MB_SERVER"指令處理ModbusTCP客戶端的連接請(qǐng)求，接收Modbus客戶端的請(qǐng)求并發(fā)送響應(yīng)消息。

圖2. 通信指令

Modbus TCP 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和內(nèi)容

在本應(yīng)用實(shí)例中，通過以下產(chǎn)品進(jìn)行Modbus TCP編程，實(shí)現(xiàn)了S7-1500通過CP1543-1分別作為客戶端和服務(wù)器與第三方測(cè)試軟件進(jìn)行通信。

軟件：

TIA V16 Professional
Modbus Poll
Modbus Slave

硬件：

CPU 1511-1 PN V2.8
CP 1543-1 V2.2

Modbus TCP 通信程序

1、CP1543-1作為服務(wù)器

1.1、打開 TIA Portal V16軟件，新建一個(gè)項(xiàng)目命名為 "ModbusTCP"，在項(xiàng)目中添加 CPU1511-1PN V2.8 及CP1543-1 V2.2，為CP1543-1以太網(wǎng)接口新建一個(gè)子網(wǎng)并設(shè)置 IP地址為 "192.168.0.3"，如下圖 3 所示。

圖3. 分配IP地址

1.2、在 CPU1511-1PN的 OB1組織塊中添加Modbus TCP Server功能塊 "MB_SERVER"，軟件將提示會(huì)為該 FB塊增加一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊，本例中為 DB1"MB_SERVER_DB"，如下圖4所示。接下來為指令塊分配引腳，各引腳的具體含義如下表 2 所示。

圖4. 指令創(chuàng)建

1.3、保持性寄存器存儲(chǔ)區(qū)與"MB_SERVER"管腳參數(shù)"MB_HOLD_REG"進(jìn)行映射，對(duì)于線圈、離散輸入、輸入寄存器等通過功能塊均已經(jīng)與 S7-1500的過程映像區(qū)進(jìn)行了映射，其映射地址對(duì)應(yīng)如表 3 所示。

表3.CPU的Modbus地址映射表

1.4、使用上述指令實(shí)現(xiàn)CP1543-1為Modbus TCP的 Server與通信伙伴建立通信，通過表2可知CONNECT參數(shù)的設(shè)定有兩種方式，下面分別介紹這兩種方式如何創(chuàng)建CONNECT參數(shù)。

（1）使用TCON_IP_v4結(jié)構(gòu)創(chuàng)建連接參數(shù)。

添加一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)塊用于匹配功能塊"MB_SERVER"的管腳"CONNECT"，本例中為數(shù)據(jù)塊DB2（塊名稱：MB_CONNECT），打開該數(shù)據(jù)塊，創(chuàng)建變量 "MB_Server"，手動(dòng)在數(shù)據(jù)類型框中輸入"TCON_IP_v4"，并將該變量關(guān)聯(lián)到功能塊"MB_SERVER"的管腳參數(shù)"CONNECT"上，如下圖5所示。數(shù)據(jù)類型“TCON_IP_V4”的各參數(shù)含義及本例中設(shè)置如下表4所示。

圖5. 創(chuàng)建“TCON_IP_V4”類型的CONNECT參數(shù)

表4."TCON_IP_V4"數(shù)據(jù)類型的參數(shù)設(shè)置

圖6. 硬件接口標(biāo)識(shí)符

（2）通過"網(wǎng)絡(luò)視圖"創(chuàng)建TCP連接后，再使用TCON_Configured結(jié)構(gòu)創(chuàng)建連接參數(shù)。

在"網(wǎng)絡(luò)視圖"窗口，左上側(cè)選擇"連接"按鈕，選擇”TCP連接“，然后在CPU上點(diǎn)擊鼠標(biāo)"右鍵"并選擇"添加新連接"。如下圖7所示。

圖7. 添加新連接

在"添加新連接"窗口中，"類型"選擇為"TCP連接"，伙伴選擇"未指定"，本地接口選擇"CP1543-1，以太網(wǎng)接口_1[X1]"，分配本地連接ID，服務(wù)器為被動(dòng)連接，點(diǎn)擊 "添加"創(chuàng)建TCP 連接，如下圖8所示。

圖8. 創(chuàng)建TCP連接

"TCP_連接_1"為建立的連接，選中該連接，在屬性的"地址詳細(xì)信息"中可以設(shè)置該TCP 連接的相關(guān)信息，如下圖9所示。

圖9. TCP連接參數(shù)設(shè)置

添加一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)塊用于匹配功能塊"MB_SERVER"的管腳"CONNECT"，本例中為數(shù)據(jù)塊DB2（塊名稱：MB_CONNECT），打開該數(shù)據(jù)塊，創(chuàng)建變量 "MB_Server"，手動(dòng)在數(shù)據(jù)類型框中輸入"TCON_Configured"，并將該變量關(guān)聯(lián)到功能塊"MB_SERVER"的管腳參數(shù)"CONNECT"上，如下圖10所示。數(shù)據(jù)類型“TCON_Configured”的各參數(shù)含義及本例中設(shè)置如下表5所示。

圖10. 創(chuàng)建“TCON_Configured”類型的CONNECT參數(shù)

表5."TCON_Configured"數(shù)據(jù)類型的參數(shù)設(shè)置

1.5、仿真軟件設(shè)置，如下圖11所示。

圖11. 仿真軟件連接設(shè)置

1.6、測(cè)試結(jié)果

圖12. 測(cè)試結(jié)果

2、CP1543-1 作為客戶端

2.1、打開 TIA Portal V16軟件，新建一個(gè)項(xiàng)目命名為 "ModbusTCP"，在項(xiàng)目中添加 CPU1511-1PN V2.8 及CP1543-1 V2.2，為CP1543-1以太網(wǎng)接口新建一個(gè)子網(wǎng)并設(shè)置 IP地址為 "192.168.0.3"，如上圖 13 所示。

圖13. 分配IP地址

2.2、在 CPU1511-1PN 的 OB1組織塊中添加Modbus TCP Client功能塊 "MB_CLIENT"，軟件將提示會(huì)為該 FB塊增加一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊，本例中為 DB1"MB_CLIENT_DB"，如下圖14所示。接下來為指令塊分配引腳，各引腳的具體含義如下表 6 所示。

圖14. 指令創(chuàng)建

2.3、參數(shù) MB_MODE、MB_DATA_ADDR 和 MB_DATA_LEN 的組合定義了 MB_MODE 值為 0、1 和 2 時(shí)，當(dāng)前 Modbus 消息中所用的 Modbus 功能代碼，對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表7所示。

MB_MODE 中包含有關(guān)讀寫操作的信息。MB_MODE=0：讀取，MB_MODE=1 和 2：寫入（注：MB_MODE=2 時(shí)，Modbus 功能 15 和 05 或 Modbus 功能 16 和 06 無區(qū)別。）

MB_DATA_ADDR 中包含有關(guān)待讀取/寫入的目標(biāo)信息，以及“MB_CLIENT”指令用于計(jì)算遠(yuǎn)程地址的地址信息。

MB_DATA_LEN 包含要讀/寫的值的數(shù)量。

2.4、使用上述指令實(shí)現(xiàn)CP1543-1為Modbus TCP的 Client與通信伙伴建立通信，通過表6可知CONNECT參數(shù)的設(shè)定有兩種方式，下面分別介紹這兩種方式如何創(chuàng)建CONNECT參數(shù)。

（1）使用TCON_IP_v4結(jié)構(gòu)創(chuàng)建連接參數(shù)。

添加一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)塊用于匹配功能塊"MB_CLIENT"的管腳"CONNECT"，本例中為數(shù)據(jù)塊DB2（塊名稱：MB_CONNECT），打開該數(shù)據(jù)塊，創(chuàng)建變量 "MB_CLIENT"，手動(dòng)在數(shù)據(jù)類型框中輸入"TCON_IP_v4"，并將該變量關(guān)聯(lián)到功能塊"MB_CLIENT"的管腳參數(shù)"CONNECT"上，如下圖15所示。數(shù)據(jù)類型“TCON_IP_V4”的各參數(shù)含義及本例中設(shè)置如下表8所示。

圖15. 創(chuàng)建“TCON_IP_V4”類型的CONNECT參數(shù)

表8."TCON_IP_V4"數(shù)據(jù)類型的參數(shù)設(shè)置

圖16. 硬件接口標(biāo)識(shí)符

（2）通過"網(wǎng)絡(luò)視圖"創(chuàng)建TCP連接后，再使用TCON_Configured結(jié)構(gòu)創(chuàng)建連接參數(shù)。

在"網(wǎng)絡(luò)視圖"窗口，左上側(cè)選擇"連接"按鈕，選擇”TCP連接“，然后在CPU上點(diǎn)擊鼠標(biāo)"右鍵"并選擇"添加新連接"。如下圖17所示。

圖17. 添加新連接

在"添加新連接"窗口中，"類型"選擇為"TCP連接"，伙伴選擇"未指定"，本地接口選擇"CP1543-1，以太網(wǎng)接口_1[X1]"，分配本地連接ID，服務(wù)器為被動(dòng)連接，點(diǎn)擊 "添加"創(chuàng)建TCP 連接，如下圖18所示。

圖18. 創(chuàng)建TCP連接

"TCP_連接_2"為建立的連接，選中該連接，在屬性的"地址詳細(xì)信息"中可以設(shè)置該TCP 連接的相關(guān)信息，如下圖19所示。

圖19. TCP連接參數(shù)設(shè)置

添加一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)塊用于匹配功能塊"MB_CLIENT"的管腳"CONNECT"，本例中為數(shù)據(jù)塊DB2（塊名稱：MB_CONNECT），打開該數(shù)據(jù)塊，創(chuàng)建變量 "MB_CLIENT"，手動(dòng)在數(shù)據(jù)類型框中輸入"TCON_Configured"，并將該變量關(guān)聯(lián)到功能塊"MB_CLIENT"的管腳參數(shù)"CONNECT"上，如下圖20所示。數(shù)據(jù)類型“TCON_Configured”的各參數(shù)含義及本例中設(shè)置如下表9所示。

圖20. 創(chuàng)建“TCON_Configured”類型的CONNECT參數(shù)

表9."TCON_Configured"數(shù)據(jù)類型的參數(shù)設(shè)置

1.5、仿真軟件設(shè)置，如下圖21所示。

圖21. 仿真軟件連接設(shè)置

圖22. 參數(shù)設(shè)置

1.6、測(cè)試結(jié)果

圖23. 測(cè)試結(jié)果

常見問題

1、CP1543-1可以與串口進(jìn)行ModbusTCP通信嗎？

如果 S7-1500 作為 Modbus TCP 客戶端與 Modbus TCP 服務(wù)器通信，并且嘗試訪問比 Modbus TCP 服務(wù)器更低端的串行子網(wǎng)中的設(shè)備，那么在此情形下會(huì)有報(bào)錯(cuò) "無法建立連接"。這種情況下，就要使用 "MB_CLIENT" 參數(shù)了。"MB_UNIT_ID" 參數(shù)相當(dāng)于 Modbus RTU 協(xié)議中的從站地址。如果將 Modbus TCP 服務(wù)器當(dāng)做 Modbus RTU 協(xié)議中的網(wǎng)關(guān)，那么從站設(shè)備可以通過 "MB_UNIT_ID" 參數(shù)來識(shí)別。Modbus TCP 客戶端直接向Modbus TCP 服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，而Modbus TCP 服務(wù)器通過 "MB_UNIT_ID" 參數(shù)將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到從站設(shè)備。

審核編輯：湯梓紅