西門子S7-1200 Modbus RTU通信技術(shù)

第一部分：S7-1200 Modbus RTU通信

（一）概述

Modbus具有兩種串行傳輸模式：分別為ASCII和RTU。Modbus是一種單主站的主從通信模式，Modbus網(wǎng)絡(luò)上只能有一個主站存在，主站在Modbus網(wǎng)絡(luò)上沒有地址，每個從站必須有唯一的地址，從站的地址范圍為0 - 247，其中0為廣播地址，從站的實際地址范圍為1-247。Modbus RTU通信以主從的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在傳輸?shù)倪^程中Modbus RTU主站是主動方，即主站發(fā)送數(shù)據(jù)請求報文到從站，Modbus RTU從站返回響應(yīng)報文。S7-1200以下模塊支持 Modbus RTU通信：

注意： （1）使用通信模塊CM 1241 RS232作為Modbus RTU主站時，只能與一個從站通訊。
（2）使用通信模塊CM 1241 RS485作為Modbus RTU主站時，則允許建立最多與 32 個從站的通訊。 （3）使用通信板CB 1241 RS485時，CPU 固件必須為 V2.0 或更高版本，且使用軟件必須為STEP 7 Basic V11 或STEP 7 Professional V11 以上更高版本。

（二）Modbus RTU指令版本與限制

隨著博途軟件和 S7-1200 CPU 固件的不斷更新，S7-1200 Modbus RTU 指令也出現(xiàn)了不同的版本。用戶需要根據(jù)使用的軟件和硬件，正確選擇使用符合要求的 S7-1200 Modbus RTU 指令來實現(xiàn) Modbus RTU 通信，其軟件和硬件要求和指令版本說明如下。

（1）博途中的 S7-1200 Modbus RTU?指令

博途中提供了2個版本的 Modbus RTU指令。如下圖 1 所示：

早期版本的 Modbus RTU 指令（圖1. 中 MODBUS (V2.2)）僅可通過 CM1241 通信模塊或 CB1241 通信板進(jìn)行 Modbus RTU 通信。

新版本的 Modbus RTU 指令（圖1. 中 MODBUS(RTU) V3.0）擴(kuò)展了 Modbus RTU 的功能，該指令除了支持 CM1241 通信模塊、CB1241 通信板，還支持 PROFINET 或 PROFIBUS 分布式 I/O 機架上的 PTP 通信模塊實現(xiàn) Modbus RTU 通信。

（2）新版本 Modbus RTU 指令的使用限制條件
新版本 Modbus RTU 指令通過CM1241通信模塊或CB1241通信板進(jìn)行Modbus RTU通信時，需要滿足如下條件：
a. S7-1200 CPU 的固件版本不能低于V4.1
b. CM1241通信模塊 V2.1 以上或 CB1241

圖1. 兩個版本 Modbus RTU 指令

（三）常見問題

（1）S7-1200?是否支持 Modbus ASCII 通信模式？ 西門子不提供支持上述通信模式的的現(xiàn)成指令，需要用戶自己用自由口模式編程。 （2）Modbus RTU指令V1和V2兩個版本有什么區(qū)別？ Modbus RTU指令版本 V2 將參數(shù) “REQ” 和 “DONE” 添加到“MB_COMM_LOAD”指令。而且，“MB_MASTER”和“MB_SLAVE ”指令的“MB_ADDR ”參數(shù)現(xiàn)在允許一個 UInt 值以進(jìn)行擴(kuò)展尋址。

（3）同一CPU程序中是否可以同時使用V1和V2兩個不同版本的Modbus RTU指令？ 不能在同一CPU 程序中同時使用V1（V1.x）和V2（V2.y）指令版本。用戶程序的 Modbus 指令必須具有相同的主版本號；主版本組內(nèi)的各個指令可具有不同的次版本號。 （4）S7-1200 通信模塊CM1241是否可作為Modbus RTU主站或作為Modbus RTU從站？ 對S7-1200 通信模塊CM1241組態(tài)并編程調(diào)用“MB_COMM_LOAD”指令，可將其設(shè)置為Modbus RTU通信模式。通過編程調(diào)用“MB_MASTER”指令，S7-1200 通信模塊CM1241可作為Modbus RTU主站，或調(diào)用“MB_SLAVE”指令，S7-1200 通信模塊CM1241可作為Modbus RTU從站。 注意：無論S7-1200 通信模塊CM1241作為Modbus RTU主站還是從站，都需要調(diào)用“MB_COMM_LOAD”指令進(jìn)行編程。 （5）S7-1200?CM1241/CB1241 Modbus RTU 通信是否支持兩位停止位？ 支持。 注意：S7-1200 CM1241/CB1241屬性里可以設(shè)置停止位， 但是該模塊用于 Modbus 通信時，此設(shè)置的停止位無效， 需要在 Modbus_Commload 指令的背景 DB 里 Static 修改 STOP_BITS停止位數(shù)值為 2。如下圖 2-3所示：

圖2. CM1241 配置停止位參數(shù)

Modbus_Commload 指令的背景 DB 里 Static 修改 STOP_BITS停止位數(shù)值為 2（默認(rèn)值=1）

圖3. 修改 Modbus RTU 通信停止位

第二部分：V3版指令功能

（一）Modbus RTU指令概述

博途V13 SP1版本軟件中提供了2個版本的Modbus RTU指令：

圖1. 兩個版本Modbus RTU指令

（1）早期版本的Modbus RTU指令（圖1. 中 MODBUS (V2.2)）僅可通過CM1241通信模塊或CB1241通信板進(jìn)行Modbus RTU通信。
（2）新版本的 Modbus RTU指令（圖1. 中 MODBUS(RTU) V3.0）擴(kuò)展了Modbus RTU的功能，該指令除了支持CM1241通信模塊、CB1241通信板，還支持 PROFINET 或 PROFIBUS 分布式 I/O 機架上的PTP通信模塊實現(xiàn)Modbus RTU通信。 （3）新版本 Modbus RTU指令所支持的PTP模塊如下圖2所示：

圖2. 新版本 Modbus RTU指令所支持的PTP模塊

（二）Modbus RTU指令實例環(huán)境介紹

新版本Modbus RTU指令中包含Modbus RTU 主站指令和從站指令。本文以 CPU1217C+CM1241 RS422/485+ET200SP CM PTP 模塊為例，介紹新版本 Modbus RTU 指令主從通信的編程步驟。其中CPU 機架CM1241 RS422/485作為Modbus RTU從站，分布式機架ET200SP 中 CMPTP 模塊作為Modbus RTU主站。

1、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如下：

圖3. Modubus RTU 網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)圖

2、本項目中使用到的硬件和軟件如下:

（1）硬件：
① CPU1217C (訂貨號：6ES7 217-1AG40-0XB0)，固件版本V4.1.3
② CM1241 RS422/485模塊 (訂貨號：6ES7 241-1CH32-0XB0)，固件版本V2.1
③ 24V 電源PS307（訂貨號：6ES7307-1KA02-0AA0）
④ ET200 SP IM155-6PN HF（訂貨號：6ES7155-6AU00-0CN0）
⑤ CM PTP模塊（訂貨號：6ES7137-6AA00-0BA0）

（2）軟件：
① 博途SP1 UP 9

（三）實例之設(shè)備組態(tài)

1、組態(tài)CM1241 RS422/485模塊

（1）打開設(shè)備視圖，添加S7-1200CPU，并在硬件目錄里找到“通信模塊”→“點到點”→“CM1241(RS422/485)”，拖拽此模塊至CPU左側(cè)即可，如下圖4所示：

圖4. 添加 CM 1241 RS422/485模塊

注意：固件版本>=V2.1?的CM 1241 RS422/485模塊，才支持新版本Modbus RTU指令。

（2）接下來，在“設(shè)備視圖”中用鼠標(biāo)選中CM1241(RS422/485)模塊，在“屬性”→“端口組態(tài)”中配置此模塊硬件接口參數(shù)，本例以傳輸率=9.6Kbps，奇偶校驗=無奇偶校驗，數(shù)據(jù)位=8位字符，停止位=1為例。如CM 1241 端口組態(tài)設(shè)置如下圖5所示：

圖5. CM1241 RS422/485 模塊端口組態(tài)

（3）最后在“硬件標(biāo)識符”里確認(rèn)一下硬件標(biāo)識符為269（該參數(shù)在程序編程中會被使用），如下圖6所示：

圖6 硬件標(biāo)識符

（4）另外，S7-1200 還提供了系統(tǒng)和時鐘存儲器功能，為了便于后續(xù)指令，建議使能該功能。在CPU “屬性”→“常規(guī)”→“系統(tǒng)和時鐘存儲器”使能系統(tǒng)和時鐘存儲器功能，如圖7所示。

圖7. 系統(tǒng)和時鐘存儲器功能

2、組態(tài)ET200 SP CM PtP 模塊

（1）插入一個ET200SP分布式站點，打開網(wǎng)絡(luò)視圖并拖入一個ET200SP站點，并將其分配給相應(yīng)的IO 控制器（本例CPU1217C 為 IO 控制器），如圖8所示：

圖8. 插入ET200SP站點

（2）組態(tài)ET200SP 站點，在ET200SP的"設(shè)備視圖"環(huán)境下，為ET200SP 站點添加信號、通信模塊和服務(wù)器模塊，在本例中只添加了CM PTP模塊和服務(wù)器模塊。在ET200SP"設(shè)備視圖"中用鼠標(biāo)選中CM PTP，在“屬性”→“常規(guī)”→“接口”→“操作模式”中配置此模塊硬件接口參數(shù)，本例設(shè)定“指定工作模式"："半雙工（RS485）2線制操作"；"接收線路的初始狀態(tài)"："無"。如下圖9所示：

圖9. CM PTP 操作模式

注意：ET200SP站點中，服務(wù)器模塊是必須組態(tài)的。服務(wù)器模塊隨接口模塊一起采購，無需單獨購買。ET200SP接口模塊需要為其分配IP地址和Device Name， 有關(guān)ET200 SP 分布式IO 組態(tài)詳細(xì)步驟，請參考《ET200 SP 使用快速入門》，本例不再描述Profinet IO通信的相關(guān)設(shè)置與步驟?！禘T200 SP 使用快速入門》下載鏈接：

https://support.industry.siemens.com/cs/cn/zh/view/78304711

（3）接下來，在“屬性”→“常規(guī)”→“接口”→“端口組態(tài)”中配置此模塊端口組態(tài)參數(shù)，本例設(shè)定"協(xié)議"："Freeport/Modbus"；"端口參數(shù)"設(shè)置：傳輸率=9.6Kbps，奇偶校驗=無奇偶校驗，數(shù)據(jù)位=8位字符，停止位=1為例。端口組態(tài)設(shè)置如下圖10所示：

圖10. CM PTP 端口組態(tài)

（4）最后需要在“硬件標(biāo)識符”里確認(rèn)一下CM PTP 模塊硬件標(biāo)識符，該參數(shù)在程序編程中會被使用。

（四）實例之軟件編程

1、Modbus RTU 主站編程

Modbus RTU主站編程需要調(diào)用Modbus_Comm_Load 指令和Modbus_Master 指令，其中Modbus_Comm_Load 指令通過 Modbus RTU 協(xié)議對通信模塊進(jìn)行組態(tài)，Modbus_Master 指令可通過由 Modbus_Comm_Load 指令組態(tài)的端口作為 Modbus 主站進(jìn)行通信， Modbus_Comm_Load 指令的 MB_DB 參數(shù)必須連接到 Modbus_Master 指令的（靜態(tài)）MB_DB 參數(shù)。本例中分布式機架ET200SP 中 CM PTP 模塊作為Modbus RTU主站，其相關(guān)編程步驟如下：

（1）OB1 中插入一個FC函數(shù)，并在函數(shù)中拖入Modbus_Comm_Load 指令和Modbus_Master 指令。如圖11所示：

圖11. 拖入Modbus RTU 主站指令

Modbus_Comm_Load指令各參數(shù)意義如下表1所示：

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表1 MB_COMM_LOAD指令參數(shù)意義

Modbus_Master指令各參數(shù)意義如下表2所示：

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表2 Modbus_Master指令參數(shù)意義

注意：
①Modbus_Comm_Load指令不建議在啟動組織塊OB100中調(diào)用，建議在OB1中調(diào)用。Modbus_Comm_Load指令在OB1中調(diào)用時，其輸入位“REQ”需使用上升沿觸發(fā)，本例中該輸入位采用 “FirstScan” 系統(tǒng)存儲器位。
②Modbus_Comm_Load指令背景數(shù)據(jù)塊中的靜態(tài)變量“MODE”用于描述PTP模塊的工作模式，有效的工作模式包括：

0 = 全雙工 (RS232)

1 = 全雙工 (RS422) 四線制模式（點對點）

2 = 全全雙工 (RS 422) 四線制模式（多點主站，CM PtP (ET?200SP)）

3 = 全全雙工 (RS 422) 四線制模式（多點從站，CM PtP (ET?200SP)）

4 = 半雙工 (RS485) 二線制模式

該靜態(tài)變量“MODE”默認(rèn)數(shù)據(jù)為0（RS232 全雙工模式），需要根據(jù)CM PTP模塊實際組態(tài)修改該數(shù)值，本例中CM PTP模塊工作在RS485半雙工模式需要將該數(shù)值修改為4，如圖12所示：

圖12. Modbus_Comm_Load背景數(shù)據(jù)塊靜態(tài)變量“MODE”修改為

③Modbus_Master指令的“DATA_PTR”參數(shù)用于指向要進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入或數(shù)據(jù)讀取的數(shù)據(jù)區(qū)域地址，該數(shù)據(jù)區(qū)域支持優(yōu)化訪問的數(shù)據(jù)塊或者非優(yōu)化（標(biāo)準(zhǔn)的）數(shù)據(jù)塊，建議采用非優(yōu)化訪問的數(shù)據(jù)塊。
本例中使用的數(shù)據(jù)區(qū)為非優(yōu)化訪問的數(shù)據(jù)塊，在數(shù)據(jù)塊的屬性中取消“優(yōu)化的塊訪問”即可將數(shù)據(jù)塊修改為非優(yōu)化訪問的數(shù)據(jù)塊（鼠標(biāo)右鍵數(shù)據(jù)塊，選擇“屬性”，取消“優(yōu)化的塊訪問”），如圖13所示：

圖13. 設(shè)置數(shù)據(jù)塊為非優(yōu)化訪問

當(dāng)Modbus_Master指令的“DATA_PTR”指向非優(yōu)化訪問的數(shù)據(jù)塊時，該輸入?yún)?shù)需要使用指針方式填寫如P#DB3.DBX0.0 WORD 5 方式填寫。
④當(dāng)Modbus RTU網(wǎng)絡(luò)中存在多個modbus RTU從站或一個modbus RTU從站同時需要讀操作和寫操作，則需要調(diào)用多個Modbus_Master指令，Modbus_Master指令之間需要采用輪詢方式調(diào)用。
下圖14. 用于描述兩個Modbus_Master指令輪詢調(diào)用的方式。

圖14.Modbus_Master輪詢調(diào)用方式

（2）插入"Pull or plug of modules" 中斷OB83

本例中Modbus RTU主站模塊安裝在分布式IO站點上，因此程序中需要考慮分布式IO站點故障、CM PTP 模塊插拔模塊等故障。分布式IO站點中插出、拔入模塊時，操作系統(tǒng)都會調(diào)用一次OB83。通過OB83接口區(qū)的輸入變量“16#Event_Class”判斷故障的模塊和類型：事件類型16#39表示模塊被拔出，事件類型16#38表示模塊被插入。CM PTP 模塊被重新插入的時候，需要在中斷OB83中調(diào)用Modbus_Comm_Load 指令對通信模塊進(jìn)行重新組態(tài)，如圖15所示。

圖15. OB83中再次調(diào)用Modbus_Comm_Load 指令

注意：
①OB83 中調(diào)用Modbus_Comm_Load指令的背景數(shù)據(jù)塊需要與OB1中調(diào)用的Modbus_Comm_Load指令的背景數(shù)據(jù)塊相同。
②CM PTP模塊的硬件標(biāo)識符也可以在"PLC變量"--->"系統(tǒng)常數(shù)"中查詢，如圖16所示：

圖16. 系統(tǒng)常量

（3）插入"Rack or Station failure" 中斷OB86

分布式IO站點故障和恢復(fù)時，操作系統(tǒng)都會調(diào)用一次OB86。通過OB86接口區(qū)的輸入變量“16#Event_Class”判斷故障的模塊和類型：事件類型16#39表示站點故障，事件類型16#38表示站點恢復(fù)。CM PTP 模塊所在的IO站點恢復(fù)時，需要在中斷OB86中調(diào)用Modbus_Comm_Load 指令對通信模塊進(jìn)行重新組態(tài)，如圖17所示：

圖17. OB86中調(diào)用Modbus_Comm_Load 指令

注意：
①OB86 中調(diào)用Modbus_Comm_Load指令的背景數(shù)據(jù)塊需要與OB1中調(diào)用的Modbus_Comm_Load指令的背景數(shù)據(jù)塊相同。
②分布式IO 站點的硬件標(biāo)識符也可以在"PLC變量"--->"系統(tǒng)常數(shù)"中查詢。

2、Modbus RTU 從站編程

Modbus RTU從站編程需要調(diào)用Modbus_Comm_Load 指令和Modbus_Slave 指令，其中Modbus_Comm_Load 指令通過 Modbus RTU 協(xié)議對通信模塊進(jìn)行組態(tài)，Modbus_Slave 指令可通過由 Modbus_Comm_Load 指令組態(tài)的端口作為 Modbus 從站進(jìn)行通信， Modbus_Comm_Load 指令的 MB_DB 參數(shù)必須連接到 Modbus_Slaver 指令的（靜態(tài)）MB_DB 參數(shù)。本例中CPU 機架CM1241 RS422/485作為Modbus RTU從站，其相關(guān)編程步驟如下：

（1）OB1 中插入一個FC函數(shù)，并在函數(shù)中拖入Modbus_Comm_Load 指令和Modbus_Slave 指令。如圖18所示：

圖18. 拖入Modbus RTU 從站指令

Modbus_Slave指令各參數(shù)意義如下表3所示：

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表3 Modbus_Slave指令參數(shù)意義

注意：
①Modbus_Comm_Load指令不建議在啟動組織塊OB100中調(diào)用，建議在OB1中調(diào)用。Modbus_Comm_Load指令在OB1中調(diào)用時，其輸入位“REQ”需使用上升沿觸發(fā)，本例中該輸入位采用 “FirstScan” 系統(tǒng)存儲器位。
②Modbus_Comm_Load指令背景數(shù)據(jù)塊中的靜態(tài)變量“MODE”用于描述PTP模塊的工作模式，有效的工作模式包括：

0 = 全雙工 (RS232)

1 = 全雙工 (RS422) 四線制模式（點對點）

2 = 全全雙工 (RS 422) 四線制模式（多點主站，CM PtP (ET?200SP)）

3 = 全全雙工 (RS 422) 四線制模式（多點從站，CM PtP (ET?200SP)）

4 = 半雙工 (RS485) 二線制模式

該靜態(tài)變量“MODE”默認(rèn)數(shù)據(jù)為0（RS232 全雙工模式），需要根據(jù)CM1241 RS422/485模塊實際組態(tài)修改該數(shù)值，本例中CM1241 RS422/485模塊工作在RS485半雙工模式需要將該數(shù)值修改為4，如何修改“MODE”靜態(tài)變量見圖12所示。 ③Modbus_Slave指令的“MB_HOLD_REG”用于指向Modbus 保持寄存器的數(shù)據(jù)區(qū)域地址，該數(shù)據(jù)區(qū)域支持優(yōu)化訪問的數(shù)據(jù)塊或者非優(yōu)化（標(biāo)準(zhǔn)的）數(shù)據(jù)塊，建議采用非優(yōu)化訪問的數(shù)據(jù)塊。本例中使用的數(shù)據(jù)區(qū)為非優(yōu)化訪問的數(shù)據(jù)塊，固該輸入?yún)?shù)需要使用指針方式填寫如P#DB6.DBX0.0 WORD 100 方式填寫。如何在數(shù)據(jù)塊的屬性中取消“優(yōu)化的塊訪問”，見圖13所示。將程序下載到PLC中，并使用Profibus DP通信電纜將CM1241 RS422/485與CM PTP串口模塊連接起來，即可測試Modbus RTU通信了。

（五）常見問題

1. 新版本 Modbus RTU指令的使用是否存在些限制條件?
新版本 Modbus RTU指令通過CM1241通信模塊或CB1241通信板進(jìn)行Modbus RTU通信時，需要滿足如下條件：

a. S7-1200 CPU 的固件版本不能低于V4.1；
b. CM1241通信模塊或CB1241通信板的固件不能低于V2.1。

S7-1200 V4.0 固件CPU可以通過固件更新到V4.1版本，V2.0固件的CM1241通信模塊也可以通過固件更新的方式更新到V2.1版本。相關(guān)固件更新的方法請參考 S7-1200 固件更新 。 2 .Modbus_Comm_Load指令背景數(shù)據(jù)塊中的靜態(tài)變量“MODE”的作用是什么?為什么一般項目中，都需要對該變量進(jìn)行修改？
新版本的 Modbus RTU指令擴(kuò)展了Modbus RTU的功能，該指令除了支持CM1241通信模塊、CB1241通信板還支持 PROFINET 或 PROFIBUS 分布式 I/O 機架上的PTP通信模塊實現(xiàn)Modbus RTU通信。而分布式 I/O 機架上的PTP通信模塊可以支持多種工作模式，以ET200SP CM PtP模塊（訂貨號：6ES7137-6AA00-0BA0）為例，其可以支持RS232、RS485以及RS422等多種工作模式。Modbus_Comm_Load指令背景數(shù)據(jù)塊中的靜態(tài)變量“MODE”則用于定義PTP模塊的工作模式?！癕ODE”的默認(rèn)數(shù)值為0，代表“全雙工 (RS232)”工作模式，實際項目組態(tài)中則需要根據(jù)實際工作模式對該變量進(jìn)行修改。 3. Modbus_Comm_Load指令能否在啟動組織塊OB100中調(diào)用?
Modbus_Comm_Load指令不建議在啟動組織塊OB100中調(diào)用。新版本的Modbus RTU指令擴(kuò)展了Modbus RTU的功能，該指令支持 PROFINET 或 PROFIBUS 分布式 I/O 機架上的PtP通信模塊實現(xiàn)Modbus RTU通信。操作系統(tǒng)需要調(diào)用讀取數(shù)據(jù)記錄和寫入數(shù)據(jù)記錄等指令來實現(xiàn)與分布式I/O機架上PtP模塊的Modbus RTU通信。讀取數(shù)據(jù)記錄和寫入數(shù)據(jù)記錄指令為異步讀寫指令，指令的執(zhí)行需要N個掃描周期，所以不建議Modbus_Comm_Load指令在啟動組織塊OB100中調(diào)用。 4. 如何查詢Modbus RTU通信錯誤時的錯誤代碼?
以Modbus_Master指令為例，當(dāng)通信出現(xiàn)錯誤時，Modbus_Master指令的“ERROR”輸出位將變?yōu)?TRUE 但是只保持一個掃描周期，所以通過TIA 軟件程序監(jiān)控時無法查詢到錯誤。Modbus_Master指令“STATUS” 參數(shù)中的錯誤代碼僅在“ERROR” = TRUE 的掃描周期內(nèi)有效，為了獲取了Modbus RTU通信錯誤的錯誤代碼我們可以采用下圖19. 方式編程。

圖19. 獲取STATUS

審核編輯：黃飛

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