西門子S7-200
Modbus-RTU
通
信
例
子
【】絕密
【】NDA
【X】公開
一、 組網(wǎng)概述
本文以 ZKA-4488-RS485 為例介紹西門子PLC與深圳市綜科智控科技開發(fā)有限公司的IO設(shè)備進行Modbus通訊的步驟設(shè)置。ZKA-4488-RS485 是 8 路數(shù)字量輸入（DI），8 路數(shù)字量輸出（DO），4路模擬量輸入（AI，0/4-20mA），4 路模擬量輸出設(shè)備（AO，0/4-20mA），485 通信總線。
以 ZKA-4488-RS485 出廠默認通訊參數(shù)如下：
站號：01
波特率：115200
數(shù)據(jù)格式：8，N，1
二、 S7-200 Modbus RTU通信
1 S7-200 Modbus RTU 通信簡介
Modbus 是公開通信協(xié)議，詳細的協(xié)議和規(guī)范，請訪問Modbus 組織的網(wǎng)站：
http://www.modbus.org/在S7-200 CPU 通信口上實現(xiàn)的是RS485 半雙工通信，使用的是S7-200 的自由口功能。
通過S7-200 CPU 通信口的自由口模式實現(xiàn)Modbus 通信協(xié)議，可以通過無線數(shù)據(jù)電臺等慢速通信設(shè)備傳輸。 這為組成S7-200 之間的簡單無線通信網(wǎng)絡(luò)提供了便利。
詳細情況請參考《S7-200系統(tǒng)手冊》（2002 年 10 月或以后版本）的相應(yīng)章節(jié)。
2 Modbus RTU 主站指令庫
西門子在Micro/WIN V4.0 SP5 中正式推出Modbus RTU 主站協(xié)議庫（西門子標(biāo)準(zhǔn)庫指令）。
圖 1. 西門子標(biāo)準(zhǔn)指令庫（Micro/WINV4.0 SP5）
注意
1. Modbus RTU 主站指令庫的功能是通過在用戶程序中調(diào)用預(yù)先編好的程序功能塊實現(xiàn)的，該庫對 Port 0 和 Port 1 有效。該指令庫將設(shè)置通信口工作在自由口模式下。
2. Modbus RTU 主站指令庫使用了一些用戶中斷功能，編其他程序時不能在用戶程序中禁止中斷。
3. Modbus RTU 主站庫對CPU的版本有要求。CPU 的版本必須為 2.00 或者 2.01（即訂貨號為 6ES721*－***23-0BA*），1.22版本之前（包括1.22版本）的 S7-200 CPU 不支持。
使用 ModbusRTU 主站指令庫，可以讀寫Modbus RTU 從站的數(shù)字量、模擬量I/O 以及保持寄存器。
要使用 ModbusRTU 主站指令庫，須遵循下列步驟：
· 1.安裝西門子標(biāo)準(zhǔn)指令庫
· 2.按照要求編寫用戶程序調(diào)用Modubs RTU 主站指令庫
安裝西門子標(biāo)準(zhǔn)指令庫3ModbusRTU 主站功能編程
1.調(diào)用 Modbus RTU 主站初始化和控制子程序
使用 SM0.0 調(diào)用MBUS_CTRL 完成主站的初始化，并啟動其功能控制：
圖 2. 用 SM0.0 調(diào)用 ModbusRTU 主站初始化與控制子程序
各參數(shù)意義如下:
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，使能 Modbus 協(xié)議功能；為 0 時恢復(fù)為系統(tǒng) 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：
校驗方式選擇
0＝無校驗
1＝奇較驗
2＝偶較驗
e.
Timeout
超時：
主站等待從站響應(yīng)的時間，以毫秒為單位，典型的設(shè)置值為 1000 毫秒（1 秒），允許設(shè)置的范圍為 1 - 32767。
注意： 這個值必須設(shè)置足夠大以保證從站有時間響應(yīng)。
f.
Done
完成位：
初始化完成，此位會自動置1?？梢杂迷撐粏?MBUS_MSG 讀寫操作（見例程）
g.
Error
初始化錯誤代碼（只有在 Done 位為1時有效）：
0＝ 無錯誤
1＝ 校驗選擇非法
2＝ 波特率選擇非法
3＝ 模式選擇非法
2.調(diào)用 Modbus RTU 主站讀寫子程序MBUS_MSG，發(fā)送一個Modbus 請求；
圖 3. 調(diào)用Modbus RTU 主站讀寫子程序
各參數(shù)意義如下:
a.
EN
使能：
同一時刻只能有一個讀寫功能（即 MBUS_MSG）使能
注意：建議每一個讀寫功能（即 MBUS_MSG）都用上一個 MBUS_MSG 指令的 Done 完成位來激活，以保證所有讀寫指令循環(huán)進行（見例程）。
b.
First
讀寫請求位：
每一個新的讀寫請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
從站地址：
0 ＝ 讀， 1 ＝ 寫
注意：
1. 開關(guān)量輸出和保持寄存器支持讀和寫功能
2. 開關(guān)量輸入和模擬量輸入只支持讀功能
e.
Addr
讀寫從站的數(shù)據(jù)地址：
選擇讀寫的數(shù)據(jù)類型
00001 至 0xxxx - 開關(guān)量輸出
10001 至 1xxxx - 開關(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)個數(shù)
通訊的數(shù)據(jù)個數(shù)（位或字的個數(shù)）
注意： Modbus主站可讀/寫的最大數(shù)據(jù)量為120個字（是指每一個 MBUS_MSG 指令）
g.
DataPtr
數(shù)據(jù)指針：
1. 如果是讀指令，讀回的數(shù)據(jù)放到這個數(shù)據(jù)區(qū)中
2. 如果是寫指令，要寫出的數(shù)據(jù)放到這個數(shù)據(jù)區(qū)中
h.
Done
完成位
讀寫功能完成位
i.
Error
錯誤代碼：
只有在 Done 位為1時，錯誤代碼才有效
0 ＝ 無錯誤
1 ＝ 響應(yīng)校驗錯誤
2 ＝ 未用
3 ＝ 接收超時（從站無響應(yīng)）
4 ＝ 請求參數(shù)錯誤（slave address, Modbus address, count, RW）
5 ＝ Modbus/自由口未使能
6 ＝ Modbus正在忙于其它請求
7 ＝ 響應(yīng)錯誤（響應(yīng)不是請求的操作）
8 ＝ 響應(yīng)CRC校驗和錯誤
-
101 ＝ 從站不支持請求的功能
102 ＝ 從站不支持數(shù)據(jù)地址
103 ＝ 從站不支持此種數(shù)據(jù)類型
104 ＝ 從站設(shè)備故障
105 ＝ 從站接受了信息，但是響應(yīng)被延遲
106 ＝ 從站忙，拒絕了該信息
107 ＝ 從站拒絕了信息
108 ＝ 從站存儲器奇偶錯誤
常見的錯誤：
· 如果多個MBUS_MSG 指令同時使能會造成6 號錯誤
· 庫存儲區(qū)被程序其它地方復(fù)用，有時也會造成6號錯誤
· 從站delay 參數(shù)設(shè)的時間過長會造成主站3 號錯誤
· 從站掉電或不運行，網(wǎng)絡(luò)故障都會造成主站3 號錯誤
3.在 CPU 的V 數(shù)據(jù)區(qū)中為庫指令分配存儲區(qū)（Library Memory）
ModbusMaster 指令庫需要一個284個字節(jié)的全局 V 存儲區(qū)。
參考：
分配庫指令數(shù)據(jù)區(qū)4關(guān)于 Modbus RTU 主站協(xié)議及地址
此為西門子正式推出的標(biāo)準(zhǔn)庫指令說明資料。
在Modbus RTU Master 協(xié)議和 PPI 協(xié)議之間切換：
ModbusRTU Master 協(xié)議指令庫使通信口工作在自由口模式下，此時不能與Micro/WIN 軟件通信。要在切換回PPI 協(xié)議，可以：
· 將MBUS_CTRL 指令的Mode 輸入端設(shè)置為邏輯"0"
· 將CPU 的允許模式選擇開關(guān)置為STOP 位置
Modbus RTU Master 協(xié)議庫的執(zhí)行時間：
ModbusRTU Master 協(xié)議庫的MBUS_CTRL 指令不需要很長的執(zhí)行時間。MBUS_需要 1.11 ms用于初始化，在后續(xù)的每個掃描周期中只占用0.41 ms。
調(diào)用 MBUS_MSG 子程序會加長處理時間。大部分時間都用于 CRC 校驗的計算。每讀、寫一個字的數(shù)據(jù)就需要1.85 ms 掃描時間。數(shù)據(jù)最多的情況下（讀、寫120 字的數(shù)據(jù)），掃描時間大概會擴增加222 ms。讀操作的時間主要消耗在接收數(shù)據(jù)上；寫操作的時間主要消耗在發(fā)送數(shù)據(jù)上。
Modbus 地址
通常 Modbus 地址由 5 位數(shù)字組成，包括起始的數(shù)據(jù)類型代號，以及后面的偏移地址。ModbusMaster 協(xié)議庫把標(biāo)準(zhǔn)的Modbus 地址映射為所謂Modbus 功能號，讀寫從站的數(shù)據(jù)。ModbusMaster 協(xié)議庫支持如下地址：
· 00001 - 09999：數(shù)字量輸出（ 線圈）
· 10001 - 19999：數(shù)字量輸入（觸點）
· 30001 - 39999：輸入數(shù)據(jù)寄存器（通常為模擬量輸入）
· 40001 - 49999：數(shù)據(jù)保持寄存器
Modbus Master 協(xié)議庫支持的功能
為了支持上述 Modbus 地址的讀寫，ModbusMaster 協(xié)議庫需要從站支持下列功能：
表 1. 需要從站支持的功能
Modbus 地址
讀/寫
Modbus 從站須支持的功能
00001 - 09999
數(shù)字量輸出
讀
功能 1
寫
功能 5：寫單輸出點
功能 15：寫多輸出點
10001 - 19999
數(shù)字量輸入
讀
功能 2
寫
－
30001 - 39999
輸入寄存器
讀
功能 4
寫
－
40001 - 49999
保持寄存器
讀
功能 3
寫
功能 6：寫單寄存器單元
功能 16：寫多寄存器單元
Modbus 地址和 S7-200 存儲區(qū)地址的映射
S7-200 通過 ModbusMaster 和Slave 協(xié)議庫通信時，Modbus地址和S7-200 內(nèi)存儲區(qū)地址的映射關(guān)系都類似。
Modbus 保持寄存器地址映射舉例：
Modbus 數(shù)字量地址映射舉例：
位地址（0xxxx 和 1xxxx）數(shù)據(jù)總是以字節(jié)為單位打包讀寫。第一個字節(jié)中的最低有效位對應(yīng) Modbus 地址的起始地址。如下圖所示：
圖 4. 數(shù)字量地址映射舉例
5 Modbus RTU 主站常問問題
Modbus RTU 主站庫對 CPU 的版本是否有要求，為什么編譯例子程序時，會遇到 4 個錯誤？
ModbusRTU 主站庫對CPU 的版本確實有要求，CPU的版本必須為2.00 或者2.01(即訂貨號為6ES721*－***23-0BA*)，1.22 版本之前（包括1.22 版本）的S7-200 CPU 不支持。
Modbus 指令庫啟動后，如何通過同一個通信端口進行 CPU 監(jiān)控？
Modbus 指令庫使用的是CPU 的自由口通信功能，工作在自由口模式下的通訊口不能使用Micro/WIN 的PPI 編程通信監(jiān)控。如果通信口都已經(jīng)被占用，可以考慮：
· 加一個通信模塊（如EM 277、CP243-1、EM241 等）擴展出一個編程通信口
· 中止自由口模式，可以將CPU 上的模式開關(guān)從RUN 撥到STOP；或者保持處于RUN 狀態(tài)，用程序停止指令庫的Modbus 模式（參見指令庫應(yīng)用）
如何理解 Modbus 地址與功能碼的區(qū)別？
Modbus 地址與 Modbus 的功能碼是兩個層次的概念。
根據(jù) Modbus 通信協(xié)議，Modbus 數(shù)據(jù)的地址使用 0xxxx、1xxxx、3xxxx 和 4xxxx 的形式，分別表示數(shù)字量輸出、數(shù)字量輸入、模擬量輸入等數(shù)據(jù)地址。在使用S7-200 的指令庫時，Modbus數(shù)據(jù)地址與S7-200 的I/O 和數(shù)據(jù)存儲區(qū)地址間有特定的對應(yīng)關(guān)系。
有些設(shè)備表明它支持 Modbus RTU 通信協(xié)議，但也詳細提供了讀寫數(shù)據(jù)的詳細通信幀格式，其中包括如何指定Modbus 站的地址，需要讀寫數(shù)據(jù)類型、長度等等。數(shù)據(jù)幀有特定字節(jié)指出此指令讀寫的數(shù)據(jù)類型和地址，此字節(jié)的數(shù)據(jù)內(nèi)容即所謂"功能碼"，如功能 1 指定讀取單個/多個數(shù)字量輸出點的值。
支持 Modbus 協(xié)議的設(shè)備或軟件，使用時用戶直接設(shè)置或看到的應(yīng)當(dāng)是 Modbus 數(shù)據(jù)地址。Modbus 地址所訪問的數(shù)據(jù)，是通過各種"功能"讀寫而來。功能碼是 Modbus 地址的底層。如果 Modbus 通信的一方提供的所謂 Modbus 協(xié)議只有功能碼，則需要注意了解此功能號與Modbus 地址間的對應(yīng)關(guān)系。
如何訪問大于 9999 的保持寄存器地址？
通常 Modbus 協(xié)議的保持寄存器地址范圍在 40001 - 49999 之間。對于多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)夠了。但有些Modbus 從站把地址映射到保持寄存器區(qū)的地址超過9999 的部分。
ModbusMaster 協(xié)議庫支持超過9999 的保持寄存器地址。地址范圍為400001 - 465536。只需在調(diào)用MBUS_MSG 子程序時給Addr 參數(shù)賦相應(yīng)的值即可，如416768。
ModubsMaster 擴展地址模式僅支持保持寄存器區(qū)，不支持其他地址類型。
S7-200 作為 Modbus 主站方接收上來的數(shù)據(jù)格式與第三方設(shè)備不一樣怎么辦？
西門子PLC數(shù)據(jù)的存儲格式為高位低存方式。舉例：VD200中包含VW200和VW202，其中VW202是低字，VW200是高字。若第三方設(shè)備與西門子數(shù)據(jù)存儲格式不同，是低位低存的方式，那么通信上來的數(shù)據(jù)就會存在錯誤，需要進行轉(zhuǎn)換才能使用。編程的方式比較多樣，針對雙字中高低字的交換可以使用SWAP(字交換）指令，若是字節(jié)交換可以考慮循環(huán)移位指令。
S7-200 是否支持如 Modbus TCP 等其它協(xié)議？
不支持。S7-200自身的通信端口或其通信擴展模塊均不支持Modbus TCP、CANopen、DeviceNet以及BACnet 通信協(xié)議。
為什么 S7-200 作 Modbus 主站時 MBUS_MSG 指令報6號錯誤？
引起6號錯誤主要有兩方面的原因：1.多個MBUS_MSG 指令同時使能執(zhí)行；2.Modbus庫存儲區(qū)中分配的建議地址區(qū)與編程中已使用的V存儲區(qū)有重疊。
