CPU 上的通信口(Port0)支持 Modbus RTU 从站通信协议

2020-12-02
  • 基本步骤:
  • Modbus RTU 从站地址与S7-200的地址对应
  • Modbus RTU 从站指令库支持的 Modbus 功能码
  • 常问问题
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CPU 上的通信口(Port0)支持 Modbus RTU 从站通信协议

S7-200 CPU上的通信口Port0可以支持Modbus RTU协议,成为Modbus RTU从站。此功能是通过S7-200的自由口通信模式实现,因此可以通过无线数据电台等慢速通信设备传输。

详情请参考《S7-200系统手册》之相关章节。

要实现Modbus RTU通信,需要STEP 7-Micro/WIN32 V3.2以上版本的编程软件,而且须安装STEP 7-Micro/WIN32 V3.2 Instruction Library(指令库)。Modbus RTU功能是通过指令库中预先编好的程序功能块实现的。

Modbus RTU从站指令库只支持CPU上的通信0口(Port0)

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参考:Modbus RTU 主站指令库

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基本步骤:

  1. 检查Micro/WIN的软件版本,应当是STEP 7-Micro/WIN V3.2以上版本。
  2. 检查Micro/WIN的指令树中是否存在Modbus RTU从站指令库(图1),库中应当包括MBUS_INIT和MBUS_SLAVE两个子程序。如果没有,须安装Micro/WIN32 V3.2的Instruction Library(指令库)软件包;

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图1. 指令树中的库指令

编程时使用SM0.1调用子程序MBUS_INIT进行初始化,使用SM0.0调用MBUS_SLAVE,并指定相应参数。关于参数的详细说明,可在子程序的局部变量表中找到;

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调用Modbus RTU通信指令库

图中参数意义如下:

  1. 模式选择:启动/停止Modbus,1=启动;0=停止
  2. 从站地址:Modbus从站地址,取值1~247
  3. 波特率:可选1200,2400,4800,9600,19200,38400,57600,115200
  4. 奇偶校验:0=无校验;1=奇校验;2=偶校验
  5. 延时:附加字符间延时,缺省值为0
  6. 大I/Q位:参与通信的大I/O点数,S7-200的I/O映像区为128/128,缺省值为128
  7. 大AI字数:参与通信的大AI通道数,可为16或32
  8. 大保持寄存器区:参与通信的V存储区字(VW)
  9. 保持寄存器区起始地址:以;VBx指定(间接寻址方式)
  10. 初始化完成标志:成功初始化后置1
  11. 初始化错误代码
  12. Modbus执行:通信中时置1,无 Modbus 通信活动时为 0。
  13. 错误代码:0=无错误
    表1.0 从站错误代码

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  1. 在CPU的V数据区中分配库指令数据区(Library Memory);
  2. 如有必要,使用主站软件测试。

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注意:由子程序参数HoldStart和MaxHold指定的保持寄存器区,是在S7-200 CPU的V数据存储区中分配,此数据区不能和库指令数据区有任何重叠,否则在运行时会产生错误,不能正常通信。注意Modbus 中的保持寄存器区按“字”寻址,即MaxHold规定的是VW而不是VB的个数。

在图2的例子中,规定了 Modbus 保持寄存器区从 VB0 开始(HoldStart = VB0),并且保持寄存器为1000个字(MaxHold=1000),因保持寄存器以字(两个字节)为单位,实际上这个通信缓冲区占用了VB0~VB1999共2000个字节。因此分配库指令保留数据区时至少要从VB2000开始。当然保持区不一定要从VB0开始。

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注意:你选用的CPU的V存储区大小!CPU型号不同V数据存储区大小不同。应根据需要选择Modbus保持寄存器区域的大小。

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包含 Modbus RTU 从站指令库的项目编译、下载到CPU中后,在编程计算机(PG/PC)上运行一些 Modbus 测试软件可以检验S7-200的Modbus RTU通信是否正常,这对查找故障点很有用。测试软件通过计算机串口(RS-232)和PC/PPI电缆连接CPU。如果必要,须将PC/PPI电缆设置在自由口通信方式。

可到一些软件下载网站寻找类似软件,如 ModScan32 等。

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一个 Modbus RTU 通信从站例程

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Modbus RTU 从站地址与S7-200的地址对应

Modbus地址总是以00001、30004之类的形式出现。S7-200内部的数据存储区与Modbus的0、1、3、4共4类地址的对应关系如下:

表1. Modbus地址对应表

Modbus地址 S7-200数据区
00001 ~ 00128 Q0.0 ~ Q15.7
10001 ~ 10128 I0.0 ~ I15.7
30001 ~ 30032 AIW0 ~ AIW62
40001 ~ 4xxxx T ~ T 2 * (xxxx -1)

其中T为S7-200中的缓冲区起始地址,即 HoldStart。

如果已知S7-200中的V存储区地址,推算Modbus地址的公式如下:

Modbus地址 = 40000 (T/2 1) ; T为偶数

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Modbus RTU 从站指令库支持的 Modbus 功能码

Modbus RTU 从站指令库支持特定的 Modbus 功能。访问使用此指令库的主站必须遵循这个指令库的要求。

表 2. Modbus RTU 从站功能码

功能码 主站使用相应功能码作用于此从站的效用
1 读取单个/多个线圈(离散量输出点)状态。 功能 1 返回任意个数输出点(Q)的 ON/OFF 状态。
2 读取单个/多个触点(离散量输入点)状态。 功能 2 返回任意个数输入点(I)的 ON/OFF 状态。
3 读取单个/多个保持寄存器。功能 3 返回 V 存储区的内容。在 Modbus 协议下保持寄存器都是“字”值,在一次请求中可以读取多 120 个字的数据。
4 读取单个/多个输入寄存器。功能 4 返回 S7-200 的模拟量数据值。
5 写单个线圈(离散量输出点)。功能 5 用于将离散量输出点设置为指定的值。这个点不是被强制的,用户程序可以覆盖 Modbus 通信请求写入的值。
6 写单个保持寄存器。功能 6 写一个值到 S7-200 的 V 存储区的保持寄存器中。
15 写多个线圈(离散量输出点)。功能 15 把多个离散量输出点的值写到 S7-200 的输出映像寄存器(Q 区)。输出点的地址必须以字节边界起始(如 Q0.0 或 Q2.0),并且输出点的数目必须是 8 的整数倍。这是此 Modbus RTU 从站指令库的限制。些点不是被强制的,用户程序可以覆盖 Modbus 通信请求写入的值。
16 些多个保持寄存器。功能 16 写多个值到 S7-200 的 V 存储区的保持寄存器中。在一次请求中可以写多 120 个字的数据。

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常问问题

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Modbus 从站的网络地址与 S7-200 的 CPU 网络地址有什么关系?

没有关系。支持网络通信的通信协议必须有其自己的网络寻址规定。 Modbus 从站的地址只是它在 Modbus 网络上的地址,而通常所说的 S7-200 CPU 地址是 CPU 在西门子的 PPI 网络上的站地址。S7-200 CPU 的大部分通信功能都通过 PPI 网络完成,例如编程、网络读写通信等。

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如何理解 Modbus 地址与功能码的区别?

Modbus 地址与 Modbus 的功能码是两个层次的概念。

根据 Modbus 通信协议,Modbus 数据的地址使用 00xxx、10xxx、30xxx 和 40xxx 的形式,分别表示数字量输出、数字量输入、模拟量输入等数据地址。在使用 S7-200 的指令库时,Modbus 数据地址与 S7-200 的 I/O 和数据存储区地址间有特定的对应关系。

有些设备表明它支持 Modbus RTU 通信协议,但也详细提供了读写数据的详细通信帧格式,其中包括如何指定 Modbus 站的地址,需要读写数据类型、长度等等。数据帧有特定字节指出此指令读写的数据类型和地址,此字节的数据内容即所谓“功能码”,如功能 1 指定读取单个/多个数字量输出点的值。

支持 Modbus 协议的设备或软件,使用时用户直接设置或看到的应当是 Modbus 数据地址。Modbus 地址所访问的数据,是通过各种“功能”读写而来。功能码是 Modbus 地址的底层。如果 Modbus 通信的一方提供的所谓 Modbus 协议只有功能码,则需要注意了解此功能号与 Modbus 地址间的对应关系。

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Modbus 指令库启动后,如何通过同一个通信端口进行 CPU 监控?

Modbus 指令库使用的是 CPU 的自由口通信功能,工作在自由口模式下的通讯口不能使用 Micro/WIN 的 PPI 编程通信监控。如果通信口都已经被占用,可以考虑:

  • 加一个通信模块(如 EM 277、CP 243-1、EM 241 等)扩展出一个编程通信口
  • 中止自由口模式,可以将 CPU 上的模式开关从 RUN 拨到 STOP;或者保持处于 RUN 状态,用程序停止指令库的 Modbus 模式(参见指令库应用)

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为何有些 HMI 软件使用 Modbus RTU 读取S7-200中的实数会出现错误?

有些HMI软件使用Modbus RTU通信协议时,处理存储在数据保持寄存器中的实数(浮点数)的方式与西门子的实数保存格式不同。西门子的PLC遵循“高字节低地址、低字节高地址”的规律。

Modbus RTU的保持寄存器总是以“字(双字节)”为单位,而一个实数需要4个字节(双字)表示。HMI软件在处理时可能会把保持寄存器的两个“字”互换位置,造成不能识别以西门子格式表示的实数。如果HMI软件一方无法处理这种实数,则可在S7-200 CPU中编程将存入数据缓冲区(保持寄存器区)的实数的高字和低字互换。

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为何有的HMI软件用Modbus RTU可以读取作为从站的S7-200的内容,但不能写入?

可能此软件使用了Modbus功能15(写多个离散量)或类似功能(功能 16)。S7-200从站协议遵守“以整字节地址边界(如Q0.0、Q2.0)开始、以8的整数倍为位个数”的规约。如果HMI软件未严格执行此规律就可能发生写入错误的情况。

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S7-200是否支持 Modbus ASCII 模式?

S7-200可以支持上述模式,但是没有现成的指令库,需要用户自己编程。

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项目编译后为何出现很多错误?

使用指令库时,若编译后出现很多错误,一般是因为未指定库指令数据存储区。请参考相关条目。

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S7-200 CPU的Port1是否可以支持Modbus RTU协议?

可以。用户可以自己编程实现。

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在S7-200的“Tips and Tricks”帮助文档中,Tip041是Modbus RTU从站程序,用户可以参考。

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S7-200是否可以组成Modbus RTU通信网络?如何组网?

S7-200可以组成RS-485基础上的Modbus RTU网络。如果通信对象是不同标准的通信口,可能还需要转换。参见:RS-485网络组成


Modbus RTU 从站例程

需要 STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP3 以上版打开

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